基于GSM的嵌入式控制器

吳維健 劉繼偉

摘要：論文設(shè)計(jì)了一種基于GSM的嵌入式控制器，其采用物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議，具有穩(wěn)定性高、設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，能夠完成不同距離設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊與信息共享。此外，控制器還具備NPN型24V數(shù)字量輸入輸出功能，其能夠以1MHz的速率輸出高達(dá)27A的電流，具有極強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。現(xiàn)場驗(yàn)證表明，該控制器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：GSM，嵌入式系統(tǒng)，MQTT，通訊。

一、引言

隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，傳統(tǒng)制造業(yè)面臨著向智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的歷史路口。自動(dòng)化與信息化的深入融合促使制造效率飛速提升，產(chǎn)品、設(shè)備的安全性、可靠性也得到了極大保證。

實(shí)現(xiàn)廠房內(nèi)不同設(shè)備、不同廠房間設(shè)備、不同地區(qū)廠房間設(shè)備的數(shù)據(jù)共享，是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)與前提。大量專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究，并提出了多種行之有效的解決方案，例如何金鳳等研究了一種基于STM8單片機(jī)設(shè)計(jì)的具有遠(yuǎn)程控制功能的電鍋爐控制器，通過GSM無線通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電鍋爐控制器的數(shù)據(jù)接收和遠(yuǎn)程控制，該控制器具有監(jiān)測水溫、監(jiān)測加熱管爐壁溫度、4個(gè)時(shí)段定時(shí)、控制循環(huán)泵、超溫報(bào)警、故障報(bào)警等功能。[1]何金枝等設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的GSM遠(yuǎn)程溫度控制器，其實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)程溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，該系統(tǒng)具有體積小、成本低、可靠性高等特點(diǎn)。[2]周光彬等設(shè)計(jì)了一種基于GSM短信息的智能控制器，其實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)端控制。[3]然而，目前很多遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸都是基于TCP或UDP的開環(huán)傳輸方式，一旦遇到傳輸錯(cuò)誤或通訊故障，系統(tǒng)無法自行修復(fù)，因此這類系統(tǒng)往往需要編寫復(fù)雜的數(shù)據(jù)校驗(yàn)程序，以保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

本文提出了一種基于GSM的嵌入式控制器，其以目前廣泛應(yīng)用的MQTT協(xié)議為基礎(chǔ)完成數(shù)據(jù)的傳輸與信息的共享，其具有不同的傳輸安全等級(jí)，能夠自動(dòng)修復(fù)通訊問題。本文設(shè)計(jì)的基于GSM的嵌入式控制器，能夠極大簡化數(shù)據(jù)校驗(yàn)的過程，并具有較高的安全性和可靠性，適用于多種工業(yè)通訊場合。

二、MQTT協(xié)議

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協(xié)議既遙信消息隊(duì)列傳輸，是IBM公司于1999年提出的。MQTT是一個(gè)基于TCP的發(fā)布訂閱協(xié)議，是為大量計(jì)算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備的通訊而設(shè)計(jì)的協(xié)議，它具有以下主要的幾項(xiàng)特性[4]：

1、使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對(duì)多的消息發(fā)布，解除應(yīng)用程序耦合;

2、對(duì)負(fù)載內(nèi)容屏蔽的消息進(jìn)行傳輸;

3、使用TCP/IP提供網(wǎng)絡(luò)連接;

4、有三種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量：“至多一次”，消息的發(fā)布完全依賴底層 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)生消息丟失或重復(fù);“至少一次”，確保消息到達(dá)，但消息重復(fù)可能會(huì)發(fā)生;“只有一次”，確保消息到達(dá)一次;

5、小型傳輸，開銷很小，協(xié)議交換最小化，以降低網(wǎng)絡(luò)流量;

6、使用Last Will和 Testament 特性通知有關(guān)各方客戶端異常中斷的機(jī)制。

實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議需要客戶端和服務(wù)器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT協(xié)議中有三種身份：發(fā)布者（Publish）、代理（Broker）（服務(wù)器）、訂閱者（Subscribe）。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務(wù)器，消息發(fā)布者可以同時(shí)是訂閱者。

在MQTT協(xié)議中，一個(gè)MQTT數(shù)據(jù)包由固定頭（Fixed header）、可變頭（Variable header）、消息體（payload）三部分構(gòu)成，其中：

（1）固定頭（Fixed header）。存在于所有MQTT數(shù)據(jù)包中，表示數(shù)據(jù)包類型及數(shù)據(jù)包的分組類標(biāo)識(shí);

（2）可變頭（Variable header）。存在于部分MQTT數(shù)據(jù)包中，數(shù)據(jù)包類型決定了可變頭是否存在及其具體內(nèi)容;

（3）消息體（Payload）。存在于部分MQTT數(shù)據(jù)包中，表示客戶端收到的具體內(nèi)容。

三、基于GSM的嵌入式控制器

本文設(shè)計(jì)的基于GSM的嵌入式控制器是以意法半導(dǎo)體公司的STM32F446RE為核心的控制器，其具有Cortex-M4內(nèi)核，最高主頻可達(dá)到180MHz。

嵌入式控制器主要包括以下子系統(tǒng)：

（1）電源子系統(tǒng)。電源子系統(tǒng)主要為STM32F446RE及其他設(shè)備提供電源，其能夠?qū)⑤斎氲?4V電源轉(zhuǎn)化為5V電源，并具有隔離功能，能夠有效隔絕外界的電磁干擾;

（2）485通訊子系統(tǒng)。485接口是工業(yè)中常見的通訊接口，其應(yīng)用及其廣泛，且可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)。本文采用廣州金升陽科技有限公司的485通訊隔離模塊，其集電源隔離、信號(hào)隔離、RS485 通信和總線保護(hù)于一體，傳輸速率可達(dá)500Kbp;

（3）數(shù)字量輸入子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)能夠提供工業(yè)常見的NPN型24V數(shù)字量輸入，并采用高速光耦進(jìn)行隔離;

（4）數(shù)字量輸出子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)能夠提供工業(yè)常見的PNP型24V數(shù)字量輸出，輸出速率達(dá)到1MHz，采用Mosfet作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，最大驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)27A，可以直接驅(qū)動(dòng)絕大部分常見的外設(shè);

（5）GSM通訊子系統(tǒng)。GSM通訊子系統(tǒng)以esim卡為核心，采用上海合宙通信科技有限公司的2G通訊模塊，實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定的GSM通訊傳輸。

論文設(shè)計(jì)的基于GSM的嵌入式控制器PCB電路設(shè)計(jì)圖如圖1所示：

系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖2所示：

四、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于GSM的嵌入式控制器，其基于MQTT協(xié)議，具有穩(wěn)定性高、功耗小、程序設(shè)計(jì)簡單、功能強(qiáng)的特點(diǎn)，其能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與信息共享中。此外，本文設(shè)計(jì)的控制器還帶有數(shù)字量輸入輸出功能，并具有較大的驅(qū)動(dòng)電流。該控制器在單回路控制中可以替代小型PLC，從而極大降低了設(shè)備成本。根據(jù)現(xiàn)場測試表明，該控制器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能夠滿足用戶需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何金鳳.基于GSM遠(yuǎn)程控制的電鍋爐控制器的設(shè)計(jì).基于單片機(jī)的GSM遠(yuǎn)程溫度控制器設(shè)計(jì)，2017，15（04），26-29+91

[2] 何金枝，毛海燕，周國運(yùn).基于單片機(jī)的GSM遠(yuǎn)程溫度控制器設(shè)計(jì).制造業(yè)自動(dòng)化，2012，11：128-134

[3] 周光彬，曾孝平.GSM短信息智能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).微計(jì)算機(jī)信息，2007，23： 24-25+37

[4] Home Assistant Community. MQTT.home-assistant.io. Home Assistant Community. August 7， 2015