基于STM32和SIM800C的小型嵌入式監控設備的設計與開發方案
——以小微企業污水處理為例

李德佶，吳萬敏

（四川大學，四川 成都 610207）

1 概述

小微企業是國民經濟發展的生力軍，在擴大就業、促進創新、繁榮市場和滿足人民群眾需求方面發揮著極其重要的作用。但是，與大型企業的成熟完善相比，一些基于地方特色發展起來的小微企業，受資金、人才、場地的限制，很多現代化的生產工藝、技術手段不能得到廣泛應用。以自動化生產監控設備為例，很多企業選擇使用人工監測，既增加人力成本，又降低監測的科學性、準確性，限制了企業生產效率的提升，這與創新驅動、提升質量、增強企業核心競爭力相去甚遠。本文所提出的方案即針對這類現實問題，服務企業提升科技水平，推進智能化、信息化建設，提高企業經營的核心競爭力。

2 設備設計方案介紹

2.1 硬件部分

這套設備主體使用STM32F103VET6作為系統核心部分，SIM800C作為設備聯網通信部分。通過添加靈活的外設，實現不同外部環境數據的采樣，在單片機里進行處理后將設備工作情況數據通過SIM800C傳送到服務器上，再通過網頁或者手機APP對設備工作情況進行實時運行監控。如果出現運行故障，單片機會進行緊急狀況的預先處理，通過SIM800C模塊將設備故障情況以短信的方式向管理人員報警，并且在網頁或者APP上進行故障提醒，通知管理人員盡快進行故障處理。故障排除后，管理人員初始化設備，監控設備便可重新正常運行。

2.2 軟件部分

軟件部分涉及到設備監控APP的開發、網頁的搭建和服務器的設置。同時，在硬件開發過程中，也會涉及到一些指令的開發，比如對SIM800C進行操作使用的AT指令開發，使用單片機時的庫開發等。

3 硬件的選擇

3.1 處理器部分

我們選擇使用STM32F103VET6作為系統核心處理模塊，內核為Cortex-M3。STM32F103VET6在STM32系列的單片機中相對較為基礎，資料也比較豐富。ARM的Cortex-M系列是一類低成本的微控制器，針對功耗敏感的MCU和終端應用，也被廣泛應用于智能測量、汽車和工業控制系統以及電器和消費型產品中。選擇使用STM32也考慮到了其在自動控制領域的應用比較廣泛，而且相關資料也較為全面，能夠提高工作人員的編程效率和工作效率。

3.2 通信部分

通信模塊采用的是SIM800C，也有人使用SIM900A或NBIOT等其他模塊進行類似開發。SIM800C工作頻率為GSM/GPRS，可以實現低功耗語音、數據和信息的傳輸，尺寸小巧，價格相對比較低。通過AT命令控制操作，建立TCP連接到遠端服務器，通過MCU實現對SIM800C的控制，便可實現設備的遠程監控。其缺點是信號強度比較弱，開機初始化連接時間比較長，數據往往有延遲，但其成本低，相對可靠，開發難度小。

3.3 外設模塊

外設系統相對靈活，例如使用交流電流傳感器進行設備的電源監控，使用pH計、溫度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器等對不同環境參數進行靈活的采樣，為監控設備添加更多的功能。

4 設備工作流程

設備工作流程如圖1所示。

圖1 設備工作流程圖

5 設計方案

5.1 外設設計（以3種相對簡單的外設為例）

5．1．1 電源監控方案

電源監控利用互感現象設計，采用穿心式精密電流互感器TA12-100，如圖2所示，在外部增加適當電阻和穩壓芯片、整流濾波電路，即可獲得想要得到的對設備供電電壓的監控數據。同時，也可以購買和使用價格相對低廉的成品，利用互感制作交流電流傳感器，輸出模擬電壓，再經過AD轉換獲取監控設備的供電電壓情況。

5．1．2 水質 pH 測定

在污水處理過程中，調節pH值十分重要。在不同液體條件下，所需要的pH調節情況也不相同。比如黏膠廢水酸化池需要進行多種沉淀操作，pH要求各不相同，而pH自動監控可以幫助監控人員更方便地監測水質。我們采用pH值傳感器，輸出為模擬電壓，通過AD轉換并使用數學方法修整pH曲線，得到在誤差范圍內允許的pH測量曲線。

5．1．3 濁度測量

濁度是污水處理的重要測量指標之一，不同的污水、不同的處理方式、不同的菌種在沉淀池里的濁度指標各不相同。沒有大規模自動化設備的企業在處理污水時，往往依靠操作者目測。在實際工作過程中，因為對沉淀過程的要求高，所以，需要操作者不間斷地觀察。這時，采用濁度自動化測量，既可以減輕操作者的勞動負擔，又可以大幅度提高監測的準確性。鑒于上述情況，我們采用龍戈電子推出的濁度測量模塊，利用光學原理，采集透光率和散射率的綜合情況來確定濁度。輸出信號為模擬信號，需要AD轉換后進行具體的測量。為了提高測量數據的準確性，沉淀池中需要設置多個濁度檢測裝置。

5.2 MCU整體設計

由于外設與主機距離相對比較遠，不宜采用有線傳輸方式，所以，將較為簡單的NRF24L01作為通信方案，外設數據處理使用51單片機。例如，在酸堿度測量中，使用51單片機對采集的數據進行初步處理，通過無線通信模組將數據發送到主控STM32上，主控芯片進行多組外設回傳數據的整合操作，通過SIM800C將數據聯網傳輸，數據在外接顯示器上實時展示。

5.3 SIM800C通信部分

SIM800C模塊可以通過AT指令進行GSM/GPRS無線通訊，也可以通過建立TCP連接到遠程服務器來實現設備的遠程監控和操作。通過"AT+CIPSTART="TCP","****.******",****"等操作，可以實現遠程連接和遠程操作。在本套系統中，SIM800C作為數據上傳端和警報發送端，在數據出現異常后向用戶SIM卡發送報警信息。系統SIM800C在初始化過程中已經鏈接到預設的服務器，用戶可以根據個人需求修改源程序可修改的部分。

5.4 顯示部分設計

顯示部分是采集數據的實時展示平臺，為操作人員提供方便、準確的信息展示。UC/OS是一種基于ROM運行的多任務內核，能夠方便地進行移植工作，它在本套系統中的位置是顯示終端的顯示操作，類似于一個小型的平板電腦。在實際工作中，將UC/OS-III移植到STM32上，并且進行圖形界面設計，使用可觸摸的LCD顯示屏作為顯示載體，將采集并處理好的數據在已經設計好的圖形界面上顯示出來，能夠方便操作人員讀取數據。

5.5 網站和APP設計方案

設計網站和APP是為了讓用戶在任何可以聯網的地方都能夠實現對設備的實時監控。網站和APP的設計涉及到服務器搭建、域名申請等問題，此處不展開說明細節問題，重在思路建立。設計網站和APP時，先進行服務器的搭建工作，之后進行域名的申請和網站的建立，將設備定向連接到用戶地址，讓用戶可以訪問到設備，此后再進行網站界面搭建工作。網站搭建好后開發APP，實現AJAX與服務器的交互，用戶既可以在手機APP上登錄查看設備信息，也可以通過網站訪問設備。

6 應用測試

在開發此項目前，我們已經通過SIM900A進行了家庭物聯設備的開發，成功通過SIM900A實現了設備與服務器的定向連接和回傳。在家庭物聯設備的開發過程中，我們添加了紅外感應模塊作為門鎖安全系統，添加火焰傳感器對廚房進行安全監控，添加溫度傳感器實現了對室內溫度數據的實時采集。搭建簡單的網站，實現了簡單網頁的實時數據讀取。為了驗證可行性，我們進行了簡單的APP開發，雖然測試結果不是很穩定，但可以實現基本的察看功能。在其他項目中，我們進行了藍牙使用和無線的開發，也取得了一些成功的經驗。在今后的開發工作中，我們將把重點放在細節優化和問題處理上，比如，在前期測試中遇到了顯示問題、初始化時間過長、SIM900A信號強度不夠、設備數據處理不穩定、誤差較大等問題。我們將使用SIM800C進行后期測試，在程序方面進行優化篩減，優化現有處理數據的算法，采用51單片機進行數據的初級采集和勘誤，將處理后的數據傳輸到核心部分，在核心部分進行二次檢驗后實時向服務器傳輸，服務器端檢驗后，如果出現大的躍變情況要進行核實處理，以提高數據的可信度。

圖2 電流互感器TA12-100

7 擴展設計方案

以污水處理監控方案為例，提出了一套設備監控方案，但此設備不僅限于污水處理監控，還可廣泛應用于其他監控環節。例如，將本套系統用于冷庫、糧倉，可以實現對庫內溫度、濕度等信息的采集，避免環境改變導致產品變質。另外，還可以將這套設備應用于禽畜養殖基地，實現對圈舍內溫度的監控和智能控制，通過增加圖像采集模組實現對圈舍內情況的監控，具體外設可根據不同需要更改設計。

8 結束語

以污水處理監控設備為例，提出了一套低成本、高靈活性的監控設備設計開發方案，并論證了開發的可行性。這套系統具有開發效率高、外設靈活、成本低的特點，可以被廣泛應用。對于蓬勃發展的小微企業，為它們提供了高效、靈活、低成本的自動化監測設備解決方案，既可以有效降低人工成本，實現智能監控與人工操作相結合，提高勞動效率，還能刺激企業進一步加大科技投入力度，提高企業科技含量，推動我國經濟發展。