基于STM32無線信息采集系統設計

舒泰歌 游乾乾 李慕凡 王瀚澤 張藝鼎

摘 要：隨著信息技術的發展，信息化管理和培育手段逐漸向各種應用場景深入，其中實時現場信息的獲取是信息化管理的基礎。文章分析信息采集和遠程技術，設計STM32+GPRS的傳輸模塊，以功能需求和組網成本為約束目標，研究信息采集終端的設計方法及各模塊的功能定位與技術要求形成針對不同應用場景可靈活配置的信息采集網絡解決方案。

關鍵詞：數據采集;環境監測;STM32;GPRS

1 緒論

隨著數字電子技術的飛速發展，高精度多通道的數據采集系統已經在測量測控領域占據了主要地位，而且被廣泛應用于工業、民生和軍事等各個領域。測量項目主要為電壓和電流、溫濕度與功率功耗等，以便后期用于數據的分析、系統的改善等[1]。現階段無線信息采集系統很多，但可操作性強和布置靈活的模塊很少。針對傳統采集系統存在的成本高和采集效率低等問題，提出了一種基于STM32模塊化信息采集終端。[2-3]

2 系統功能需求

該系統可兼容市面上大多數的傳感器，且能夠實現實時的無線遠距離雙向通信、模擬信號和數字信號的采集、數據處理和遠程監測控制的功能，在比較惡劣的環境下具備信息的采集、處理、發送的能力。綜上所述，本系統應具備如下功能：（1）終端信息采集和數據處理功能;（2）終端與上位機的遠距離無線雙向通信功能;（3）終端有豐富的傳感器接口;（4）終端具有一定的實時性、高可靠性、易維護性;（5）上位機具有數據接收、處理、存儲、顯示和發送等功能。

3 無線信息采集系統設計

3.1 系統總體設計方案

由于目前可支持的遠程無線傳輸方案有GPRS、3G、4G等，而采集現場往往建立在偏遠地區，GPRS相比與3G、4G有更好的網絡覆蓋率[4]，其85.6kbps最大傳輸速率能完全滿足數據傳輸的要求，因此本系統采用GPRS作為遠程無線通信方案，由無線信息采集終端、服務器和用戶端組成，可根據工作現場設定不同工作方式，對現場的傳感器收集的信號參數進行采樣，將處理的數據通過GPRS網絡傳輸到上位機終端，上位機將接收到的數據儲存并對其進行分析歸類。

3.2 無線信息采集終端設計

無線信息采集終端采用分布式全局精確時鐘同步狀態追蹤技術，分為采集模塊、電源管理系統、通信模塊三個獨立模塊，電路主要包括傳感器組、嵌入式微控制器，A/D轉換模塊、電源控制電路、GPRS模塊和信號增益器。

（1）采集模塊。為兼容市面上大多數的傳感器，采集模塊采用IIC和雙線串行通信協議，支持多通道高精度A/D轉換，根據采集環境需求和采集信息種類，分為下列支持熱插拔的傳感器模塊。溫度采集模塊：內置DS18B20，防護等級為IP65，適合于特殊環境下液體、固體的溫度測量。濃度檢測模塊使用具有良好的動態性能MQ-3探頭。位移測量模塊使用拉繩式位移，重復誤差小，雙線路輸出至MCU。PH測量模塊，測量精度為0.01PH，支持溫度補償，可直接輸出0～5V或0～3V的模擬電壓信號，高精度A/D轉換后讀取。壓力測量模塊，內置高精度的24-bits A/D芯片，保證數據的準確性;液位感應模塊采用反射式光感，其頭部的光源精度優于浮子式表位開關，抗干擾能力強，響應時間<500ms。

（2）電源管理系統。為保證MCU、傳感器組以及GPRS模塊在遠距離環境下的穩定工作，采用能量容比高的Li-SOCL2電池，配合有低功耗控制電路和電源保護電路，將+12V通過電源電路二次穩壓輸出+3.3V和+5V，給各個模塊供電，保證無線信息采集終端的長時間運行。

（3）通信模塊。為保證信息傳輸實時性，內置高速RTC時鐘，且定時通過高精度NTP校準采集時間。通信模塊建立通信流程如圖3.所示。設定GPRS連接方式并啟動GPRS連接，查詢當前連接狀態，若GPRS連接狀態異常，啟動異常報警，提醒工作人員進行修復;若GPRS連接狀態正常，通過RS232接收到MCU的指令后，獲取目標IP地址，建立TCP通信線程，并將采集的數據信息通過GPRS無線網絡傳輸到服務器。

GPRS通信方式為單鏈路方式;字符格式：協議頭1位、地址位1位、數據位8位、時鐘位4位、校驗位1位、消息尾1位，消息格式如下表所示。

3.3 服務器模塊和用戶端設計

為保證數據安全和服務器運行穩定，服務器采用非阻塞式設計思想，基于NodeJS的koa2框架設計，分離信息采集終端的操作模塊和用戶數據操作模塊。服務器模塊工作流程如圖4所示，服務初始化后，服務器向采集終端發送TCP報文，等待采集終端握手。若握手成功，開啟接收端口，指示終端開啟數據傳輸。接收完畢后，繼續監聽端口，等待下一塊數據發送，服務器接收數據后進行校驗分析，后儲存在數據庫中，最后提取數據生成分析報告并展示給用戶。

用戶端采用Html+CSS+jQuery動態頁面設計，通過TLS/SSL協議加密請求，能夠實現與服務器的快速交互，用戶可通過移動互聯網設備遠程連接信息采集終端對環境實施在線監測。

4 結論

針對不同場景的可靈活配置和組網成本的要求，設計了包括了無線信息采集終端，服務器模塊和用戶端的無線信息采集系統。經過一系列的調整測試，各個指標均達到預期，系統可靠便攜，操作簡便，能夠實現遠距離無線信息采集的功能。

參考文獻：

[1]趙國.基于ARM和FPGA的多功能數據采集系統的研究[D].成都電子科技大學，2014.

[2]范君健，吳國東，王志軍，等.基于FPGA+STM32的多通道數據采集系統設計[J].兵器裝備工程學報，2017.38（12）：281-286.

[3]韓賓，易志強，江虹，等.一種高精度多通道實時數據采集系統設計[J].儀表技術與傳感器，2019（9）：43-45.HAN Bin，YI Zhiqiang，JIANG Hong， etc.Design of High Precision Multi-channel Real-time Data Acquisition System[J].Mianyang 621010，Instrument Technique and Sensor.

[4]繆子超.工業現場傳感器網絡的多終端遠程監測系統的設計與研究[D].成都電子科技大學，2017.LIAO Zichao。 Design and Research of Multi Terminal Remote Monitoring System for Industrial Field Sensor Network[D].Chengdu University of Electronic Science and Technology of China.

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