基于GPRS的2.4G無線遠程通訊系統的研究與實現

司海瑞，王斌儒，張樂年

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

?

基于GPRS的2.4G無線遠程通訊系統的研究與實現

司海瑞，王斌儒，張樂年

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

摘要：綜述了用于遠程實時監控工業現場設備狀態的控制系統的研究與實現，著重對STM32F101C8T6芯片和SIM900的硬件電路和軟件編程的要點予以介紹，最終以整個系統的成功調試作為檢驗。

關鍵詞：芯片；SIM900；通信協議

0引言

設備遠程控制是指從與被控設備地理位置相距很遠的地方對設備進行監測和控制。對于工業設備制造商，產品遠銷全國乃至世界各地時，設備的檢測、維護、故障判斷往往需要專人到現場進行處理，人力、物力、財力投入巨大。在這種情況下采用遠程監控系統就能為設備制造商提供低成本、快速的服務響應，也提高了市場競爭力。

1系統概述

1.1系統功能結構

系統分為工業現場的無線通訊子系統部分和GPRS子系統遠程控制部分。工業現場的每臺設備都有一塊采集設備信息的芯片和一個無線模塊，芯片采集到信息后通過無線模塊，將各臺設備的信息集中到處理器的主模塊上，主模塊通過串口將信息傳遞至GPRS子系統，并由GPRS模塊將信息發送，再由服務器讀出相應信息進行分析，判斷工業現場設備狀態。系統總體結構如圖1所示。

圖1　系統總體結構

1.2芯片選擇

系統上位機軟件為VC6.0。下位機采用STM32F101C8T6芯片, SIM900A GPRS模塊以及SM63無線模塊。其中CPU芯片選用嵌入式微處理器STM32F101C8T6作為系統的處理器。STM32 系列微控制器采用了 ARM 公司為要求高性能、低成本和低功耗的嵌入式應用專門設計的 Cortex-M3 內核，擁有功耗控制功能及創新的外觀，并做到了最大程度的集成整合，非常適合低電壓/低功耗的應用場合。SIM900A模塊是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝，基于STE的單芯片案，采用ARM926EJ-S架構,性能強大，可以內置客戶應用程序。SM63無線模塊具有成本低廉、建設工程周期短、適應性好、擴展性好等優點，適用于工業現場短距離通信。

2硬件設計

2.1GPRS子系統設計

GPRS模塊芯片SIM900通過串口與STM32芯片進行數據傳送。在該子系統中，GPRS模塊芯片相當于串口，GPRS的數據相當于串口數據。因此對遠程數據的采集就對應了對串口數據的采集。串口采用中斷調用。串行口中斷服務程序完成數據發送和接收等功能，可接收上位機發送給本系統的各種命令，也可將本報警儀的結果傳送給上位機。GPRS子系統原理圖如圖2所示。

圖2　GPRS子系統原理圖

圖2中U_GPRS_Main為該子系統的核心部分，包括STM32芯片，EEPROM，指示燈，看門狗電路及其他保護電路;U_GPRS_SIM900a包含SIM900芯片及外接電路；U_GPRS_Serial為STM32與DB9接口的電路圖；U_GPRS_Power則是外部電源電路。圖2所示GPRS子系統中主模塊通過I/O口分別與SIM900和RS232相連。其中利用STM32芯片的USART1連接SIM900，USART2連接 SP323E用于與DB9相連。由于上位機與下位機之間要實現全雙工串口通信，因此需要采用交叉線連接。

2.2無線通訊子系統設計

無線通訊子系統同樣采用STM32芯片作為處理器，電路主要包括EEPROM，指示燈，看門狗電路，無線模塊電路，電源電路及其他接口電路與保護電路，在與DB9接口連接時同樣需要采用交叉線連接。其原理圖如圖3所示。

圖3　無線通訊子系統原理圖

由于在工業現場每臺工業設備上均有無線模塊，因此，需要區分主模塊與子模塊，并且需要對各個子模塊進行區分。因此，在設計中采用了撥碼盤，用最高位來區分主模塊與子模塊，其他位用于確定子模塊的標號。

3軟件設計

軟件設計的流程如圖4所示。

圖4　軟件流程圖

軟件設計分為下位機軟件與上位機軟件，上位機程序用于遠程操作，一方面要對GPRS發送的數據進行解析，得到相應的數據，另一方面要將控制指令發送給系統。系統使用VC6.0作為開發工具，數據庫采用Access 2000。由于涉及遠程操作，程序設計重點在于使用CSOCKET類。下位機使用Keil uVision 4作為開發工具。編寫GPRS子系統與無線通訊子系統的程序，并通過JLink寫至芯片。下位機程序為了判斷設備是否正常運行，采用定時發送簡單的心跳包，如果在指定時間段內未收到對方響應，則判斷對方已經離線。

4通信協議

由于需要使用GPRS傳輸數據因此有必要定義通信協議表1、表2。

表1　GPRS通信寫入命令通信協議

表2　GPRS通信讀出數據通信協議

5結語

遠程通訊系統的可靠性主要取決于系統遠距離數據通訊的糾錯和校驗功能。系統在軟件編寫上設計了可編程的等待超時限制，即若在規定的時間內無法得到當前測試部分數據，則軟件默認通信系統異常，并加入了數據長度校驗，數據格式校驗等功能以提高系統的診斷精度和抗干擾能力。經多次檢測，系統通信功能良好，數據傳輸準確，快速。綜上所述，本課題中的GPRS加2.4G無線遠程通訊系統能夠滿足實際應用中的高速、實時的要求。

參考文獻:

[1] 劉火良，楊森. STM32庫開發實戰指南[M]. 北京：機械工業出版社，2013.

[2] 朱升林. 嵌入式網絡那些事[M]. 北京：中國水利水電出版社，2012.

[3] 龔建偉，熊光明. Visual C++/Turbo C串口通信編程實踐[M]. 北京：電子工業出版社，2004.

[4] 陳堅，陳偉. Visual C++網絡高級編程[M]. 北京：人民郵電出版社，2001.

[5] 32位基于ARM微控制器STM32F101XX與STM32F103XX固件函數庫[Z].

[6] 上海上志電子信息技術有限公司.10mW/50mW-ISM低電壓無線收發模塊[Z]. 2010.

Research on Remote Communication System Based on GPRS and Wireless

Model and Its Implementation

SI Hai-rui, WANG Bing-ru, ZHANG Le-nian

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and

Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:This paper expatiates on the research and implementation of remote communication system for Industrial field control and focuses attention on the introduction of hardware circuit and software programming of STM32F101C8T6 and SIM900. The test is the fact that the whole system runs successfully.

Keywords:STM32F101C8T6; SIM900; communicating protocol

收稿日期：2014-12-17

中圖分類號：TN926

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)03-0172-02

作者簡介：司海瑞(1991-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統開發。