基于STM32和SIM900A的無線通信模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

霍 濤，賈振堂

（上海電力學(xué)院 電子與信息工程，上海 200090）

隨著網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)經(jīng)過多年的研究與實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)如今在工業(yè)控制領(lǐng)域有了非常重要的地位，并且發(fā)揮著越來越大的作用。文中根據(jù)廠家的要求，設(shè)計(jì)的無線通信模塊，主要實(shí)現(xiàn)了短信與數(shù)據(jù)收發(fā)功能，并且做到了模塊的穩(wěn)定，掉線之后能夠自動(dòng)重連[1]。

1 無線通信模塊整體設(shè)計(jì)方案

模塊主要有電源部分、主控部分、通信部分、數(shù)據(jù)傳輸部分4個(gè)部分組成[2]。通信模塊采用SIM900A進(jìn)行無線通信。主控模塊采用STM32作為主控芯片，來控制短信的收發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樌M(jìn)行。遠(yuǎn)程終端可以是手機(jī)或者上位機(jī)的數(shù)據(jù)中心軟件，經(jīng)過處理之后，儲(chǔ)存下來，方便日后的查詢。本模塊具有低功耗，方便靈活，操作簡(jiǎn)單并且穩(wěn)定，掉線之后可以自動(dòng)連接，運(yùn)行過程十分穩(wěn)定，并且成本較低。

2 無線通信模塊硬件設(shè)計(jì)

2.1 功能需求

圖1 無線通信模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 structure diagram

本文設(shè)計(jì)的無線通信模塊，要求單12V電源輸入，模塊上電運(yùn)行后有相應(yīng)的指示燈來指示模塊的運(yùn)行狀態(tài)。另外要求模塊能夠?qū)崿F(xiàn)短信以及數(shù)據(jù)透?jìng)鲀纱笾饕δ?，在手機(jī)發(fā)送短信給模塊之后，模塊能夠動(dòng)作，并給出回應(yīng)。最后要求在建立TCP鏈接時(shí)，仍然能夠收發(fā)短信。

2． 2 電源部分

在主電路中，主控芯片STM32的工作電壓為2.0～3.6 V，通信芯片SIM900A的工作電壓為3.1～4.6 V，為使模塊各個(gè)部分正常工作，必須對(duì)兩者進(jìn)行分別供電，電源供電電路如下：

圖中V12外接12 V電源，經(jīng)過電容濾波后輸入到LM2576，實(shí)現(xiàn)12 V到4 V的轉(zhuǎn)換，R1、R2在線路中起到分壓作用，D2燈亮起時(shí)，表示模塊已經(jīng)正常供電。LM2576是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3 A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，具有完善的保護(hù)電路，比較穩(wěn)定。

圖2 電源模塊Fig.2 Power Module

2.3 主控芯片

圖3 主控芯片STM32Fig.3 Main control chipSTM32

主控模塊采用STM32單片機(jī)作為微控制器，該芯片能工作于-40～105°C的溫度范圍，MAX3232芯片用于串行口的電平變換，實(shí)現(xiàn)控制器與通信接口之間的通信[3]。串口1與電源電平轉(zhuǎn)換芯片Max3223相連，USART1_TX輸出，所以在配置GPIO時(shí)，定義該口的模式為推拉輸出，USART1_RX為輸入，定義為懸浮輸入模式。串口2與SN65LBC184D通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，USART2_RTS、USART2_RX為輸入端口，模式定義為懸浮輸入模式，USART2_CTS、USART2_TX為輸出端口，模式定義為推拉輸出。串口3用來控制SIM900A芯片，USART3_RTS、USART3_RX為輸入端口，模式定義為懸浮輸入，USART3_CTS、USART3_TX為輸出端口，模式定義為推拉輸出。

2.4 通信芯片

通信芯片采用SIMCom公司的新型緊湊型產(chǎn)品SIM900A，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高，并且能夠滿足用戶的多種需求[4]。在實(shí)現(xiàn)斷線自動(dòng)重連功能時(shí)，涉及到DCD、RI兩個(gè)引腳的使用。DCD引腳用來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)模塊掉線時(shí)，會(huì)給DCD引腳一個(gè)高電平，當(dāng)這個(gè)電平被DCD引腳檢測(cè)到之后，模塊就是采取相應(yīng)的動(dòng)作，來重新連接上線。RI引腳在模塊上線之后，就一直保持高電平，在有電話和短信進(jìn)來的時(shí)候，RI管腳就會(huì)有一個(gè)低電平出現(xiàn)，當(dāng)RI引腳檢測(cè)到這個(gè)低電平的時(shí)候，模塊就會(huì)采取相應(yīng)動(dòng)作，進(jìn)入到短信或者電話模式。

3 無線通信模塊軟件設(shè)計(jì)

3.1 STM32的底層配置

為了實(shí)現(xiàn)STM32單片機(jī)與SIM900A模塊之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸兩大功能[5]。首先要搭建開發(fā)平臺(tái)，在工程中加入需要用到的庫函數(shù)以及配置文件，然后配置系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷控制器、輸入輸出的GPIO以及相應(yīng)的串口[6]。在配置這些參數(shù)的時(shí)候，首先需要對(duì)照原理圖進(jìn)行編寫，然后查看芯片用到哪些端口和這些端口的作用，這樣才能保證無誤。接下來就要對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行配置，以保證模塊能夠正常運(yùn)行[3]。

圖4 SIM900A通信芯片F(xiàn)ig.4 SIM900Acommunication chip

3.1.1 串口配置

開發(fā)環(huán)境搭建好之后，就可以配置端口參數(shù)了。對(duì)于本模塊，設(shè)置USART傳輸?shù)谋忍芈蕿? 600 b/s，字長(zhǎng)為8 bit，1 bit停止位，無檢驗(yàn)?zāi)Ｊ?。在?duì)串口1、2、3初始化之后，打開串口的中斷響應(yīng)函數(shù)：USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE)（以串口1為例），使能相應(yīng)的串口：USART_Cmd(USART1,ENABLE)，這樣串口的配置就基本完成了。

3.1.2 中斷控制器的配置

首先配置優(yōu)先級(jí)分組，設(shè)置先占優(yōu)先級(jí)1位，從優(yōu)先級(jí)3位。本模塊定義了5個(gè)全局中斷，分別為：兩個(gè)RTC全局中斷、USART1全局中斷、USART2全局中斷、USART3全局中斷，分別對(duì)每一個(gè)中斷配置優(yōu)先級(jí)，使能串口再初始化即可。需要注意的是，PC15管腳作為EXTI15的外部中斷輸入管腳，當(dāng)該管腳的電平為低電平的時(shí)候觸發(fā)，模塊進(jìn)入短信模式，因此給這個(gè)中斷一個(gè)比較高的優(yōu)先級(jí)，所以定義該中斷先占優(yōu)先級(jí)1位，從優(yōu)先級(jí)0位。在設(shè)置優(yōu)先級(jí)的時(shí)候，必須根據(jù)模塊的運(yùn)行情況，選擇最優(yōu)的中斷分組和優(yōu)先級(jí)，才能保證程序運(yùn)行時(shí)，能夠快速的響應(yīng)中斷。

3.2 無線通信模塊短信功能的實(shí)現(xiàn)

1)短信收發(fā)具體過程

短信功能的實(shí)現(xiàn)主要涉及到兩個(gè)關(guān)鍵部分，一個(gè)是AT命令，另一個(gè)是串口的讀寫。AT命令是主控芯片STM32和SIM900A之間的通信協(xié)議，完成對(duì)SIM900A的控制。短信的收發(fā)主要有兩種模式，一種是文本模式，該模式只支持英文內(nèi)容，另一種是PDU模式。本模塊在完成初始化之后，首先通過USART向SIM900A發(fā)送“AT+回車”命令來檢查AT命令是否正常工作，如果返回OK，則表示能夠進(jìn)行接下來的短信功能[2]。

SIM900A的短信功能主要分為兩個(gè)部分，第一：讀取短消息。讀取短消息的設(shè)置命令為：AT+CMGR，該命令生效后有兩個(gè)返回值：index和mode，index就是接收到的短信的編號(hào)，我們將接收到的index內(nèi)容放在一個(gè)長(zhǎng)度為30的buf中，再將buf寫入到串口3中，然后再讀取串口3中的內(nèi)容，這樣，短信的編號(hào)就獲取完畢[7]。獲取了短信的編號(hào)之后，就能去獲取短信的具體內(nèi)容，而短信的內(nèi)容則存放在alpha中，它處于響應(yīng)的第三個(gè)位置，通過get_fw(at_string,phnum,19,2)可將短信的內(nèi)容取出來，這樣短信的內(nèi)容就獲取到了。第二：發(fā)送短消息。發(fā)送短消息的設(shè)置命令為：AT+CMGS，首先將發(fā)送短信的電話號(hào)碼存入到一個(gè)buf中，將這個(gè)buf寫入到串口3中，以此獲取手機(jī)號(hào)碼。而短信在發(fā)送的時(shí)候，短信內(nèi)容之前會(huì)帶一個(gè)“>”號(hào)，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，只要檢測(cè)到“>”號(hào)時(shí)，后面的內(nèi)容也就是短信發(fā)送的內(nèi)容，最后將短信的內(nèi)容寫到串口3即可[4]。

2)相應(yīng)的AT命令

表1 短消息功能的AT命令Tab.1 Short message function’s AT command

3.3 短信命令的定義

本模塊自定義了許多短消息命令來設(shè)置或者查詢模塊的參數(shù)，具體為：SIP:IP地址設(shè)置命令、SPT：端口號(hào)設(shè)置命令、DID：ID號(hào)設(shè)置命令、ACON：自動(dòng)連接命令、PRT：打印命令、LIVE：心跳操作命令、CSQ：信號(hào)強(qiáng)度查詢命令。這些指令通過短信的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的操作[4]。

拿SIP來舉例，它的實(shí)現(xiàn)過程為：首先把短信中的‘=’之前的字符取出來存放在sms_cmd中，然后將sms_cmd與SIP、SPT、DID、ACON、PRT、LIVE、CSQ 來比較，如果等于其中一個(gè)，則程序跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的部分來執(zhí)行相應(yīng)的操作。這里，strcmp(sms_cmd,"SIP")==0，程序跳轉(zhuǎn)到SIP部分來執(zhí)行IP部分的操作。然后，將‘=’之后的字符取出來存放在sms_para中。通過字符串比較函數(shù)來判斷它是‘？’還是數(shù)字。如果是‘？’，則表示該短信命令是一個(gè)查詢命令，就只需要用輸出顯示IP號(hào)給用戶看。如果是數(shù)字，則表示該短信命令是一個(gè)設(shè)置命令，就需要重新設(shè)置某些參數(shù)值，來改變模塊的運(yùn)行過程[7]。對(duì)于SIP，如果‘=’之后是數(shù)字，就表示該短信是用戶用來設(shè)置模塊的IP地址的。此時(shí)，就要把當(dāng)前的IP值賦給模塊的IP值就可以了。最后輸出顯示IP地址設(shè)置成功，則SPT部分的操作就完成了。

4 無線通信模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)格式的定義

數(shù)據(jù)包的具體格式如下：

數(shù)據(jù)包頭已經(jīng)定義為S_PACKET_HEADER結(jié)構(gòu)類型，link_id為DWORD類型，對(duì)于發(fā)送，填寫目標(biāo)link_id，對(duì)于接收到的數(shù)據(jù)包，則為源link_id（由服務(wù)器自動(dòng)轉(zhuǎn)換填寫），結(jié)束標(biāo)志為0x01，數(shù)據(jù)Data則根據(jù)具體的命令而各不相同。

4.2 登陸、退出的協(xié)議過程

后臺(tái)軟件根據(jù)指定的服務(wù)器地址和端口號(hào)發(fā)起TCP連接請(qǐng)求，連接成功后開始命令交互。工作過程描述如下：

1)后臺(tái)軟件首先采用CMD_LOGIN命令，登陸到通信服務(wù)器，在登陸成功之前，發(fā)送其他任何命令服務(wù)器都不處理。發(fā)送CMD_LOGIN:FORWARD給服務(wù)器，攜帶數(shù)據(jù)為S_TERMINAL。該命令的目標(biāo)link_id設(shè)為0,表示發(fā)送給服務(wù)器，而不是給其他終端。

2)服務(wù)器在CMD_LOGIN:RESPONSE_OK中將其他在線模塊的信息發(fā)送過來，從而在客戶端應(yīng)用程序形成在線模塊列表。后臺(tái)若收到 CMD_LOGIN:：RESPONSE_FAILED回應(yīng)，則失敗。收到CMD_LOGIN:RESPONSE_OK回應(yīng),則成功，攜帶數(shù)據(jù)為S_TERMINAL。

表2 數(shù)據(jù)包的格式Tab.2 Packet format

3)后臺(tái)軟件定時(shí)發(fā)送 CMD_KEEP_LIVE命令，以維持鏈路不被網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器終止。每個(gè)在線設(shè)備必須在一定的時(shí)間間隔內(nèi)向服務(wù)器發(fā)送CMD_KEEP_LIVE信息。服務(wù)器將對(duì)此作檢查，若某設(shè)備在一定的時(shí)間間隔內(nèi)沒有發(fā)送CMD_KEEP_LIVE信息，則認(rèn)為該設(shè)備已經(jīng)“死亡”，服務(wù)器將斷開其連接。

4)后臺(tái)軟件 可對(duì)模塊列表中的任意模塊進(jìn)行操控。

5)后臺(tái)軟件退出時(shí)，用戶設(shè)備應(yīng)首先發(fā)送CMD_LOGOFF命令到服務(wù)器，告訴服務(wù)器 “我要退出”，該命令的目標(biāo)link_id設(shè)為0。在發(fā)送CMD_LOGOFF:FORWARD給服務(wù)器時(shí)，不需要攜帶數(shù)據(jù)。

圖5 登陸、退出的協(xié)議過程Fig.5 The agreement process of log in and withdrawal

4.3 數(shù)據(jù)傳輸具體過程

首先要定義建立TCP連接與關(guān)閉TCP連接的函數(shù)，涉及到的AT指令為AT+CIPSTART和AT+CIPCLOSE。建立TCP連接時(shí)，先把AT+CIPSTART指令寫到串口3中，然后該指令生效后，會(huì)返回一個(gè)“CONNECT”，之后只要檢測(cè)到有返回值“CONNECT”，就表示TCP連接已經(jīng)建立成功。關(guān)閉TCP連接與建立TCP連接類似，AT+CIPCLOSE指令生效后會(huì)返回一個(gè)“CLOSE OK”，只要檢測(cè)到“CLOSE OK”，就表示 TCP連接已經(jīng)關(guān)閉[4]。

TCP連接建立好以后，透?jìng)髂Ｊ骄鸵呀?jīng)被開啟，此時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與讀取。

當(dāng)用戶要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就必須根據(jù)數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)來發(fā)送數(shù)據(jù)，首先把包頭寫入到串口3中，如果有數(shù)據(jù)，則把數(shù)據(jù)內(nèi)容和接收對(duì)象一并寫入到串口3中，這樣數(shù)據(jù)的發(fā)送就完成了。

讀取數(shù)據(jù)時(shí)，只要有數(shù)據(jù)過來，就一次一個(gè)字節(jié)，把數(shù)據(jù)存放到user_string[i]中，然后i++，再次接收數(shù)據(jù)[7]。

至于數(shù)據(jù)讀取到什么時(shí)候結(jié)束，本程序定義了3種結(jié)束的情況：1)如果用戶定義了數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，就讀取到最后一個(gè)字節(jié)才結(jié)束。2)如果用戶沒有定義數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，就在讀取到回車符的時(shí)候結(jié)束。3)如果遇到既沒有已定義的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，又沒有讀取到回車符的情況時(shí)，就在數(shù)據(jù)存放的長(zhǎng)度超過user_string[i]總長(zhǎng)度的四分之三的時(shí)候結(jié)束，或者在超過100毫秒沒有數(shù)據(jù)發(fā)過來的時(shí)候結(jié)束數(shù)據(jù)的讀取。

4.4 相應(yīng)的AT命令

表3 數(shù)據(jù)傳輸功能的AT命令Tab.3 Data transmission function’s AT command

5 斷線重連的處理

5.1 TCP鏈接的關(guān)閉和建立

TCP鏈接的建立涉及到的AT命令是at+cipstart，該指令有兩個(gè)返回值，分別是模塊的IP地址和端口號(hào)。首先將at+cipstart指令返回的當(dāng)前模塊的IP地址和端口號(hào)存放到一個(gè)buf中，然后將這個(gè)buf寫入到串口3中，如果之后能夠讀取到返回值“CONNECT”，就表示TCP鏈接已經(jīng)建立好[2]。

TCP鏈接的關(guān)閉涉及到的AT命令是at+cipclose，該指令沒有返回值，可以直接將該指令寫到串口3中，如果檢測(cè)到“CLOSE OK”，就表示TCP鏈接已經(jīng)被關(guān)閉。

5.2 DCD的檢測(cè)

當(dāng)TCP建立起來之后，DCD引腳的電壓值便由高電平變?yōu)榈碗娖?，因此DCD引腳的電平狀態(tài)可以用過來指示TCP的連接情況。在程序中，本文設(shè)置時(shí)鐘在檢測(cè)DCD引腳的狀態(tài)值，當(dāng)該引腳的電平值由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，就表示模塊模塊已經(jīng)掉線，然后模塊就重新開始登陸，直到登陸上為止。

5.3 TCP鏈接下的短信收發(fā)

本文定義了一個(gè)全局中斷，當(dāng)有短信或者電話到達(dá)模塊時(shí)，RI引腳的電平便會(huì)由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)便會(huì)觸發(fā)全局中斷，模塊立即轉(zhuǎn)而處理短信收發(fā)或者數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 RI引腳在短信和電話時(shí)的電平變化Fig.6 RI pin’s level change in the SMS and Ring

6 測(cè)試效果

本模塊在設(shè)計(jì)完成之后，在實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定運(yùn)行了2周時(shí)間，沒有出現(xiàn)什么問題。然后又進(jìn)行了特殊情況的測(cè)試，在模塊斷電后恢復(fù)供電，數(shù)據(jù)中心斷電后重新上電的情況下，都能夠重新連接上線，并且能夠繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。隨后模塊又被送到廠方使用，在被使用了3周之后，廠方反應(yīng)模塊運(yùn)行情況良好，沒有掉線的情況[8]。

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的無線通信模塊，是利用STM32來控制SIM900A芯片，來實(shí)現(xiàn)短消息的收發(fā)與數(shù)據(jù)的無線傳輸。本設(shè)計(jì)完成了無線通信的硬件部分和軟件部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[9]。在多次運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)，本模塊沒有出現(xiàn)掉線以及發(fā)熱等問題，非常穩(wěn)定。本次設(shè)計(jì)成本較低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，應(yīng)用范圍十分廣泛，利用SIM900A，降低了模塊的成本，使其更加具有商業(yè)價(jià)值。

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