無人售貨的無線通信關鍵技術研究與實現

(黃岡師范學院,湖北 黃岡 438000)

0 引言

隨著科學技術的不斷發展, 人力成本越來越高, 傳統的經營模式和生產方式越來越不適應中國的發展,回顧歷史, 世界最終進步是依靠技術的進步,中國近四十年發展的經驗告訴我們, 科學技術才是第一生產力, 只有促進社會的生產效率的不斷提高,人民的生活水平才會不斷提高, 人類社會才是真正的進步。針對銷售行業,如何的提高服務水平, 提高服務質量, 人們也做了更多的探索,也取得很多進步, 如從柜臺銷售的百貨方式, 到自由選購的超市模式.現在自動售貨機也逐漸進入了現代人們的生活之中.當前由于移動支付的現實及普及，基于移動支付方式的的自動售貨系統比起傳統的售貨系統具有更大的便利性和安全保障， 也更加能被消費者接受。著眼于未來我們認為這種無人售貨機一定是無現金交易, 因此完全可以從成本的角度出發,省略投幣等現金交易方式, 充分利用手機交易方式(支付寶、財付通,微信等),通過手機支付快捷完成交易, 提供及時服務。

目前，由于無線支付方式才剛剛興起，從文獻資料來看。尚未看到基于無線支付方式的無人售貨系統的相關論文。而原先的無人售貨系統通信方式大多是基于有線通信或者GSM短信方式，可靠性差。而當前無線通訊技術已經進入到物聯網時代，各種無線通訊技術已經成熟。通過實驗對比找到無人售貨最適合的無線通訊方式成為實現無人售貨的關鍵之一。

實現無人售貨的關鍵通訊技術實際上就是端到端的接入技術， 端到端的接和技術又分為無線的接入技術和有線的接入技術。有線接入實現通訊的成本比較高，而且不容易實現，工程量太大， 移動性，靈活性太差，所以說有線的網絡對我們智能售貨系統的應用場合并不是很匹配，而無線的接入技術能夠做到廣覆蓋和無縫覆蓋。只要終端能夠發射電波，就能夠通過基站和平臺建立通訊連接，所以我們認為無人售貨的最佳通訊技術是無線通訊技術。

1 無人售貨的通信技術的選取

無人售貨系統的無線接入技術， 根據信號的覆蓋泛圍，我們分為無線個域網， 無線局域網，無線廣域網，無線廣域網又分為低功耗廣域網，寬帶廣域網，寬帶廣域網一般是高速率的，低功耗廣域網又分為授權頻段和非授權頻段，授權頻網在我國要由工信部頒發授權才能使用。由運營商支配使用的通訊頻段，無線通訊根據無線信號覆蓋的大小不同分為多種不同的無線域網，比如藍牙通訊。通讀RFID，如果RFID是有源的，通訊距離可以達到250米。校園網的校園一卡通里面的芯片是有源射頻識別，學生進入校園可以和基站通訊，如果是無源如智慧倉儲的物品識別碼就是無源的，距離25米，無線局域網主要通讀是wIFI， ZIGBEE, ZWave,DECT數字增強無繩電話系統。通過上述近距離通信技術的了解我們發現采用這類技術實現無人售貨系統的信息通訊比較困難，要實現我們的無人售貨系統我們重點關注還是無線廣域網。

圖1 無線接入技術分類

首先可以采用的就是低功耗的廣域網技術，這類通訊可以實現就是廣覆蓋，低功耗，大連接，低成本。低功耗的廣域網技術又可分為授權頻譜和非授權頻譜，目前的NB-lot包括MTC和EMTC都是工作在授權頻譜這個泛圍。EC-GSM是廣展覆蓋GSM，也就是在2G網絡的傳輸范圍的擴展。LTE-M是物聯網的早期技術，一個是cat.0 一個是cat.1。未來的無線通訊技術主要是4G，5G通訊。非授權頻譜主要有LORA SIGFOX兩種。這種方式也可實現我們終端與平臺的連接，但布網點少， 只有少數區域應用。

根據傳輸速率的不同。低速率， 技術分類有不同分從需求上來說，窄帶廣域網，雖然能夠實現廣覆蓋，大連接，成本低。LORA SIGFOX具體來說只是城域網，也就是在某一個地區小范圍內使用，無法實現全國布局,NB-LOT可以實現全國一張網。EC-GSM網絡是在運營商在原有的網絡上升級，但與無人售貨機這種技術需求還是相差甚遠。而且與現有的GSM沖突，在低功耗的遠距傳輸中NB-LOT可以實現，但目前通過實測效果并未達到預期。也就是說通訊效果不好，不能夠穩定連接。

基于此，在無人售貨機通訊方式上目前只能放在廣域網方式。從性能上來說當然是3G、4G、5G效果更好，但考慮到價格因素，選擇GPRS網絡通信方式也是一個可行的方式。不選用3G網絡，因為一方面是因為3G網絡通常可以傳1M數據，而在多數情況下，我們只需傳輸十幾個字節，如果選用3G網絡技術實現就會造成通訊資源的巨大浪費。因此我們選用GPRS網絡來實現信息傳輸。綜上所述我們選用GPRS技術。

2 硬件設計

2.1 結構設計到電路設計，闡述設計思路，解決的技術難點

GPRS通訊硬件電路主要包括控制電路和GPRS電路兩大核心模塊。當有遠程通訊需求時，由主控模塊發送控制命令給通訊模塊建立通訊。通訊通道建立后，數據信息通過通訊模塊接收信息傳回主控制模塊進行處理。主控制模塊采用ST公司的STM32F107芯片。GPRS通信采用SIM800芯片。

2.1.1 結構設計

系統終端硬件采用以CORTEX-M4微處理器作為控制器核心， STM32F42103 微處理器是硬件的核心處理器，控制著整個系統的工作狀態。 系統基本模塊內容主要描述STM32F42103 的系統實現，包括復位電路，時鐘電路 繼電器電路 。STM32F42103系統如圖2所示。

圖2 系統框圖

2.1.2 SIM卡電路

SIM卡就是一個帶微處理機的芯片卡，由微處理機、內存模塊RAM、程序存儲器ROM、數據存儲器EEPRoM和串行通信單元五部分組成，SIM卡上存儲能夠識別的所有屬于本用戶的信息。符合GSM技術規范的“智能”卡，其中內部包含了與用戶有關的信息主要包括： 國際移動用戶識別號(IMSI)、鑒權密鑰(KI)、鑒權和加密算法。暫存的有關網絡的數據，SIM卡又稱為用戶信息識別卡[3]。SIM800想要想通過無線通訊系統的服務必需先要購買SIM卡，并插入SIM卡，才能使用GPRS通訊服務。SIM卡通過讀卡器端口與sim800聯系。

SIM卡電路設計注意事項:

SIM 卡電路比較容易受到干擾，引起不識卡或掉卡等情況，所以在設計時請遵循以下原則：

在 PCB 布局階段一定要將 SIM 卡座遠離 GSM 天線；

SIM卡的走線要盡量遠離 RF 線、VBAT 和高速信號線，同時 SIM 卡的走線不要太長。SIM 卡座的 GND 要和模塊的 GND 保持良好的聯通性，使二者 GND 等電位；

為防止SIM卡時鐘對其他信號干擾，需要作保護處理。

為了防止干擾應在信號線上靠近 SIM 卡座放置一個 1 μF 電容；

在靠近 SIM 卡座的地方放置 TVS，該 TVS 的寄生電容不應大于 50 PF 的，和模塊之間串聯 22 歐姆電阻可以增強 ESD 防護。

圖3 SIM 卡接口電路

2.2 技術難點

由于STM32F42103 微處理器與SIM800芯片的電平不匹配。需要通過一個電壓轉換芯片，否則系統信號無法工作， 一般來說應該選取國外質量好的品牌， 能夠可靠傳輸轉換信號芯片， 故筆者選用SP3232EEN來實現電平轉換功能。具體電路如下。

圖4 SP3232驅動電路

3 軟件設計

要實現無人售貨機的控制及通訊功能，光有硬件的支撐是遠遠不夠的， 同時要完成基于STM32系統終端軟件設計。

3.1 設計軟件平臺簡介

針對STM32F429開發，本次軟件設計采用ARM公司的Keil 5 MDK 作為開發套件進行程序開發。相對于其它開發方式，該集成開發套件具有下面幾方面的優勢。

1)KEIL MDK提供芯片啟動代碼，開發者不需要編寫相應的啟動代碼，節約了開發時間，提高了編程效率。

2)由于ST公司提供了對應的庫函數，開發者不需要花太多時間糾結在芯片的寄存器上。可以通過導入相應芯片的庫函數，利用所提供的庫函數功能完成開發。使整個編程工作更加方便快速。

3)KEIL開發界面簡潔，學習容易。

4)芯片公司提供大量的例程，數據手冊，參考手冊，能夠極大的方便用戶使用。同時提供各種技術支持，并不斷的舉行技術推廣講座，方便開發人員掌握開發方法。

3.2 實現數據傳輸

無人售貨機的數據通訊是采用中斷響應方式來實現數據傳輸。為保證數據的準確性和安全性， 在GPRS數據傳輸的基礎上，在終端采用基于MODBUS的CRC對數據進行校驗。本項目軟件的實現可以采用基于庫函數的直接驅動硬件方式實現。

圖5 通訊流程圖

1)系統初始化：系統時鐘初始化、中斷初始化、GPIO口初始化、串口初始化等。

2)建立 GPRS通信：通過串口傳輸AT指令啟動GPRS，建立GPRS傳輸，成功，進行數據傳輸，不成功進行斷點續傳。

3)在GPRS通信的基礎上進行數據校驗與處理。

遠程終端主控芯片通過USART串口通訊與GPRS芯片SIM800進行通訊。通過串口傳輸AT指令給SIM800從而啟動GPRS傳輸，從而實現與服務器端的數據交互，從而實現服務器與終端節點的信息交換。

終端機與遠程監控中心的遠程數據傳輸的實現包括 GPRS 通信模塊的初始化、GPRS 網絡登錄、鏈路維護和數據傳輸過程。終端機在啟動時初始化時，由微處理器向通信模塊發送一系列AT 指令，配置通信模塊的工作模式，上下文激活，依據PPP 協議請求登錄到GPRS 網絡，經過LCP 協商和NCP 協商，建立起通信連路，成功登錄到GPRS 網絡，就可與監控中心進行遠程數據傳輸；鏈路維護指終端機每隔一個固定時間發送一條鏈路維護指令，檢查通信鏈路是否斷開，如果通信連路出現故障，就重新登錄到GPRS 網絡；數據傳輸是指數據以IP 報文的形式在終端機與監控中心間的雙向傳輸。

1)定義AT指令

//REG

#define ATE0_CMD "ATE0 " /// 禁止回顯

#define CREG_CMD "AT+CREG?\00Dx00A" /// 查詢網絡注冊情況

#define CGMM_CMD "AT+CGMMx00Dx00A"

#define SIMCARD_CMD "AT+CPIN?x00Dx00A"

//LD GPRS

#define GPRS_QD "AT+CSTTx00Dx00A" /// GPRS啟動

#define GPRS_JH "AT+CIICRx00Dx00A" /// 移動場景開啟，激活

#define GPRS_DEF_PDP "AT+CGDCONT=1，”IP”，”CMNET”x00Dx00A" /// 接入點

#define GPRS_ACT_PDP "AT+CGATT=1x00Dx00A" /// GPRS激活PDP

#define GPRS_CMNET_APN"AT+CIPCSGP=1，”CMNET”x00Dx00A"http://設置GPRS模式

#define GPRS_BJ_ADDR "AT+CIFSRx00Dx00A" /// 獲取本地IP

#define GPRS_TCP1 "AT+CIPSTART=" /// 建立一個IP連接

#define GPRS_TCP2 PROTOTOCOL //定義傳輸協議

#define GPRS_TCP3 IPADDR //定義IP地址

#define GPRS_TCP4 PORTNUM //定義端口號

啟動GPRS

三只松鼠通過創業營銷戰略的機會導向、超前行動、創新性、風險管理和資源整合幾個維度，利用探索性創新和利用性創新將產品、服務和內容傳遞給顧客，與顧客、合作伙伴、員工等價值鏈中成員共創價值，實現企業目標(見圖1)。

void start_gprs_mode(void)

{ GPIO_ResetBits(GPIOB，GPIO_Pin_0);

delay_GSM(100);

GPIO_SetBits(GPIOB，GPIO_Pin_0);

delay_GSM(10000);

GPIO_ResetBits(GPIOB，GPIO_Pin_0);

}

2)建立一個IP連接

void __GPRS_TCPIP()

{//AT+CMGR=1

send_string_uart3(GPRS_TCP1); //uart3口發送"AT+CIPSTART="，即建立一個IP連接

send_data_uart3(0x22); //

send_string_uart3(g_config_data.protocoltype); // uart3口發送協議類型

send_data_uart3(0x22);

send_data_uart3('，');

send_data_uart3(0x22);

send_string_uart3(g_config_data.ipaddr); / // 從uart3口發送IP地址

send_data_uart3(0x22);

send_data_uart3('，');

send_data_uart3(0x22);

send_string_uart3(g_config_data.portnum); //// //從 uart3口發送端口號

send_data_uart3(0x22);

send_data_uart3(0x0D);

send_data_uart3(0x0A);

PUT("destination address:");

PUT(g_config_data.ipaddr);

LCD_write_english_string((LCD_WIDTH_PIXELS - strlen(g_config_data.ipaddr)*6)/2，3，LCD_BANK_LINE);

if(0)

{ LCD_write_english_string((LCD_WIDTH_PIXELS - strlen(g_config_data.ipaddr)*6)/2，3，g_config_data.ipaddr);

} else

{ LCD_write_english_string(0，3，g_config_data.ipaddr);

LCD_write_english_string((LCD_WIDTH_PIXELS - strlen(PM)*6)/2，1，PM);}

delay_GSM(3000);

}

(3)發送數據

void send_gprs_data(char * buf ， unsigned int count)

{

unsigned int i ，j;

if (current_status != TCP_IP_OK) // 如果協議沒有連接成功直接返回

return ;

ibusy = 1;

LCD_write_english_string((LCD_WIDTH_PIXELS - strlen(LCD_BANK_LINE)*6)/2，5，LCD_BANK_LINE);

LCD_write_english_string((LCD_WIDTH_PIXELS - strlen(SIM_SEND_GPRS_DATA_TEST)*6)/2，5，SIM_SEND_GPRS_DATA_TEST);

send_string_uart3(GPRS_SEND_DATA); //發送數據命令

delay_GSM(2000);

for( j = 0 ;j < count ; j ++)

{ for ( i = 0 ; i < strlen((const char*)buf) ; i ++)

{ send_data_uart3(buf[i]); } }

send_data_uart3(0x1A); //LF //沒長度限制一定要用1A表示結束

endif

ibusy = 0;}

3.3 掉線重撥技術實現

為解決系統掉線重撥問題，本文在單片機主程序的基礎上，嵌入“心跳”檢測程序，實現數據的穩定傳輸。所謂“心跳”程序，就是模擬心跳過程，定時發送檢查數據，根據返回信息判斷是否重登錄網絡。圖6為“心跳”檢測程序流程圖。

圖6 心跳包檢測程序流程圖

心跳檢測程序：

if(is_enable_send_gprs_position()&&!ibusy) //定時發送心跳數據

{

icount++;

gprs_heart(wendu_gprs，icount); //發送心跳數據，定時器里面實現

if(icount > 32000)

icount = 0;

4 實驗測試

要實現遠程控制，一定需要利用現有的無線傳輸網絡， 離不開現有的運營商網絡的支持，首先使用一個市面上常用的手機卡，插入SIM卡中。通過STM32的USART3對SIM800進行指令控制， 在實驗中通過AT指令，能夠完成網絡的遠程連接， 但不能有效保持連接狀態， 在無法確定原因的情況下，購買了專用流量卡做測試， 同樣信號也沒有多少改善。 只能進行短時間有效傳輸， 每一次要傳輸信號時，都需要重新做連接操作， 充分懷疑是運營商的踢網操作造成的，通過實驗提醒筆者， 在實際應用過程中， 當要傳輸信號時，一定要多做檢測動作， 查看通信的連接狀態， 保證信號的正常傳輸，當然也有可能是因為遠離基站，信號不好造成的斷線。不管是什么原因。保持信號通過長連接是在程序實現過程中要充分考慮的重要問題。

5 結束語

詳細分析了GPRS 通信技術，根據基于GPRS 網絡平臺的遠程通信技術的發展情況，確定了系統的設計方案遠程控制系統的功能設計，完成硬件設計的基礎上，研究了用于GPRS 模塊通信的PPP 協議，設計了終端的應用程序，進行了遠程終端與監控中心的數據傳輸實驗，實現了遠程終端的硬件設計。該系統運行穩定，具有廣泛的應用價值和前景。