摘  要： 提出一種由GPRS模塊SIM300C和單片機(jī)AT89S52組成的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和傳輸終端,，介紹了系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制器,，配合A/D轉(zhuǎn)換電路,、SIM300C模塊及其外圍電路，將傳感器端采集的模擬電壓或電流信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,，由單片機(jī)將相應(yīng)的數(shù)字量打包,，通過(guò)串口發(fā)送給SIM300C模塊，SIM300C模塊自動(dòng)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成TCP/IP數(shù)據(jù)包,，經(jīng)GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)端的服務(wù)器,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)高效,。
關(guān)鍵詞： GPRS,；SIM300C；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸,；A/D轉(zhuǎn)換

　　農(nóng)業(yè)具有對(duì)象多樣,、地域廣闊、偏僻分散,、通信條件落后等特點(diǎn),，在絕大多數(shù)情況下，農(nóng)業(yè)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常無(wú)人值守,，導(dǎo)致信息獲取非常困難,。要解決這個(gè)問(wèn)題，需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與交換[1],。通用分組無(wú)線技術(shù)GPRS（General Packet Radio Service)是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展起來(lái)的,，充分利用了GSM系統(tǒng)的無(wú)線結(jié)構(gòu)，在移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接,，向移動(dòng)用戶提供無(wú)線IP服務(wù)[2],。采用GPRS方案對(duì)數(shù)據(jù)量少、突發(fā)式,、頻繁傳送的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸是一種較好的選擇,。
　　為了滿足數(shù)據(jù)傳輸終端低成本、小型化和移動(dòng)靈活等要求,，廣泛采用微處理器對(duì)GPRS模塊進(jìn)行控制,。早期廠家推出的GPRS模塊都不支持TCP/IP協(xié)議，因此,，需要在微處理器中嵌入TCP/IP協(xié)議,，這樣既增加了硬件的負(fù)擔(dān)，又增加了硬件的成本[3-4],。近幾年,，SIMCOM、SIEMENS等公司推出內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的GPRS模塊,，不僅降低了GPRS模塊對(duì)微處理器的要求,，還縮短了用戶的開(kāi)發(fā)周期。針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸頻繁,、數(shù)據(jù)量較小,、現(xiàn)場(chǎng)改造困難、布線成本高等特點(diǎn),，本文介紹的系統(tǒng)采用GPRS技術(shù),，用低成本的單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換芯片,，以及內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的GPRS無(wú)線通信模塊SIM300C,，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
　　 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸終端以單片機(jī)AT89S52為主控制器,，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸兩大功能,。傳感器采集的8路模擬信號(hào)以差分方式送入2片A/D轉(zhuǎn)換芯片并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，每一輪轉(zhuǎn)換結(jié)束后,，單片機(jī)將16組數(shù)據(jù)放入1個(gè)數(shù)組中并添加幀頭和幀尾,，通過(guò)串口發(fā)送給SIM300C模塊， SIM300C自動(dòng)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成TCP/IP數(shù)據(jù)包,，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet上的服務(wù)器建立連接,，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為A/D轉(zhuǎn)換硬件設(shè)計(jì)和SIM300C模塊外圍電路設(shè)計(jì),。
2.1 數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換硬件設(shè)計(jì)
　　A/D轉(zhuǎn)換單元采用2片A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX186[5],。MAX186是MAXIM公司的8輸入通道12位串行輸出的A/D轉(zhuǎn)換芯片，其輸入端既可以單端輸入8路模擬信號(hào),，也可差分輸入4路模擬信號(hào),。MAX186主要信號(hào)線有：串行數(shù)據(jù)輸出(DOUT)、串行選通脈沖輸出(SSTRB),、串行數(shù)據(jù)輸入(DIN),、低電平有效芯片選擇(CS)、串行時(shí)鐘輸入SCLK,。這些信號(hào)分別與單片機(jī)的P0.0~P0.4相連,，另1片MAX186與單片機(jī)的P2.0~P2.4相連，如圖1所示,。AT89S52通過(guò)P0.3實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX186的片選,；通過(guò)P0.4向MAX186的SCLK送入串行時(shí)鐘信號(hào)；通過(guò)P0.2向MAX186的DIN輸入8位控制字,；通過(guò)P0.1接收MAX186的SSTRB腳的電平輸出,，電平由低變高說(shuō)明模擬信號(hào)經(jīng)采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換完畢,，AT89S52可以接收數(shù)據(jù),；通過(guò)P0.0讀入MAX186 DOUT引腳串行輸出的12位數(shù)字量[6]。

2.2 SIM300C外圍電路設(shè)計(jì)
　　SIM300C是SIMCOM公司的無(wú)線通信模塊,。該模塊尺寸小,、功耗低，內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議,，提供通用的AT控制命令[7],。SIM300C內(nèi)部集成了完整的射頻電路和GSM基帶處理器,，提供2個(gè)串口、1個(gè)SIM卡接口,、通用I/O接口等[8],。這些接口信號(hào)都通過(guò)60針的板對(duì)板連接器進(jìn)行連接。
2.2.1 電源
　　SIM300C模塊的1,、3,、5、7,、9腳為電源輸入引腳VBAT,，2、4,、6,、8、10腳是地,。由于模塊的供電電壓為3.4~4.5 V（典型值為4.2 V),，采用 5 V供電時(shí)，需要進(jìn)行5 V到4.2 V的電壓轉(zhuǎn)換,。設(shè)計(jì)中使用MICREL公司的MIC29300系列芯片為SIM300C提供4.2 V的電壓,，其輸出電流可達(dá)到3 A，能夠滿足SIM300C的要求,。電源電路如圖2所示,。

2.2.2 串口和SIM卡接口
　　SIM300C模塊為用戶提供了：通用串口和調(diào)試串口。因?yàn)槟K提供的2個(gè)串口都是TTL電平,，需通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片,，將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平。設(shè)計(jì)中采用MAXIM公司的MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，使用TXD,、RXD、GND 3根線構(gòu)成3線串口,。
　　SIM300C模塊提供的SIM卡接口信號(hào)有：VSIM-SIM卡電源,、SIMRST-復(fù)位、SIMCLK-時(shí)鐘,、SIMDATA-數(shù)據(jù),。SIM卡與模塊之間通過(guò)SIM卡座進(jìn)行連接，設(shè)計(jì)中采用6針SIM卡座,，其信號(hào)線主要有：電源(VCC),、地(GND)、復(fù)位(RST)、狀態(tài)(VPP),、時(shí)鐘(CLK),、數(shù)據(jù)(I/O)，其中狀態(tài)線VPP不接,。SIM卡電源可以是1.8 V或3 V,，RST、CLK,、I/O 3個(gè)引腳分別連接22 ?贅電阻后，再與SIM300C的SIMRST,、SIMCLK,、SIMDATA相連，SIMDATA與VSIM間還需接1個(gè)10 k?贅的上拉電阻,。另外,，在SIM卡接口電路中，為了減小靜電干擾,，應(yīng)使用靜電防護(hù)器件,，設(shè)計(jì)中采用了SEMI公司的SMF05C[8]。其硬件連接如圖3所示,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)以30 s為1個(gè)采集周期,，初始化完畢后，單片機(jī)通知GPRS模塊連接服務(wù)器準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù),，連接服務(wù)器成功后,，啟動(dòng)2片A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX186對(duì)8路傳感器信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換， A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后,，向GPRS模塊發(fā)送幀頭FF AA,，緊接著發(fā)送16組數(shù)據(jù)，最后發(fā)送幀尾0D 0A,，等待下一個(gè)采集周期,。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

3.1 A/D轉(zhuǎn)換
 　　MAX186為串行工作方式,，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前要對(duì)MAX186進(jìn)行配置,。首先將CS管腳置低電平選通芯片，在SCLK管腳輸入外部時(shí)鐘,，在時(shí)鐘SCLK的每1個(gè)上升沿把1個(gè)最高位為“1”的控制字節(jié)的各位送入輸入移位寄存器,，控制器收到控制字節(jié)后，選擇控制字中給定的模擬通道,，并在SCLK下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,。控制字節(jié)的格式如表1所示。在控制字節(jié)的最后1位之后,，SSTRB管腳有1個(gè)時(shí)鐘周期的高電平,，在其后的12個(gè)時(shí)鐘周期SCLK的每1個(gè)下降沿，轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的各位出現(xiàn)在DOUT端,，單片機(jī)從DOUT管腳讀入12位數(shù)字量,。

3.2 GPRS通信
　　在GPRS通信中，有2種傳輸協(xié)議(TCP/UDP)可供選擇,。在本系統(tǒng)中,，由于數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，傳輸時(shí)間間隔較長(zhǎng),，使用了更為可靠的TCP作為接入方式,。
　　單片機(jī)通過(guò)串口使用AT指令[9]控制GPRS模塊。系統(tǒng)啟動(dòng)后,，為防止因上次使用時(shí)未關(guān)閉連接,，造成連接服務(wù)器失敗，所以單片機(jī)先向SIM300C發(fā)送關(guān)閉連接的指令：AT+CIPCLOSE,，斷開(kāi)連接成功返回“CLOSE OK”,。隨后，單片機(jī)向SIM300C發(fā)送連接服務(wù)器命令：AT+CIPSTART=“TCP”,、“202.205.84.222”,、2020，用來(lái)將模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò),，使用“TCP”方式接入,，服務(wù)器IP地址為202.205.84.222，偵聽(tīng)端口號(hào)為2020,。連接指令送入GPRS模塊后,，單片機(jī)通過(guò)串口接收GPRS 模塊返回的信息。返回“OK”說(shuō)明指令正確,，返回“ERROR”說(shuō)明指令輸入不正確,，需要重新連接。等待一段時(shí)間后,，GPRS 模塊會(huì)返回1個(gè)字符串說(shuō)明目前的連接狀態(tài)：若返回“CONNECT OK”說(shuō)明已經(jīng)連上服務(wù)器,；若連接失敗，返回STATE狀態(tài)：“CONNECT FAIL”,，需要重新進(jìn)行連接或者檢查服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài),。
　　服務(wù)器連接成功后，單片機(jī)向SIM300C輸入發(fā)送數(shù)據(jù)指令“AT+CIPSEND=20”,，然后送入要發(fā)送的數(shù)據(jù),，包括幀頭、16組數(shù)據(jù)及幀尾。
4 系統(tǒng)驗(yàn)證
　　對(duì)該系統(tǒng)的驗(yàn)證需要1臺(tái)具有公網(wǎng)IP地址的計(jì)算機(jī)作為Internet上的服務(wù)器,，1張開(kāi)通GPRS功能的SIM卡且接入方式為CMNET,，服務(wù)器數(shù)據(jù)收發(fā)DEMO軟件。
　　實(shí)驗(yàn)中,，將GPRS模塊的串口與單片機(jī)串口相連,，A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入端以差分方式接入2路溫度傳感器PT100和1路濕度傳感器。終端以30 s為1個(gè)周期,，每1周期采集2片MAX186的8路差分輸入模擬信號(hào),，采集結(jié)束，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器,。服務(wù)器端用Microsoft Winsock Control 6.0(SP6)控件開(kāi)發(fā)了服務(wù)器端接收軟件,，完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)顯示,。服務(wù)器軟件每次接收到終端的數(shù)據(jù)時(shí)，都將數(shù)據(jù)保存在一個(gè)文本文檔內(nèi),，并且記錄接收數(shù)據(jù)的系統(tǒng)時(shí)間,。圖5為根據(jù)服務(wù)器文檔記錄的數(shù)據(jù)繪制的實(shí)驗(yàn)室24小時(shí)溫度變化曲線。
　　測(cè)試結(jié)果表明：終端采集到的溫度變化曲線符合實(shí)際溫度變化,，說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換部分能夠準(zhǔn)確地采集傳感器輸出的模擬信號(hào),；測(cè)試過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)GPRS模塊與服務(wù)器端連接斷開(kāi),，觀察服務(wù)器文本記錄的數(shù)據(jù),，未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)均以30 s為1個(gè)周期被服務(wù)器接收,，少數(shù)數(shù)據(jù)延遲幾秒接收,，說(shuō)明以TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是可靠的，即使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí),，也不會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失,，而只是發(fā)生數(shù)據(jù)延遲。
　　本文設(shè)計(jì)的基于SIM300C模塊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸終端,，具有成本低,、體積小、布設(shè)方便,、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn),，克服了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境改造困難、布線成本高等問(wèn)題,，能夠適應(yīng)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散和潮濕的環(huán)境,，為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸提出了一種解決方案。基于SIM300C的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器間可以通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸,，能夠按設(shè)定的采集周期正確采集和傳輸現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù),，滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。在今后的研究中,，需要為該系統(tǒng)增加LCD顯示和鍵盤(pán)模塊,，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，現(xiàn)場(chǎng)工作人員可以通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制,；完善服務(wù)器端上位機(jī)軟件,，提供更為友好的數(shù)據(jù)顯示界面。
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