基于嵌入式系統(tǒng)火爐溫度的遠(yuǎn)程無線采集系統(tǒng)

葛國慶+陳豹+胡飛+王振+朱佳鑫

摘 要：文中提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的火爐溫度遠(yuǎn)程無線采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以GPRS網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程信號的傳輸平臺，并采用ARM處理器作為基本的硬件平臺，軟件系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)UCOS-II進行多任務(wù)調(diào)度，從而實現(xiàn)了火爐溫度的遠(yuǎn)程無線采集和發(fā)送。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；GPRS；UCOS-II；遠(yuǎn)程無線采集系統(tǒng)

中圖分類號：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-03

0 引 言

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸通常包括有線遠(yuǎn)程傳輸與無線遠(yuǎn)程傳輸。初期建設(shè)時，應(yīng)用最廣泛的主要是基于專線方式和電話線方式的有線遠(yuǎn)程傳輸。隨著傳輸需求的升高和規(guī)模的擴大，需要傳輸?shù)男畔㈩悇e和傳輸目的地越發(fā)的復(fù)雜多樣，結(jié)構(gòu)也逐漸呈現(xiàn)出分布化，對于有線傳輸而言，這種分布廣、距離遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、目標(biāo)多樣的傳輸方式很難實現(xiàn)，而且成本也在不斷提高。隨著網(wǎng)絡(luò)和計算機的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)日益增強，遠(yuǎn)程無線傳輸系統(tǒng)以其傳輸便利、功能多樣、距離傳輸遠(yuǎn)、可靠性高、成本較低等優(yōu)勢開始穩(wěn)步發(fā)展，并飛速躥升，成為當(dāng)今世界信息傳輸?shù)闹髁鳌?/p>

傳感器的發(fā)展使得自然界中無法采集的信息得以通俗易懂的呈現(xiàn)在人們面前，敏感元器件的廣泛研究和發(fā)展給監(jiān)測系統(tǒng)帶來了巨大的便利和發(fā)展前景，同時，采用先進的敏感元件測量數(shù)據(jù)，減速了人力資源的使用，最大程度上減少了探測的危險性和難度，實現(xiàn)了測量工作的智能化和全面化。

近年來，當(dāng)今世界已經(jīng)進入快速發(fā)展的信息時代，同時隨著我國通信技術(shù)的快速發(fā)展，GPRS技術(shù)也日漸成熟，將GPRS技術(shù)引入無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，為無線傳輸技術(shù)增加了新的動力和發(fā)展前景，雖然這種傳輸系統(tǒng)目前還處于研究階段，但我們有理由相信隨著中國科技人才的努力和移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，不斷成熟的GPRS技術(shù)必將成為我國工業(yè)、民用領(lǐng)域無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒狳c。

現(xiàn)代火爐數(shù)據(jù)無線采集技術(shù)的發(fā)展建立在新型無線采集系統(tǒng)平臺性能提高的基礎(chǔ)之上。具有強大功能的32位微控制器STM32在一些高端儀器、儀表中得到了廣泛的應(yīng)用，而將GPRS傳輸模塊嵌入其中，將采集到的數(shù)據(jù)用無線的方式接入Internet，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，非常適合操作人員在比較惡劣的環(huán)境下或需要對多種變量進行采集時使用。而高性能低功耗微處理器的應(yīng)用也極大地提高了數(shù)據(jù)無線采集的精度和速度。功能強大的ARM處理器中，STM32芯片價格已經(jīng)很低，相對單片機性價比高出很多，且已在很多場合中得到廣泛的使用。本系統(tǒng)采用STM32+ UCOS-II和ARM+GPRS方案，選取適當(dāng)?shù)钠骷?gòu)成多路數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)，具有很好的實用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

本無線監(jiān)測傳輸顯示系統(tǒng)采用三模塊結(jié)構(gòu)：第一層由嵌入式系統(tǒng)組成，包括STM32芯片、TFTLCD電容觸摸屏、DS18B20溫度傳感器及其他部件；第二層是GPRS傳輸系統(tǒng)，包括SIM900A通信模塊；第三層是上位機部分，包括PC機。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，各部分工作原理如下：

（1）最小嵌入式系統(tǒng)是本監(jiān)測傳輸系統(tǒng)的硬件基本組成單元，其任務(wù)是實現(xiàn)溫度環(huán)境參數(shù)的感知、采集、處理及液晶顯示等功能。硬件電路由STM32芯片核心模塊、DS18B20溫度傳感器模塊、液晶顯示電路和電源供電模塊組成。

（2）數(shù)據(jù)傳輸由單個GPRS通信模塊組成，主要負(fù)責(zé)SIM900A模塊與PC機的通信。利用通信網(wǎng)絡(luò)來達(dá)成通信協(xié)議和握手連接，實現(xiàn)兩部件的通信。

（3）上位機以PC機為載體，利用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手V3.7顯示界面顯示從通信模塊傳輸過來的溫度數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)無線終端成功連接到互聯(lián)網(wǎng)后，采集終端將傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)放大濾波后發(fā)送到ARM微控制器STM32，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換及相關(guān)處理后，通過RS 232口將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS無線終端，GPRS無線終端又將這些數(shù)據(jù)打成一個個IP包，經(jīng)GPRS空中接口接入無線網(wǎng)絡(luò)，并由移動通信服務(wù)商轉(zhuǎn)接到Internet，最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達(dá)統(tǒng)一的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)中心接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)做后續(xù)處理。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心也可以發(fā)送數(shù)據(jù)信息（各種命令及診斷信息）到無線數(shù)據(jù)采集模塊，通過GPRS終端上的RS 232接口輸出到ARM微控制器上，采集終端在接收到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的信息后，進行解碼并執(zhí)行相應(yīng)操作，以實現(xiàn)對采集現(xiàn)場的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控制器模塊

本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體推出的STM32系列單片機。STM32F系列基于超低功耗的ARM Cortex-M3內(nèi)核。該系列廣泛應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、微控制和嵌入式等領(lǐng)域，大大減少了編程的復(fù)雜程度。Cortex-M3基于三級哈佛流水線結(jié)構(gòu)，采用指令效率更高的Thumb-2指令集工作。

STM32F103的最高頻率為72 MHz，內(nèi)部嵌有128 KB的Flash程序存儲器空間，并且具有充足的外部設(shè)備接口電路和18 MHz的GPIO接口。同時其ADC精度為12位。具有這樣高性能、快速采集特點的ADC特別適用于快速處理數(shù)據(jù)和快速采集數(shù)據(jù)的產(chǎn)品中。此外，它不僅有適合需要少量引腳以及存儲內(nèi)存的處理器，也包含能滿足需求較多引腳及存儲內(nèi)存的處理器，這也是本系統(tǒng)選擇它作為核心控制器的重要原因。

2.2 無線傳輸模塊

近年來，無線網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，例如GPRS、WiFi、BlueTooth、ZigBee等，不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，例如GPRS廣泛應(yīng)用于各種大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，WiFi主要用于大量數(shù)據(jù)的傳輸，ZigBee的數(shù)據(jù)速率較低，不適合傳輸大量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸部分采用GPRS通信方式來實現(xiàn)，因為它具有高速處理數(shù)據(jù)的能力，其通信方式是以”分組”的形式將資料傳輸?shù)讲僮髡呤种?。GPRS之所以能夠成為現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動通信演變的過渡技術(shù)，是因為它在許多方面都具有顯著的優(yōu)勢：endprint

（1）GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸速度較快，它的傳輸速率可提升至56 Kb/s甚至114 Kb/s；

（2）由于使用了”分組”技術(shù)，用戶上網(wǎng)可以免遇斷線的窘境；

（3）可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)和通話的同步進行；

（4）使用費用相對低廉，且信號分布廣泛；

（5）實時在線，建立連接幾乎無需任何時間，隨時都可與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系。

本設(shè)計采用的 GPRS 模塊為常用的由 SIMcom 公司提供的 SIM900A通信模塊，這是一款專為中國大陸和印度市場設(shè)計的具有2頻的GSM/GPRS模塊，用戶和此模塊移動應(yīng)用的物理接口的貼片焊盤引腳共有68 個。另外，SIM900A自身內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，因此擴展的TCP/IP AT命令使用戶可以便捷的使用TCP/IP通信協(xié)議，方便用戶進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 溫度傳感器的選用

本設(shè)計采用美國Dallas半導(dǎo)體公司生成的新一代數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，它采用非常獨特的單總線接口方式，能夠?qū)?shù)十甚至上百個溫度傳感器掛接在一條信號總線上，從而使得測溫裝置與各溫度傳感器的連接變得特別簡單，并且模擬式傳感器與微機接口時需要的A/D轉(zhuǎn)換器以及需要用到的復(fù)雜外圍電路的缺點也得以克服。另外，用戶還可以通過總線供電，由它組成的溫度測量系統(tǒng)可靠性高、成本低、體積小。DS18B20的溫度測量范圍最高分辨率可達(dá)0.062 5℃。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計包括系統(tǒng)初始化、溫度采集模塊程序設(shè)計、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊程序設(shè)計和上位機顯示模塊程序設(shè)計。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

3.2 無線傳輸模塊程序的設(shè)計

在傳輸溫度數(shù)據(jù)之前，需要在STM32模塊與SIM900A通信模塊之間建立連接，連接程序設(shè)計需要先將系統(tǒng)初始化，然后設(shè)置無線傳輸模塊進行接收，通過 AT 指令集，STM32 部件向無線傳輸模塊發(fā)送請求接收命令，若返回顯示“OK”，則兩者之間通信連接完成，若返回顯示“error”，則通信連接失敗，重新連接。當(dāng)連接成功后，則實現(xiàn)了將采集模塊的溫度參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸至無線接收模塊。通信連接部分設(shè)計流程如圖3所示。

STM32與SIM900A建立連接之后，通過移動網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，這部分的設(shè)計流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)性能測試及分析

測試于2015年11月11日在江蘇徐州某火爐內(nèi)進行性能測試。首先通過專業(yè)工具測量了火爐工作溫度為78.5℃，而測試樣機發(fā)送到電腦PC上的軟件溫度顯示為78.2℃。測試結(jié)果表明，該無線傳輸系統(tǒng)在實際工業(yè)環(huán)境中的運行情況十分穩(wěn)定，溫度測量的誤差也相對較小，達(dá)到了良好的設(shè)計目標(biāo)。

根據(jù)硬件要求和軟件設(shè)計，制作出了一個樣機，調(diào)試樣機液晶屏幕顯示如圖5所示。電腦上運行的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手V3.7顯示界面如圖6所示。

5 結(jié) 語

本文通過對STM32核心芯片和GPRS通信模塊的研究，提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)火爐溫度的遠(yuǎn)程無線采集系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。通過制作從機硬件電路，設(shè)計和實現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、收發(fā)、顯示和上傳 PC機于一體的功能。對第一個開發(fā)出的樣機進行調(diào)試測試，監(jiān)測傳輸系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的成果，系統(tǒng)具有精度較高，測量溫度環(huán)境參數(shù)范圍廣，適應(yīng)性非常強的優(yōu)點，能夠廣泛運用于工業(yè)環(huán)境溫度無線測量傳輸中，為用戶提供一個操作簡單、安全又經(jīng)濟的溫度采集傳輸監(jiān)測平臺。

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