李馳1,，段智敏1，叢培田1,，張旗2

　?。?.沈陽理工大學 機械工程學院，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)采集的遠程網(wǎng)絡傳輸需求，提出了一種基于STM32F103微控制器和SIM900A通信模塊的網(wǎng)絡多點遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng),。STM32下位機可以完成各傳感器的周期性數(shù)據(jù)采集,，并利用SIM900A模塊實現(xiàn)其與遠程上位機在GPRS網(wǎng)絡上的不依賴監(jiān)測現(xiàn)場網(wǎng)絡環(huán)境的TCP數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)可以實現(xiàn)不間斷對多個監(jiān)測點的多個監(jiān)測對象同時進行數(shù)據(jù)采集和遠程數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)場實驗表明,，該監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性高、實時性強,、測量誤差小,、功耗低，可以滿足工業(yè)上的設計要求,。

　　關鍵詞：數(shù)據(jù)采集,；TCP,；GPRS ；STM32,；SIM900A

　　中圖分類號：TP27文獻標識碼：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)絡多點遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.微型機與應用,，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)，無論是機械的正常運轉還是作業(yè)環(huán)境的保持,，都離不開準確高效的數(shù)據(jù)采集技術,。

　　基于嵌入式結構設計的數(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進行數(shù)據(jù)通信,雖然非?？煽?，但受線纜限制，上位機必須保持在一定的距離內(nèi),。而在某些高溫,、強腐蝕性環(huán)境下，線纜的布置比較困難,，也容易損壞［1］,。

　　隨著科技的進步，移動通信技術迅猛發(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在工業(yè)中應用成為可能,。利用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡，發(fā)揮其網(wǎng)絡覆蓋率高,、傳輸特性好的優(yōu)點,，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。移動通信技術具有布置靈活和可獨立聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點［2］,。

1總體設計

　　本文所設計的網(wǎng)絡多點遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)由下位機與上位機組成,，下位機利用通信模塊與GPRS網(wǎng)絡直接連接，實現(xiàn)了基于TCP的不依賴現(xiàn)場網(wǎng)絡環(huán)境的可靠網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸,。其不僅可以在上位機上單獨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,。上位機程序采用基于C++語言的Qt設計,，下位機與上位機之間通過TCP協(xié)議傳輸網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，每臺上位機均可以接收多個終端的傳感器上傳的數(shù)據(jù),。系統(tǒng)的總體設計框圖如圖1所示,。

2硬件設計

　　網(wǎng)絡多點遠程數(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)的框架結構以及具體實現(xiàn)方法,。 其他種類的數(shù)據(jù)采集，設計邏輯與溫度數(shù)據(jù)采集基本相同,，只需在下位機主程序循環(huán)中加入相應傳感器的采集子程序和數(shù)據(jù)發(fā)送流程即可,。

　　遠程設備被安裝在監(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)絡發(fā)送給上位機。上位機根據(jù)設備號的不同區(qū)別各個下位機,。該系統(tǒng)的硬件電路圖如圖2所示,。

　　2.1STM32F103ZET6微控制器

　　STM32F103ZET6增強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,，多種復用功能，具有非常高的可開發(fā)性［3］,。

　　它的綜合性能高,，運行穩(wěn)定，價格便宜,，在工業(yè)應用中廣為使用,，是很多工程項目的理想解決方案［4］。

　　2.2SIM900A通信模塊

　　無線通信模塊采用SIM900A芯片實現(xiàn),，主要負責實現(xiàn)與遠程終端的數(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,，單片機可以通過1Wire協(xié)議與DS18B20進行通信［6］。

3軟件設計

　　本文所設計的系統(tǒng)由下位機程序與上位機程序兩部分組成,。其中下位機STM32程序負責數(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,。而上位機程序負責監(jiān)聽各端口TCP通信，處理由端口傳入的TCP數(shù)據(jù),。

　　3.1下位機程序設計

　　下位機程序由主程序,、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語言進行設計。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主程序負責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)絡發(fā)送給各上位機,。這里需要注意的是，圖3主程序流程圖STM32微控制器的GPIO口和復用功能均有獨立的時鐘,，使用前必須進行初始化,，否則各外設無法正常工作。SysTick時鐘用來產(chǎn)生心跳中斷,，實現(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進行通信,。STM32應用AT指令與SIM900A通信［7］,。本文主要應用SIM900A的TCP通信功能，涉及關于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微控制器進行通信，它只有一個DQ引腳負責傳遞數(shù)據(jù),，具有非常復雜的軟件時序,。其程序流程圖如圖5所示。

　　3.2上位機程序設計

　　本文所設計的上位機系統(tǒng)采用Qt設計,，它是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架,。它為應用程序開發(fā)者提供建立藝術級圖形用戶界面所需的所有功能。它是完全面向對象的,，很容易擴展,，并且允許真正的組件編程［8］。只需要編寫一次應用程序,，就可以在不同操作系統(tǒng)上部署這些程序,。

　　Qt通過信號和槽的機制來完成兩個Qt對象之間的通信。信號會在某個時機觸發(fā),，而槽就是響應和處理信號的對應函數(shù)［9］,。

　　3.2.1 ReceivedData類

　　上位機程序的核心是ReceivedData類，它是一個繼承自QWidget類的自定義類,。每個ReceivedData類對象對應一個端口,，負責接收和處理不同下位機傳輸?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)的設置在一個窗口內(nèi)很容易地實現(xiàn)多條曲線繪制,、鼠標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服務器會把新的連接綁定到套接字上,。作為TCP服務器的上位機與作為TCP客戶端的下位機交互流程圖如圖6所示,。

　　4實驗結果

　　分別在兩個地點布置下位機系統(tǒng)，連接各傳感器后開啟下位機電源,，上位機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，從遠程的上位機處得到了監(jiān)測數(shù)據(jù)的曲線,。

　　圖7展示了上位機遠程監(jiān)測兩臺下位機數(shù)據(jù)的運行效果,，從當前圖中可以清楚地看出兩個監(jiān)測地點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,。上位機界面中包括兩路通道,，分別接收兩個下位機上傳的數(shù)據(jù)，多路數(shù)據(jù)監(jiān)測界面的設計原理與其相同,，只需按要求實例ReceivedData類對象就可以完成指定數(shù)量下位機的數(shù)據(jù)監(jiān)測,。

5結論

　　本文所設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種非常適合復雜現(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)技術迅猛發(fā)展的今天，這種結合了GPRS網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常具有實用價值,。

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