基于GSM的嵌入式控制器

吳維健 劉繼偉

摘要：論文設計了一種基于GSM的嵌入式控制器，其采用物聯網MQTT協議，具有穩定性高、設計簡單等優點，能夠完成不同距離設備間的數據通訊與信息共享。此外，控制器還具備NPN型24V數字量輸入輸出功能，其能夠以1MHz的速率輸出高達27A的電流，具有極強的驅動能力。現場驗證表明，該控制器運行穩定可靠，具有較強的實用價值。

關鍵詞：GSM，嵌入式系統，MQTT，通訊。

一、引言

隨著“中國制造2025”戰略的持續推進，傳統制造業面臨著向智能制造轉型升級的歷史路口。自動化與信息化的深入融合促使制造效率飛速提升，產品、設備的安全性、可靠性也得到了極大保證。

實現廠房內不同設備、不同廠房間設備、不同地區廠房間設備的數據共享，是實現智能制造的基礎與前提。大量專家學者對此進行了深入研究，并提出了多種行之有效的解決方案，例如何金鳳等研究了一種基于STM8單片機設計的具有遠程控制功能的電鍋爐控制器，通過GSM無線通信模塊實現對電鍋爐控制器的數據接收和遠程控制，該控制器具有監測水溫、監測加熱管爐壁溫度、4個時段定時、控制循環泵、超溫報警、故障報警等功能。[1]何金枝等設計了一種基于單片機的GSM遠程溫度控制器，其實現了對遠程溫度的實時監測和控制，該系統具有體積小、成本低、可靠性高等特點。[2]周光彬等設計了一種基于GSM短信息的智能控制器，其實現了設備的遠端控制。[3]然而，目前很多遠程控制系統數據的傳輸都是基于TCP或UDP的開環傳輸方式，一旦遇到傳輸錯誤或通訊故障，系統無法自行修復，因此這類系統往往需要編寫復雜的數據校驗程序，以保證傳輸的準確性。

本文提出了一種基于GSM的嵌入式控制器，其以目前廣泛應用的MQTT協議為基礎完成數據的傳輸與信息的共享，其具有不同的傳輸安全等級，能夠自動修復通訊問題。本文設計的基于GSM的嵌入式控制器，能夠極大簡化數據校驗的過程，并具有較高的安全性和可靠性，適用于多種工業通訊場合。

二、MQTT協議

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協議既遙信消息隊列傳輸，是IBM公司于1999年提出的。MQTT是一個基于TCP的發布訂閱協議，是為大量計算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠的網絡的遠程傳感器和控制設備的通訊而設計的協議，它具有以下主要的幾項特性[4]：

1、使用發布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發布，解除應用程序耦合;

2、對負載內容屏蔽的消息進行傳輸;

3、使用TCP/IP提供網絡連接;

4、有三種消息發布服務質量：“至多一次”，消息的發布完全依賴底層 TCP/IP 網絡會發生消息丟失或重復;“至少一次”，確保消息到達，但消息重復可能會發生;“只有一次”，確保消息到達一次;

5、小型傳輸，開銷很小，協議交換最小化，以降低網絡流量;

6、使用Last Will和 Testament 特性通知有關各方客戶端異常中斷的機制。

實現MQTT協議需要客戶端和服務器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT協議中有三種身份：發布者（Publish）、代理（Broker）（服務器）、訂閱者（Subscribe）。其中，消息的發布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務器，消息發布者可以同時是訂閱者。

在MQTT協議中，一個MQTT數據包由固定頭（Fixed header）、可變頭（Variable header）、消息體（payload）三部分構成，其中：

（1）固定頭（Fixed header）。存在于所有MQTT數據包中，表示數據包類型及數據包的分組類標識;

（2）可變頭（Variable header）。存在于部分MQTT數據包中，數據包類型決定了可變頭是否存在及其具體內容;

（3）消息體（Payload）。存在于部分MQTT數據包中，表示客戶端收到的具體內容。

三、基于GSM的嵌入式控制器

本文設計的基于GSM的嵌入式控制器是以意法半導體公司的STM32F446RE為核心的控制器，其具有Cortex-M4內核，最高主頻可達到180MHz。

嵌入式控制器主要包括以下子系統：

（1）電源子系統。電源子系統主要為STM32F446RE及其他設備提供電源，其能夠將輸入的24V電源轉化為5V電源，并具有隔離功能，能夠有效隔絕外界的電磁干擾;

（2）485通訊子系統。485接口是工業中常見的通訊接口，其應用及其廣泛，且可靠性高、傳輸距離遠。本文采用廣州金升陽科技有限公司的485通訊隔離模塊，其集電源隔離、信號隔離、RS485 通信和總線保護于一體，傳輸速率可達500Kbp;

（3）數字量輸入子系統。該子系統能夠提供工業常見的NPN型24V數字量輸入，并采用高速光耦進行隔離;

（4）數字量輸出子系統。該子系統能夠提供工業常見的PNP型24V數字量輸出，輸出速率達到1MHz，采用Mosfet作為驅動系統，最大驅動電流高達27A，可以直接驅動絕大部分常見的外設;

（5）GSM通訊子系統。GSM通訊子系統以esim卡為核心，采用上海合宙通信科技有限公司的2G通訊模塊，實現高速、穩定的GSM通訊傳輸。

論文設計的基于GSM的嵌入式控制器PCB電路設計圖如圖1所示：

系統的實物圖如圖2所示：

四、結論

本文設計了一種基于GSM的嵌入式控制器，其基于MQTT協議，具有穩定性高、功耗小、程序設計簡單、功能強的特點，其能夠廣泛應用于工業設備的數據傳輸與信息共享中。此外，本文設計的控制器還帶有數字量輸入輸出功能，并具有較大的驅動電流。該控制器在單回路控制中可以替代小型PLC，從而極大降低了設備成本。根據現場測試表明，該控制器運行穩定、可靠，能夠滿足用戶需求。

參考文獻：

[1] 何金鳳.基于GSM遠程控制的電鍋爐控制器的設計.基于單片機的GSM遠程溫度控制器設計，2017，15（04），26-29+91

[2] 何金枝，毛海燕，周國運.基于單片機的GSM遠程溫度控制器設計.制造業自動化，2012，11：128-134

[3] 周光彬，曾孝平.GSM短信息智能控制器的設計與實現.微計算機信息，2007，23： 24-25+37

[4] Home Assistant Community. MQTT.home-assistant.io. Home Assistant Community. August 7， 2015