于鐳+崔憲偉

摘 要：針對傳統(tǒng)大棚環(huán)境檢測儀器存在的不足，文中結合大棚實時監(jiān)測的客觀要求，提出了一種基于GPRS網(wǎng)絡和485總線的無線采集器設計方案。該采集器以微處理器STM32和SIM800A為核心，完成了采集器的硬件設計。無線采集器下行通過485總線與傳感器進行通信，上行通過GPRS與OneNet平臺通信。實驗測試結果表明，該采集器工作穩(wěn)定，容易搭建，成本低，可以實現(xiàn)大棚環(huán)境的遠程實時在線監(jiān)測，滿足用戶需求。

關鍵詞：STM32；GPRS；485總線；OneNet

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-00-03

0 引 言

長期以來，用戶對大棚數(shù)據(jù)的采集主要通過人工方式進行，不僅浪費了大量人力，還存在采集不及時，誤讀等不足，無法滿足用戶對大棚環(huán)境的及時監(jiān)測要求。如今，實時準確的對大棚環(huán)境進行檢測，對大棚環(huán)境的優(yōu)化控制與提高作物的產(chǎn)能具有重要意義。

本文所設計的采集器是采集系統(tǒng)的核心部件，利用485總線與傳感器通信，實時讀取傳感器數(shù)據(jù)，并通過GPRS將數(shù)據(jù)傳送至OneNet云平臺。使得用戶能夠通過手機App或登錄網(wǎng)頁及時準確地了解大棚的環(huán)境情況，既節(jié)約了人力，又提高了采集的準確性與實時性，大大減少了搭建和檢測成本。

1 總體方案

采集器由RS 485采集模塊、電源模塊、液晶屏模塊及GPRS無線通訊模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。首先采集器采用Modbus協(xié)議通過RS 485總線與傳感器進行通訊，采集數(shù)據(jù)，再由STM32進行數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)經(jīng)處理后由液晶屏顯示并經(jīng)GPRS模塊SIM800A將數(shù)據(jù)傳送至云平臺。終端用戶通過網(wǎng)絡訪問、查詢需要的數(shù)據(jù)。

2 采集器的硬件設計

采集器采用ST公司Cortex-M3內(nèi)核的32位增強型微控STM32F103RCT6作為控制核心，此芯片專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計。Cortex-M3內(nèi)核支持Thumb指令集，具有很高的指令效率。STM32單片機具有很多高性能外設。內(nèi)置64 KBSRAM、512 KB Flash，不僅具有豐富的通信接口I2C，USART、CAN、USB以及以太網(wǎng)等，還具有12位的DAC模塊及DMA控制器。尤其適合高速、大容量的分布式采集系統(tǒng)。以本文的STM32F103RC為例，其具有3個12位的ADC、12位DMA控制器，4個定時器，5個USART、1個USB、1個CAN、2個I2C、2個I2S和3個SPI。STM32F103RC的工作頻率為72 MHz。STM32微控制器的性能高，且價格比32位的ARM處理器和DSP低，完全滿足無線采集器的設計要求。

2.1 RS 485通訊模塊設計

RS 485通信方式具有結構簡單，技術成熟，價格低廉，傳輸距離遠等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場。RS 485總線采用平衡發(fā)送和差動接收方式進行通信，同時使用主帶多從的通信方式，最多可接256個設備，適合一主機多從機的使用場合，因其具有傳輸距離遠，傳輸速率高等優(yōu)點而被廣泛使用。此次使用的傳感器集成了RS 485通信協(xié)議。采集器采用Modbus協(xié)議與RS 485通信方式進行傳感器數(shù)據(jù)的采集。該采集器的RS 485接口電路主要由低功耗單雙工RS 485收發(fā)器MAX485組成，符合RS 485串行協(xié)議的電氣規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率可達10 Mb/s。此芯片可使STM32通過USART串口方便接入RS 485串口總線。設計電路圖如圖2所示。其中，485RXD3和485TXD3分別對應STM32單片機USART1的發(fā)送和接收，485DE控制RS 485數(shù)據(jù)通訊的傳輸方向。

2.2 通訊模塊

采集器的通訊模塊采用SIM800A GPRS模塊，該模塊是一款兩頻GSM/GPRS模塊， SMT封裝，性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價比高。SIM800A的工作頻率為GSM/GPRS 900/1 800 MHz，可低功耗實現(xiàn)語音、SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸。SIM800A的尺寸為24 mm×24 mm×3 mm，適用于各種緊湊型產(chǎn)品的設計需求。模塊有AT指令集接口，支持文本和PDU模式的短信與嵌入式TCP/UDP協(xié)議。SIM800A串口傳輸速率的范圍為1 200～115 200 b/s。模塊主要由GSM基帶、存儲器、GSM射頻、天線接口等組成。

SIM800A電路圖如圖3所示。

3 軟件設計

無線采集主要有STM32對下行485設備數(shù)據(jù)的采集和對采集的數(shù)據(jù)進行處理并上傳云平臺。

軟件總流程如圖4所示。

STM32通過SIM800A將處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS 網(wǎng)絡傳輸?shù)皆破脚_，上位機PC和手機可以隨時隨地遠程監(jiān)控大棚。通信前需要將SIM800A進行軟硬件初始化，之后STM32輪詢下發(fā)采集傳感器的數(shù)據(jù)，當遇到采集超時或者幀錯誤時做相應的處理，按照云平臺的設計將采集、處理后的數(shù)據(jù)上傳，循環(huán)執(zhí)行上述步驟。

3.1 Modbus通信協(xié)議和程序設計

RS 485總線只定義了網(wǎng)絡的物理層，本文采用工業(yè)中廣泛使用的Modbus協(xié)議進行STM32與各傳感器通信。Modbus協(xié)議按照主—從方式進行網(wǎng)絡通信，即只有一個主設備，其他設備根據(jù)主設備的指令做出相應的回應。Modbus協(xié)議建立了主設備查詢的格式，即設備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯誤檢測域。本文采用單獨與每個從設備通信的方式。Modbus有兩種數(shù)據(jù)傳輸方式（ASCII與RTU），本文中，STM32和傳感器采用RTU傳輸方式。

信息地址包括2個字符（ASCII）或8位（RTU），有效的從機設備地址范圍為0～247（十進制），各從機設備的尋址范圍為1～247。主機把從機地址放入信息幀的地址區(qū)，并向從機尋址。從機響應時，把自己的地址放入響應信息的地址區(qū)，讓主機識別已作出響應的從機地址。設置傳感器的地址和串口ModbusRTU的通信格式就可以接收STM32的詢問指令，并返回響應。本文中，STM32采用對各傳感器輪詢的方式進行數(shù)據(jù)指令采集，各傳感器判斷地址是否與自己的地址相同，若相同則返回響應，若不相同則不做處理。當STM32遇到采集超時或者幀錯誤時應做相應的處理，接收應答，比較校驗碼，若正確則執(zhí)行信息解析，否則重發(fā)查詢信息。ModbusRTU幀格式見表1所列。

3.2 GPRS通信程序設計

GPRS網(wǎng)絡是實現(xiàn)現(xiàn)場終端與云平臺進行數(shù)據(jù)交換的橋梁。采集器開機后，STM32對SIM800A進行GPRS初始化，其發(fā)送指令如下：

Sim800a_send_cmd（"AT"，"OK"，300）；

sim800a_send_cmd（"AT+CGCLASS=＼"B＼""，"OK、"，300）；

sim800a_send_cmd（"AT+CGDCONT=1，＼"IP＼"，＼"CMNET＼""，"OK"，3000）；

sim800a_send_cmd（"AT+CGATT=1"，"OK"，300）；

sim800a_send_cmd（"AT+CIPCSGP=1，＼"CMNET＼""，"OK"，300）；

sim800a_send_cmd（"AT+CLPORT=＼"TCP＼"，＼"2000＼""，"OK"，300）；

sim800a_send_cmd（"AT+CIPMODE=1"，"OK"，300）；

sim800a_send_cmd（""AT+CIPSTART=＼"TCP＼"，＼"183.230.40.39＼"，＼"876＼""，"CONNECT”，500"）；//與平臺建立TCP連接

采集器與OneNet云平臺建立連接后，通過EDP協(xié)議方式將采集的數(shù)據(jù)上發(fā)OneNet云平臺。上傳溫度和濕度需發(fā)送如下主要指令：

EdpPacket *send_pkg； send_pkg = PacketConnect1（（const int8_t *）"設備ID" （const int8_t *）"設備鑒定"）；

GPRS初始化結束后，就實現(xiàn)了采集器與OneNet平臺建立ModbusTCP連接。

GPRS與OneNet平臺之間的通信方式為Modbus協(xié)議。OneNet支持的Modbus協(xié)議基于TCP連接，即Modbus over TCP，OneNet作為主機，將數(shù)據(jù)封裝在TCP數(shù)據(jù)中進行數(shù)據(jù)收發(fā)，利用DTU的簡單透傳能力，可實現(xiàn)總線設備與平臺的Modbus協(xié)議通信，廣泛應用到使用Modbus協(xié)議的多種行業(yè)中。具有如下功能特點：

（1）長連接協(xié)議。

（2）OneNet平臺作為Modbus主機，周期性下發(fā)主機命令。

（3）通過單條數(shù)據(jù)流的屬性確定單條下發(fā)命令的內(nèi)容及下發(fā)周期。

（4）自動將終端上報的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)點。

（5）可預先設置處理公式，對數(shù)據(jù)進行初步處理。

采集器與OneNet平臺保持長連接，一方面將OneNet下發(fā)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為總線形式數(shù)據(jù)，發(fā)送至總線，另一方面可將總線設備回復的總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺，完成平臺對整個總線設備的數(shù)據(jù)采集及控制。采集器與OneNet平臺設備進行連接，以產(chǎn)品ID和建立設備時輸入的號碼、密碼為參數(shù)，按以下順序序列化報文，發(fā)送至平臺，建立設備連接。設備連接格式見表2所列。

4 系統(tǒng)測試

該采集器進行遠程監(jiān)測實驗，OneNet平臺的界面如圖5所示。圖5分別展示了一周時間內(nèi)溫度、光照、二氧化碳濃度、溫度的檢測數(shù)據(jù)。從遠程設備訪問OneNet平臺，發(fā)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)字485傳感器的檢測結果相同，且監(jiān)測穩(wěn)定，實時性好，數(shù)據(jù)較傳統(tǒng)現(xiàn)場檢測設備的準確性高，滿足了用戶的遠程實時監(jiān)測需求。

5 結 語

本文提出了一種無線采集器設計方法，充分利用STM32豐富的通信接口和高速處理能力，實現(xiàn)485串口轉(zhuǎn)GPRS無線，并且通過免費的OneNet平臺能夠很好地查詢采集到的數(shù)據(jù)，降低了開發(fā)和使用成本，可以適應跨區(qū)域、遠距離的設備監(jiān)測，有較高的應用價值。

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