基于STM32和SIM900A的網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 馳，段智敏，叢培田，張 旗

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司營口供電公司，遼寧 營口 115000)

基于STM32和SIM900A的網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 馳1，段智敏1，叢培田1，張 旗2

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司營口供電公司，遼寧 營口 115000)

針對工業(yè)上監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸需求，提出了一種基于STM32F103微控制器和SIM900A通信模塊的網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。STM32下位機(jī)可以完成各傳感器的周期性數(shù)據(jù)采集，并利用SIM900A模塊實(shí)現(xiàn)其與遠(yuǎn)程上位機(jī)在GPRS網(wǎng)絡(luò)上的不依賴監(jiān)測現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的TCP數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不間斷對多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的多個(gè)監(jiān)測對象同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，該監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、測量誤差小、功耗低，可以滿足工業(yè)上的設(shè)計(jì)要求。

數(shù)據(jù)采集；TCP；GPRS ；STM32；SIM900A

0 引言

在工業(yè)中，數(shù)據(jù)的采集一直是生產(chǎn)過程中非常重要的環(huán)節(jié)，無論是機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)還是作業(yè)環(huán)境的保持，都離不開準(zhǔn)確高效的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。

基于嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般采用RS-232、RS-485等串口的方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,雖然非常可靠，但受線纜限制，上位機(jī)必須保持在一定的距離內(nèi)。而在某些高溫、強(qiáng)腐蝕性環(huán)境下，線纜的布置比較困難，也容易損壞[1]。

隨著科技的進(jìn)步，移動(dòng)通信技術(shù)迅猛發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)具有了非常高的穩(wěn)定性,這也使移動(dòng)通信技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用成為可能。利用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮其網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高、傳輸特性好的優(yōu)點(diǎn)，為原有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種方便的無線傳輸功能。移動(dòng)通信技術(shù)具有布置靈活和可獨(dú)立聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)由下位機(jī)與上位機(jī)組成，下位機(jī)利用通信模塊與GPRS網(wǎng)絡(luò)直接連接，實(shí)現(xiàn)了基于TCP的不依賴現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的可靠網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。其不僅可以在上位機(jī)上單獨(dú)查看各個(gè)終端上傳的數(shù)據(jù)，還可以對多個(gè)終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉分析，大大提高了采集效率和數(shù)據(jù)的利用率。

其中，下位機(jī)可大體分為STM32微控制器、SIM900A通信模塊和多傳感器三部分。整套設(shè)備的成本非常低廉，STM32微控制器與SIM900A通信模塊組成的核心部件僅需幾十元錢，用戶可根據(jù)需求選擇理想的傳感器模塊。上位機(jī)程序采用基于C++語言的Qt設(shè)計(jì)，下位機(jī)與上位機(jī)之間通過TCP協(xié)議傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，每臺上位機(jī)均可以接收多個(gè)終端的傳感器上傳的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)可以完成幾乎所有種類的數(shù)據(jù)采集。因篇幅有限，本文以溫度數(shù)據(jù)采集為例介紹整個(gè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)以及具體實(shí)現(xiàn)方法。 其他種類的數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)邏輯與溫度數(shù)據(jù)采集基本相同，只需在下位機(jī)主程序循環(huán)中加入相應(yīng)傳感器的采集子程序和數(shù)據(jù)發(fā)送流程即可。

遠(yuǎn)程設(shè)備被安裝在監(jiān)測現(xiàn)場上，其通過各種傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)STM32微控制器處理發(fā)送至SIM900A通信模塊，通信模塊會通過端口將TCP數(shù)據(jù)從GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)設(shè)備號的不同區(qū)別各個(gè)下位機(jī)。該系統(tǒng)的硬件電路圖如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

2.1 STM32F103ZET6微控制器

STM32F103ZET6增強(qiáng)型微控制器使用高性能的ARM?CortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，其具有112個(gè)GPIO接口，多種復(fù)用功能，具有非常高的可開發(fā)性[3]。

它的綜合性能高，運(yùn)行穩(wěn)定，價(jià)格便宜，在工業(yè)應(yīng)用中廣為使用，是很多工程項(xiàng)目的理想解決方案[4]。

2.2 SIM900A通信模塊

無線通信模塊采用SIM900A芯片實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)傳輸功能。SIM900A模塊是一款尺寸緊湊、內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧的GSM/GPRS模塊[5]。

2.3 DS18B20溫度傳感器

DS18B20是美信公司的一款溫度傳感器，單片機(jī)可以通過1-Wire協(xié)議與DS18B20進(jìn)行通信[6]。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由下位機(jī)程序與上位機(jī)程序兩部分組成。其中下位機(jī)STM32程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集以及定時(shí)將各種數(shù)據(jù)以TCP協(xié)議經(jīng)由SIM900A模塊發(fā)送給上位機(jī)。而上位機(jī)程序負(fù)責(zé)監(jiān)聽各端口TCP通信，處理由端口傳入的TCP數(shù)據(jù)。

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序由主程序、發(fā)送TCP數(shù)據(jù)子程序和測量溫度子程序三部分組成，均通過C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。三個(gè)模塊合作完成數(shù)據(jù)采集和上傳工作。

3.1.1 主程序

圖3 主程序流程圖

STM32主程序負(fù)責(zé)初始化各寄存器以及周期性地調(diào)用各功能子程序以采集數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給各上位機(jī)。這里需要注意的是，STM32微控制器的GPIO口和復(fù)用功能均有獨(dú)立的時(shí)鐘，使用前必須進(jìn)行初始化，否則各外設(shè)無法正常工作。SysTick時(shí)鐘用來產(chǎn)生心跳中斷，實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能。其系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

3.1.2 發(fā)送TCP數(shù)據(jù)子程序

SIM900A通信模塊采用串行接口與STM32進(jìn)行通信。STM32應(yīng)用AT指令與SIM900A通信[7]。本文主要應(yīng)用SIM900A的TCP通信功能，涉及關(guān)于TCP協(xié)議的主要指令如表1所示。

表1 SIM900A-TCP協(xié)議傳輸主要AT指令表

跟據(jù)AT指令以及相應(yīng)的指令格式，數(shù)據(jù)發(fā)送子程序的流程如圖4所示。

圖4 TCP數(shù)據(jù)發(fā)送子程序流程圖

3.1.3 測量溫度傳感器子程序

DS18B20溫度傳感器采用1-Wire協(xié)議與STM32微控制器進(jìn)行通信，它只有一個(gè)DQ引腳負(fù)責(zé)傳遞數(shù)據(jù)，具有非常復(fù)雜的軟件時(shí)序。其程序流程圖如圖5所示。

圖5 測量溫度子程序流程圖

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的上位機(jī)系統(tǒng)采用Qt設(shè)計(jì)，它是一個(gè)跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它為應(yīng)用程序開發(fā)者提供建立藝術(shù)級圖形用戶界面所需的所有功能。它是完全面向?qū)ο蟮模苋菀讛U(kuò)展，并且允許真正的組件編程[8]。只需要編寫一次應(yīng)用程序，就可以在不同操作系統(tǒng)上部署這些程序。

Qt通過信號和槽的機(jī)制來完成兩個(gè)Qt對象之間的通信。信號會在某個(gè)時(shí)機(jī)觸發(fā)，而槽就是響應(yīng)和處理信號的對應(yīng)函數(shù)[9]。

3.2.1 ReceivedData類

上位機(jī)程序的核心是ReceivedData類，它是一個(gè)繼承自QWidget類的自定義類。每個(gè)ReceivedData類對象對應(yīng)一個(gè)端口，負(fù)責(zé)接收和處理不同下位機(jī)傳輸?shù)腡CP數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)在圖表上的顯示工作。

ReceivedData類中主要包含一個(gè)QCustomPlot類對象、一個(gè)QTcpServer類對象和一個(gè)QTcpSocket類對象。QCustomPlot類是一個(gè)體積小巧但功能很強(qiáng)的Qt繪圖類，它提供給程序一個(gè)繪制圖表的窗口，使用者可以通過對參數(shù)的設(shè)置在一個(gè)窗口內(nèi)很容易地實(shí)現(xiàn)多條曲線繪制、鼠標(biāo)拖曳滾輪縮放圖像等功能。而QTcpServer類和QTcpSocket類對象的組合可以完成指定端口的TCP數(shù)據(jù)接收。ReceivedData類的主要構(gòu)成如表2所示。

表2 ReceivedData類主要構(gòu)成元素表

3.2.2 TCP協(xié)議通信處理流程

Qt通過套接字完成TCP數(shù)據(jù)的傳輸，在接收到連接請求后TCP服務(wù)器會把新的連接綁定到套接字上。作為TCP服務(wù)器的上位機(jī)與作為TCP客戶端的下位機(jī)交互流程圖如圖6所示。

圖6 TCP交互流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別在兩個(gè)地點(diǎn)布置下位機(jī)系統(tǒng)，連接各傳感器后開啟下位機(jī)電源，上位機(jī)開始從指定端口接收到TCP數(shù)據(jù)。經(jīng)過一段時(shí)間的監(jiān)測，從遠(yuǎn)程的上位機(jī)處得到了監(jiān)測數(shù)據(jù)的曲線。

圖7展示了上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測兩臺下位機(jī)數(shù)據(jù)的運(yùn)行效果，從當(dāng)前圖中可以清楚地看出兩個(gè)監(jiān)測地點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化情況，通過組合框可以切換監(jiān)測源的監(jiān)測對象。上位機(jī)界面中包括兩路通道，分別接收兩個(gè)下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，多路數(shù)據(jù)監(jiān)測界面的設(shè)計(jì)原理與其相同，只需按要求實(shí)例ReceivedData類對象就可以完成指定數(shù)量下位機(jī)的數(shù)據(jù)監(jiān)測。

圖7 上位機(jī)運(yùn)行效果圖

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種非常適合復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境和臨時(shí)測量的解決方案。這種測量終端與上位機(jī)沒有距離限制并且節(jié)省了大量的人力物力，只要雙方可以連接互聯(lián)網(wǎng)就可以完成數(shù)據(jù)傳輸。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，這種結(jié)合了GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常具有實(shí)用價(jià)值。

[1] 王志義，苗亞春.有線傳輸技術(shù)特點(diǎn)分析和發(fā)展方向[J].電子工程技術(shù)與軟件工程，2013(17):193-193

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[9] 金大臣爾.Qt5開發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M].張紅艷，譯.北京：人民郵電出版社，2015.

段智敏(1963年-)，女，碩士，教授，主要研究方向：機(jī)電一體化。

叢培田(1960年-)，男，碩士，教授，主要研究方向：機(jī)械檢測及信號處理、故障檢測與診斷。

Design of network multi point remote data monitoring system based on STM32 and SIM900A

Li Chi1,Duan Zhimin1, Cong Peitian1, Zhang Qi2

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159,China; 2.Yingkou Power Supply Company, State Grid Liaoning Electric Power Co., Ltd., Yingkou 115000,China)

According to the demand of remote network transmission monitoring field data acquisition in the industry, this paper proposed a network multi point remote data monitoring system based on STM32F103 microcontroller and SIM900A communication module. STM32 MCU can complete periodic data acquisition of each sensor and use SIM900A module to realize the data communication with the remote host TCP in the GPRS network, which does not rely on monitoring network. The system can carry out data collection and remote data transmission to multiple monitoring points at the same time without interruption. The field experiment shows that the monitoring system has high stablity, strong real-time performance, small measurement error, and low power consumption, which can meet the design requirements of the industry.

data acquisition; TCP; GPRS; STM32; SIM900A

TP27

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.030

李馳，段智敏，叢培田,等. 基于STM32和SIM900A的網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(24)：105-108.

2016-08-25)

李馳(1990年-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)電一體化。E-mail:469453928@qq.com。