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)

       摘要：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)不間斷對多個監(jiān)測點(diǎn)的多個監(jiān)測對象同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，該監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性高、實(shí)時性強(qiáng)、測量誤差小、功耗低，可以滿足工業(yè)上的設(shè)計(jì)要求。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；TCP；GPRS ；STM32；SIM900A

　　中圖分類號：TP27文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.030

　　引用格式：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.

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)查看各個終端上傳的數(shù)據(jù)，還可以對多個終端的數(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。

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)別各個下位機(jī)。該系統(tǒng)的硬件電路圖如圖2所示。

　　2.1STM32F103ZET6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］。

　　2.2SIM900A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］。

　　2.3DS18B20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)。三個模塊合作完成數(shù)據(jù)采集和上傳工作。

　　3.1.1主程序

　　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，圖3主程序流程圖STM32微控制器的GPIO口和復(fù)用功能均有獨(dú)立的時鐘，使用前必須進(jìn)行初始化，否則各外設(shè)無法正常工作。SysTick時鐘用來產(chǎn)生心跳中斷，實(shí)現(xiàn)延時功能。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。

　　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　

　　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DQ引腳負(fù)責(zé)傳遞數(shù)據(jù)，具有非常復(fù)雜的軟件時序。其程序流程圖如圖5所示。

　　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Qt對象之間的通信。信號會在某個時機(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，它是一個繼承自QWidget類的自定義類。每個ReceivedData類對象對應(yīng)一個端口，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QCustomPlot類對象、一個QTcpServer類對象和一個QTcpSocket類對象。QCustomPlot類是一個體積小巧但功能很強(qiáng)的Qt繪圖類，它提供給程序一個繪制圖表的窗口，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。

　　3.2.2TCP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。

　　4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　分別在兩個地點(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監(jiān)測地點(diǎn)的溫度隨時間的變化情況，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。

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。

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