司海瑞，王斌儒，张乐年

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)



基于GPRS的2.4G无线远程通讯系统的研究与实现

司海瑞，王斌儒，张乐年

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

摘要：综述了用于远程实时监控工业现场设备状态的控制系统的研究与实现，着重对STM32F101C8T6芯片和SIM900的硬件电路和软件编程的要点予以介绍，最终以整个系统的成功调试作为检验。

关键词：芯片；SIM900；通信协议

0引言

设备远程控制是指从与被控设备地理位置相距很远的地方对设备进行监测和控制。对于工业设备制造商，产品远销全国乃至世界各地时，设备的检测、维护、故障判断往往需要专人到现场进行处理，人力、物力、财力投入巨大。在这种情况下采用远程监控系统就能为设备制造商提供低成本、快速的服务响应，也提高了市场竞争力。

1系统概述

1.1系统功能结构

系统分为工业现场的无线通讯子系统部分和GPRS子系统远程控制部分。工业现场的每台设备都有一块采集设备信息的芯片和一个无线模块，芯片采集到信息后通过无线模块，将各台设备的信息集中到处理器的主模块上，主模块通过串口将信息传递至GPRS子系统，并由GPRS模块将信息发送，再由服务器读出相应信息进行分析，判断工业现场设备状态。系统总体结构如图1所示。

图1　系统总体结构

1.2芯片选择

系统上位机软件为VC6.0。下位机采用STM32F101C8T6芯片, SIM900A GPRS模块以及SM63无线模块。其中CPU芯片选用嵌入式微处理器STM32F101C8T6作为系统的处理器。STM32 系列微控制器采用了 ARM 公司为要求高性能、低成本和低功耗的嵌入式应用专门设计的 Cortex-M3 内核，拥有功耗控制功能及创新的外观，并做到了最大程度的集成整合，非常适合低电压/低功耗的应用场合。SIM900A模块是一款尺寸紧凑的GSM/GPRS模块，采用SMT封装，基于STE的单芯片案，采用ARM926EJ-S架构,性能强大，可以内置客户应用程序。SM63无线模块具有成本低廉、建设工程周期短、适应性好、扩展性好等优点，适用于工业现场短距离通信。

2硬件设计

2.1GPRS子系统设计

GPRS模块芯片SIM900通过串口与STM32芯片进行数据传送。在该子系统中，GPRS模块芯片相当于串口，GPRS的数据相当于串口数据。因此对远程数据的采集就对应了对串口数据的采集。串口采用中断调用。串行口中断服务程序完成数据发送和接收等功能，可接收上位机发送给本系统的各种命令，也可将本报警仪的结果传送给上位机。GPRS子系统原理图如图2所示。

图2　GPRS子系统原理图

图2中U_GPRS_Main为该子系统的核心部分，包括STM32芯片，EEPROM，指示灯，看门狗电路及其他保护电路;U_GPRS_SIM900a包含SIM900芯片及外接电路；U_GPRS_Serial为STM32与DB9接口的电路图；U_GPRS_Power则是外部电源电路。图2所示GPRS子系统中主模块通过I/O口分别与SIM900和RS232相连。其中利用STM32芯片的USART1连接SIM900，USART2连接 SP323E用于与DB9相连。由于上位机与下位机之间要实现全双工串口通信，因此需要采用交叉线连接。

2.2无线通讯子系统设计

无线通讯子系统同样采用STM32芯片作为处理器，电路主要包括EEPROM，指示灯，看门狗电路，无线模块电路，电源电路及其他接口电路与保护电路，在与DB9接口连接时同样需要采用交叉线连接。其原理图如图3所示。

图3　无线通讯子系统原理图

由于在工业现场每台工业设备上均有无线模块，因此，需要区分主模块与子模块，并且需要对各个子模块进行区分。因此，在设计中采用了拨码盘，用最高位来区分主模块与子模块，其他位用于确定子模块的标号。

3软件设计

软件设计的流程如图4所示。

图4　软件流程图

软件设计分为下位机软件与上位机软件，上位机程序用于远程操作，一方面要对GPRS发送的数据进行解析，得到相应的数据，另一方面要将控制指令发送给系统。系统使用VC6.0作为开发工具，数据库采用Access 2000。由于涉及远程操作，程序设计重点在于使用CSOCKET类。下位机使用Keil uVision 4作为开发工具。编写GPRS子系统与无线通讯子系统的程序，并通过JLink写至芯片。下位机程序为了判断设备是否正常运行，采用定时发送简单的心跳包，如果在指定时间段内未收到对方响应，则判断对方已经离线。

4通信协议

由于需要使用GPRS传输数据因此有必要定义通信协议表1、表2。

表1　GPRS通信写入命令通信协议

表2　GPRS通信读出数据通信协议

5结语

远程通讯系统的可靠性主要取决于系统远距离数据通讯的纠错和校验功能。系统在软件编写上设计了可编程的等待超时限制，即若在规定的时间内无法得到当前测试部分数据，则软件默认通信系统异常，并加入了数据长度校验，数据格式校验等功能以提高系统的诊断精度和抗干扰能力。经多次检测，系统通信功能良好，数据传输准确，快速。综上所述，本课题中的GPRS加2.4G无线远程通讯系统能够满足实际应用中的高速、实时的要求。

参考文献:

[1] 刘火良，杨森. STM32库开发实战指南[M]. 北京：机械工业出版社，2013.

[2] 朱升林. 嵌入式网络那些事[M]. 北京：中国水利水电出版社，2012.

[3] 龚建伟，熊光明. Visual C++/Turbo C串口通信编程实践[M]. 北京：电子工业出版社，2004.

[4] 陈坚，陈伟. Visual C++网络高级编程[M]. 北京：人民邮电出版社，2001.

[5] 32位基于ARM微控制器STM32F101XX与STM32F103XX固件函数库[Z].

[6] 上海上志电子信息技术有限公司.10mW/50mW-ISM低电压无线收发模块[Z]. 2010.

Research on Remote Communication System Based on GPRS and Wireless

Model and Its Implementation

SI Hai-rui, WANG Bing-ru, ZHANG Le-nian

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and

Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:This paper expatiates on the research and implementation of remote communication system for Industrial field control and focuses attention on the introduction of hardware circuit and software programming of STM32F101C8T6 and SIM900. The test is the fact that the whole system runs successfully.

Keywords:STM32F101C8T6; SIM900; communicating protocol

收稿日期：2014-12-17

中图分类号：TN926

文献标志码：A

文章编号：1671-5276(2015)03-0172-02

作者简介：司海瑞(1991-)，男，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统开发。