楊寶 龍德亮

摘 要：針對(duì)現(xiàn)代化小區(qū)對(duì)遠(yuǎn)程水溫水位測(cè)控的需求，設(shè)計(jì)了一款基于GPRS的遠(yuǎn)程無(wú)線通信的水溫水位系統(tǒng)。系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸和PC機(jī)顯示三部分；數(shù)據(jù)采集部分采用STM32微處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集；無(wú)線傳輸部分通過(guò)SIM900A模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸；PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示水溫水位情況。經(jīng)測(cè)試，PC機(jī)與各測(cè)控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS通訊，通訊穩(wěn)定，可靠性高。

關(guān)鍵詞：GPRS；STM32微處理器；SIM900A模塊；水溫；水位

The research of remote monitoring and control system

for water temperature and water level based on GPRS

YANG Bao，LONG Dei-Liang（College of Physics and Electronic，Shandong Normal University，Jinan 250014，China）

Abstract：To satisfy the demand of modern community for monitoring of remote water temperature and water level， an oberserving and controlling system was designed based on GPRS， which can implement the long-distance wireless communication.The system is divided into two parts of data acquisition and wireless transmission； data acquisition part adopts STM32 Microprocessor to implement data acquisition of multi-channel signals； wireless transmission part implements the transmission of data through the SIM900A accessing to GPRS network， to realize the data transmission；The PC real-time displays water temperature level.After the test， the PC and the controlling node through the GPRS communication，which is stable and high reliability.

Key words：GPRS；Microcontroller STM32；SIM900A module；water temperature；water level

隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展，智能住宅小區(qū)不斷涌現(xiàn)，小區(qū)中生產(chǎn)和供應(yīng)熱水的太陽(yáng)能集熱熱水工程設(shè)備、多分散安裝在各個(gè)樓頂，通常管理人員需要上到樓頂才能實(shí)現(xiàn)控制和管理，十分不便。而遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)和供應(yīng)熱水的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)控，降低管理成本，管理方便。

一般測(cè)控網(wǎng)絡(luò)多采用RS-485作為現(xiàn)場(chǎng)總線[1]，但由于其存在著傳輸距離小于1km、通訊失敗率高的局限性，決定了RS-485不適合遠(yuǎn)距離通訊。與RS-485相比，無(wú)線通信GPRS[2]具有傳輸距離遠(yuǎn)，通訊失敗率低，而且還具有永遠(yuǎn)在線、自動(dòng)切換、高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。因此采用GPRS來(lái)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程水溫水位測(cè)控系統(tǒng)，具有明顯的使用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用了模塊化設(shè)計(jì)，由微處理器、電源模塊、水溫采集模塊、水位采集模塊、繼電器控制模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、按鍵輸入模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和GPRS模塊[3]組成，可根據(jù)具體情況只選用其中的部分模塊。

首先水溫水位采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)送入微控制器，處理后可由顯示模塊顯示。該數(shù)據(jù)可以通過(guò)GPRS模塊發(fā)出。用戶可通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)收到該數(shù)據(jù)，然后通過(guò)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)向終端發(fā)送命令，進(jìn)而操縱終端上的繼電器，來(lái)完成數(shù)據(jù)的控制執(zhí)行。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器

本設(shè)計(jì)選用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的微處理器STM32F103RBT6。它是一款基于Cortex M3[4]內(nèi)核、高性能、低成本、低功耗的微控制器，在軟件和引腳封裝方面同其他STM32系列處理器是兼容的。

它的時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，能實(shí)現(xiàn)高端運(yùn)算。內(nèi)嵌128KB FLASH程序存儲(chǔ)器。具有豐富的外設(shè)，I2C接口，USART、SPI等串行接口以及最大翻轉(zhuǎn)率l8MHz的GPIO。更重要的是它擁有最快1us轉(zhuǎn)換速度的雙12位精度ADC，如此快速采集、高性能的ADC非常適用于數(shù)據(jù)的快速采集和快速處理上，這也是本系統(tǒng)選擇它作為核心控制器的一個(gè)重要原因。

2.2 無(wú)線通信模塊[2]

本設(shè)計(jì)選用的是SIMCom公司生產(chǎn)的SIM900A[5]模塊。它是一款工業(yè)級(jí)雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式。該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IP命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協(xié)議，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。另外，SIM900A的尺寸大小為24*24*3mm，適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

該模塊支持RS232串口和LVTTL串口，并帶硬件流控制，支持5V～24V的超寬工作范圍，使得本模塊可以非常方便的與單片機(jī)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)所需要的GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能。

該模塊與用戶移動(dòng)應(yīng)用的物理接口為68個(gè)貼片焊盤(pán)，提供了模塊和電路板的所有硬件接口：鍵盤(pán)和SPI顯示接口；主串口和調(diào)試串口；一路音頻接口，包含一個(gè)麥克風(fēng)輸入和一個(gè)揚(yáng)聲器輸出；可編程通用輸入輸出接口。SIM900A的功能框圖如圖2所示。

2.3 水溫水位采集模塊

溫度測(cè)量選用DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1-Wire接口數(shù)字溫度傳感器DS18B20[6]。

與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它是一種新型的體積小、適用電壓寬、與微處理器接口簡(jiǎn)單的數(shù)字化溫度傳感器。測(cè)量溫度范圍為-55℃～+125℃，精度為±0.5℃。現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～l2位的數(shù)字值讀數(shù)方式。它工作在3-5.5V的電壓范圍，采用多種封裝形式，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、方便，設(shè)定分辨率及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。

水位測(cè)量選用PTH601水位傳感器[6]，它采用擴(kuò)散硅壓阻芯體或陶瓷壓阻芯體，316全不銹鋼結(jié)構(gòu)，主要適用于河流、地下水位、水庫(kù)、水塔及容器等的液位測(cè)量與控制。量程： 100mmH2O～100mH2O、500mmH2O～500mH2O（水位高/深度）； 綜合精度：0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS；輸出信號(hào)：4～20mA（二線制）、0～5V、1～5V、0～10V（三線制）；供電電壓：24DCV；介質(zhì)溫度：0～85℃。

2.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

由于本設(shè)計(jì)需要完成基于時(shí)間的判斷和操作，故選用PHILIPS公司生產(chǎn)的串行日歷時(shí)鐘芯片PCF8563[7]。它是一款采用CMOS優(yōu)化技術(shù)的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，具有可編程時(shí)鐘輸出、中斷輸出、低電壓檢測(cè)和內(nèi)部寄存器在每次讀∕寫(xiě)自動(dòng)遞增等功能。芯片所有的地址和數(shù)據(jù)都通過(guò)I2C總線傳輸，最大的總線速度為4000kbps。

STM32[8]自帶的I2C總線接口與PCF8563通訊，時(shí)鐘電路如圖3所示。為了防止在意外掉電后需要對(duì)PCF8563進(jìn)行重新設(shè)置，加入了后備電源3.6V后備電源。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面包括采集端程序設(shè)計(jì)、基于SIM900A利用AT指令[5]進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)收發(fā)。

3.1 采集端程序設(shè)計(jì)

開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行初始化，系統(tǒng)不斷與事先設(shè)置好的服務(wù)器IP建立網(wǎng)絡(luò)連接。一旦連接成功，就按照系統(tǒng)設(shè)置的模式開(kāi)始水溫和水位的采集，數(shù)據(jù)收集完畢后通過(guò)GPRS模塊傳到PC機(jī)上；如果系統(tǒng)受到結(jié)束采集的命令，即刻斷網(wǎng)進(jìn)入建立網(wǎng)絡(luò)連接等待狀態(tài)。軟件流程圖如圖4所示。

3.2 利用AT指令進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)收發(fā)

首先，通過(guò)RS232將PC機(jī)與SIM900A模塊連接，設(shè)置相應(yīng)串口參數(shù)：波特率-9600、奇偶校驗(yàn)-無(wú)、數(shù)據(jù)位-8、停止位-1。然后輸入相應(yīng)的AT命令控制GSM模塊工作。

主要步驟如下：

⑴在數(shù)據(jù)接收端建立監(jiān)聽(tīng)服務(wù)器。

⑵通過(guò)PC機(jī)發(fā)送相應(yīng)AT命令控制SIM900A模塊進(jìn)行TCP連接。此處需要進(jìn)行GPRS模塊工作的相關(guān)設(shè)置，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置協(xié)議，設(shè)置接入點(diǎn)等等，并向?qū)Ψ絀P發(fā)起連接。相關(guān)AT命令解釋詳見(jiàn)表1。

AT指令介紹

AT指令是指終端設(shè)備TE和終端適配器TA之間以及數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE和數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備之間的接口標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)90年代初，AT指令僅被用于Modem的操作，在經(jīng)歷了一系列演后指令被加入GSM07.05標(biāo)準(zhǔn)。SIM900A的AT命令接口默認(rèn)使用IRA字符集，除此之外還支持GSM07.07格式，UCS2，HEX，PCCP，PCDN字符集。

⑶當(dāng)監(jiān)聽(tīng)端收到GPRS模塊端發(fā)來(lái)的連接請(qǐng)求，進(jìn)行連接，連接成功后可以在監(jiān)聽(tīng)端觀察到GPRS模塊所獲得的臨時(shí)IP地址。

⑷發(fā)送數(shù)據(jù)。若在接收端可以看見(jiàn)該數(shù)據(jù)，就說(shuō)明收到了該數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了TCP數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于GPRS的遠(yuǎn)程水溫水位測(cè)控系統(tǒng)以STM32為主控制芯片，采用無(wú)線通信技術(shù)。此技術(shù)通訊穩(wěn)定，較好地解決了現(xiàn)代化小區(qū)對(duì)水溫水位的遠(yuǎn)程測(cè)控問(wèn)題。在軟/硬件設(shè)計(jì)中均采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，靈活性高和適用性好。在太陽(yáng)能熱水工程快速普及居民小區(qū)的今天，該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

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