基于嵌入式系統火爐溫度的遠程無線采集系統

葛國慶+陳豹+胡飛+王振+朱佳鑫

摘 要：文中提出了一種基于嵌入式系統的火爐溫度遠程無線采集系統。該系統以GPRS網絡作為遠程信號的傳輸平臺，并采用ARM處理器作為基本的硬件平臺，軟件系統采用嵌入式操作系統UCOS-II進行多任務調度，從而實現了火爐溫度的遠程無線采集和發送。

關鍵詞：嵌入式系統；GPRS；UCOS-II；遠程無線采集系統

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-03

0 引 言

遠程數據傳輸通常包括有線遠程傳輸與無線遠程傳輸。初期建設時，應用最廣泛的主要是基于專線方式和電話線方式的有線遠程傳輸。隨著傳輸需求的升高和規模的擴大，需要傳輸的信息類別和傳輸目的地越發的復雜多樣，結構也逐漸呈現出分布化，對于有線傳輸而言，這種分布廣、距離遠、結構復雜、目標多樣的傳輸方式很難實現，而且成本也在不斷提高。隨著網絡和計算機的不斷發展，通信系統日益增強，遠程無線傳輸系統以其傳輸便利、功能多樣、距離傳輸遠、可靠性高、成本較低等優勢開始穩步發展，并飛速躥升，成為當今世界信息傳輸的主流。

傳感器的發展使得自然界中無法采集的信息得以通俗易懂的呈現在人們面前，敏感元器件的廣泛研究和發展給監測系統帶來了巨大的便利和發展前景，同時，采用先進的敏感元件測量數據，減速了人力資源的使用，最大程度上減少了探測的危險性和難度，實現了測量工作的智能化和全面化。

近年來，當今世界已經進入快速發展的信息時代，同時隨著我國通信技術的快速發展，GPRS技術也日漸成熟，將GPRS技術引入無線數據傳輸系統中，為無線傳輸技術增加了新的動力和發展前景，雖然這種傳輸系統目前還處于研究階段，但我們有理由相信隨著中國科技人才的努力和移動通信技術的迅猛發展，不斷成熟的GPRS技術必將成為我國工業、民用領域無線數據傳輸的熱點。

現代火爐數據無線采集技術的發展建立在新型無線采集系統平臺性能提高的基礎之上。具有強大功能的32位微控制器STM32在一些高端儀器、儀表中得到了廣泛的應用，而將GPRS傳輸模塊嵌入其中，將采集到的數據用無線的方式接入Internet，實現遠程監控，非常適合操作人員在比較惡劣的環境下或需要對多種變量進行采集時使用。而高性能低功耗微處理器的應用也極大地提高了數據無線采集的精度和速度。功能強大的ARM處理器中，STM32芯片價格已經很低，相對單片機性價比高出很多，且已在很多場合中得到廣泛的使用。本系統采用STM32+ UCOS-II和ARM+GPRS方案，選取適當的器件構成多路數據無線采集系統，具有很好的實用價值。

1 系統總體設計

1.1 系統的整體結構

本無線監測傳輸顯示系統采用三模塊結構：第一層由嵌入式系統組成，包括STM32芯片、TFTLCD電容觸摸屏、DS18B20溫度傳感器及其他部件；第二層是GPRS傳輸系統，包括SIM900A通信模塊；第三層是上位機部分，包括PC機。系統整體結構圖如圖1所示，各部分工作原理如下：

（1）最小嵌入式系統是本監測傳輸系統的硬件基本組成單元，其任務是實現溫度環境參數的感知、采集、處理及液晶顯示等功能。硬件電路由STM32芯片核心模塊、DS18B20溫度傳感器模塊、液晶顯示電路和電源供電模塊組成。

（2）數據傳輸由單個GPRS通信模塊組成，主要負責SIM900A模塊與PC機的通信。利用通信網絡來達成通信協議和握手連接，實現兩部件的通信。

（3）上位機以PC機為載體，利用網絡調試助手V3.7顯示界面顯示從通信模塊傳輸過來的溫度數據。

1.2 系統的工作原理

當無線終端成功連接到互聯網后，采集終端將傳感器采集到的數據經放大濾波后發送到ARM微控制器STM32，經過A/D轉換及相關處理后，通過RS 232口將數據發送到GPRS無線終端，GPRS無線終端又將這些數據打成一個個IP包，經GPRS空中接口接入無線網絡，并由移動通信服務商轉接到Internet，最終通過各種網關和路由到達統一的遠程數據處理中心，數據中心接收數據并對數據做后續處理。

遠程數據中心也可以發送數據信息（各種命令及診斷信息）到無線數據采集模塊，通過GPRS終端上的RS 232接口輸出到ARM微控制器上，采集終端在接收到遠程數據中心的信息后，進行解碼并執行相應操作，以實現對采集現場的控制。

2 系統硬件設計

2.1 主控制器模塊

本系統選用意法半導體推出的STM32系列單片機。STM32F系列基于超低功耗的ARM Cortex-M3內核。該系列廣泛應用于無線網絡、工業控制、微控制和嵌入式等領域，大大減少了編程的復雜程度。Cortex-M3基于三級哈佛流水線結構，采用指令效率更高的Thumb-2指令集工作。

STM32F103的最高頻率為72 MHz，內部嵌有128 KB的Flash程序存儲器空間，并且具有充足的外部設備接口電路和18 MHz的GPIO接口。同時其ADC精度為12位。具有這樣高性能、快速采集特點的ADC特別適用于快速處理數據和快速采集數據的產品中。此外，它不僅有適合需要少量引腳以及存儲內存的處理器，也包含能滿足需求較多引腳及存儲內存的處理器，這也是本系統選擇它作為核心控制器的重要原因。

2.2 無線傳輸模塊

近年來，無線網絡飛速發展，出現了各種各樣的無線網絡協議，例如GPRS、WiFi、BlueTooth、ZigBee等，不同的協議標準對應不同的應用領域，例如GPRS廣泛應用于各種大數據遠程傳輸，WiFi主要用于大量數據的傳輸，ZigBee的數據速率較低，不適合傳輸大量數據。本系統的數據傳輸部分采用GPRS通信方式來實現，因為它具有高速處理數據的能力，其通信方式是以”分組”的形式將資料傳輸到操作者手中。GPRS之所以能夠成為現有GSM網絡向第三代移動通信演變的過渡技術，是因為它在許多方面都具有顯著的優勢：endprint

（1）GPRS網絡傳輸速度較快，它的傳輸速率可提升至56 Kb/s甚至114 Kb/s；

（2）由于使用了”分組”技術，用戶上網可以免遇斷線的窘境；

（3）可以實現數據和通話的同步進行；

（4）使用費用相對低廉，且信號分布廣泛；

（5）實時在線，建立連接幾乎無需任何時間，隨時都可與網絡保持聯系。

本設計采用的 GPRS 模塊為常用的由 SIMcom 公司提供的 SIM900A通信模塊，這是一款專為中國大陸和印度市場設計的具有2頻的GSM/GPRS模塊，用戶和此模塊移動應用的物理接口的貼片焊盤引腳共有68 個。另外，SIM900A自身內嵌TCP/IP協議，因此擴展的TCP/IP AT命令使用戶可以便捷的使用TCP/IP通信協議，方便用戶進行數據傳輸。

2.3 溫度傳感器的選用

本設計采用美國Dallas半導體公司生成的新一代數字式溫度傳感器DS18B20，它采用非常獨特的單總線接口方式，能夠將數十甚至上百個溫度傳感器掛接在一條信號總線上，從而使得測溫裝置與各溫度傳感器的連接變得特別簡單，并且模擬式傳感器與微機接口時需要的A/D轉換器以及需要用到的復雜外圍電路的缺點也得以克服。另外，用戶還可以通過總線供電，由它組成的溫度測量系統可靠性高、成本低、體積小。DS18B20的溫度測量范圍最高分辨率可達0.062 5℃。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件的總體設計

系統整體設計包括系統初始化、溫度采集模塊程序設計、數據發送模塊程序設計和上位機顯示模塊程序設計。系統程序流程圖如圖2所示。

3.2 無線傳輸模塊程序的設計

在傳輸溫度數據之前，需要在STM32模塊與SIM900A通信模塊之間建立連接，連接程序設計需要先將系統初始化，然后設置無線傳輸模塊進行接收，通過 AT 指令集，STM32 部件向無線傳輸模塊發送請求接收命令，若返回顯示“OK”，則兩者之間通信連接完成，若返回顯示“error”，則通信連接失敗，重新連接。當連接成功后，則實現了將采集模塊的溫度參數數據傳輸至無線接收模塊。通信連接部分設計流程如圖3所示。

STM32與SIM900A建立連接之后，通過移動網絡和服務器就可以實現數據無線傳輸，這部分的設計流程如圖4所示。

4 系統性能測試及分析

測試于2015年11月11日在江蘇徐州某火爐內進行性能測試。首先通過專業工具測量了火爐工作溫度為78.5℃，而測試樣機發送到電腦PC上的軟件溫度顯示為78.2℃。測試結果表明，該無線傳輸系統在實際工業環境中的運行情況十分穩定，溫度測量的誤差也相對較小，達到了良好的設計目標。

根據硬件要求和軟件設計，制作出了一個樣機，調試樣機液晶屏幕顯示如圖5所示。電腦上運行的網絡調試助手V3.7顯示界面如圖6所示。

5 結 語

本文通過對STM32核心芯片和GPRS通信模塊的研究，提出了一種基于嵌入式系統火爐溫度的遠程無線采集系統的總體設計方案。通過制作從機硬件電路，設計和實現了環境數據的采集、收發、顯示和上傳 PC機于一體的功能。對第一個開發出的樣機進行調試測試，監測傳輸系統達到了預期的成果，系統具有精度較高，測量溫度環境參數范圍廣，適應性非常強的優點，能夠廣泛運用于工業環境溫度無線測量傳輸中，為用戶提供一個操作簡單、安全又經濟的溫度采集傳輸監測平臺。

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