基于GPRS的远程水温水位测控系统的研究

杨宝 龙德亮

摘 要：针对现代化小区对远程水温水位测控的需求，设计了一款基于GPRS的远程无线通信的水温水位系统。系统分为数据采集、无线传输和PC机显示三部分；数据采集部分采用STM32微处理器，实现对多路信号的数据采集；无线传输部分通过SIM900A模块接入GPRS网络，来实现对数据的传输；PC机实时显示水温水位情况。经测试，PC机与各测控制节点通过GPRS通讯，通讯稳定，可靠性高。

关键词：GPRS；STM32微处理器；SIM900A模块；水温；水位

The research of remote monitoring and control system

for water temperature and water level based on GPRS

YANG Bao，LONG Dei-Liang（College of Physics and Electronic，Shandong Normal University，Jinan 250014，China）

Abstract：To satisfy the demand of modern community for monitoring of remote water temperature and water level， an oberserving and controlling system was designed based on GPRS， which can implement the long-distance wireless communication.The system is divided into two parts of data acquisition and wireless transmission； data acquisition part adopts STM32 Microprocessor to implement data acquisition of multi-channel signals； wireless transmission part implements the transmission of data through the SIM900A accessing to GPRS network， to realize the data transmission；The PC real-time displays water temperature level.After the test， the PC and the controlling node through the GPRS communication，which is stable and high reliability.

Key words：GPRS；Microcontroller STM32；SIM900A module；water temperature；water level

隨着城市化建设的快速发展，智能住宅小区不断涌现，小区中生产和供应热水的太阳能集热热水工程设备、多分散安装在各个楼顶，通常管理人员需要上到楼顶才能实现控制和管理，十分不便。而远程测控系统能够对生产和供应热水的设备进行远程测控，降低管理成本，管理方便。

一般测控网络多采用RS-485作为现场总线[1]，但由于其存在着传输距离小于1km、通讯失败率高的局限性，决定了RS-485不适合远距离通讯。与RS-485相比，无线通信GPRS[2]具有传输距离远，通讯失败率低，而且还具有永远在线、自动切换、高速传输等优点。因此采用GPRS来设计远程水温水位测控系统，具有明显的使用价值和现实意义。

1 系统的组成

本系统在设计上采用了模块化设计，由微处理器、电源模块、水温采集模块、水位采集模块、继电器控制模块、实时时钟模块、按键输入模块、数据显示模块和GPRS模块[3]组成，可根据具体情况只选用其中的部分模块。

首先水温水位采集模块将采集到的数据送入微控制器，处理后可由显示模块显示。该数据可以通过GPRS模块发出。用户可通过联网的远程计算机收到该数据，然后通过远程联网向终端发送命令，进而操纵终端上的继电器，来完成数据的控制执行。系统框图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 微处理器

本设计选用的是意法半导体公司生产的微处理器STM32F103RBT6。它是一款基于Cortex M3[4]内核、高性能、低成本、低功耗的微控制器，在软件和引脚封装方面同其他STM32系列处理器是兼容的。

它的时钟频率达到72MHz，能实现高端运算。内嵌128KB FLASH程序存储器。具有丰富的外设，I2C接口，USART、SPI等串行接口以及最大翻转率l8MHz的GPIO。更重要的是它拥有最快1us转换速度的双12位精度ADC，如此快速采集、高性能的ADC非常适用于数据的快速采集和快速处理上，这也是本系统选择它作为核心控制器的一个重要原因。

2.2 无线通信模块[2]

本设计选用的是SIMCom公司生产的SIM900A[5]模块。它是一款工业级双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式。该模块内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP命令让用户能够很容易使用TCP/IP协议，采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。另外，SIM900A的尺寸大小为24*24*3mm，适用于紧凑型产品设计。

该模块支持RS232串口和LVTTL串口，并带硬件流控制，支持5V～24V的超宽工作范围，使得本模块可以非常方便的与单片机进行连接，从而实现该设计所需要的GPRS数据传输功能。

该模块与用户移动应用的物理接口为68个贴片焊盘，提供了模块和电路板的所有硬件接口：键盘和SPI显示接口；主串口和调试串口；一路音频接口，包含一个麦克风输入和一个扬声器输出；可编程通用输入输出接口。SIM900A的功能框图如图2所示。

2.3 水温水位采集模块

温度测量选用DALLAS半导体公司生产的1-Wire接口数字温度传感器DS18B20[6]。

与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。测量温度范围为-55℃～+125℃，精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～l2位的数字值读数方式。它工作在3-5.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计灵活、方便，设定分辨率及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

水位测量选用PTH601水位传感器[6]，它采用扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体，316全不锈钢结构，主要适用于河流、地下水位、水库、水塔及容器等的液位测量与控制。量程： 100mmH2O～100mH2O、500mmH2O～500mH2O（水位高/深度）； 综合精度：0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS；输出信号：4～20mA（二线制）、0～5V、1～5V、0～10V（三线制）；供电电压：24DCV；介质温度：0～85℃。

2.4 实时时钟模块

由于本设计需要完成基于时间的判断和操作，故选用PHILIPS公司生产的串行日历时钟芯片PCF8563[7]。它是一款采用CMOS优化技术的低功耗实时时钟芯片，具有可编程时钟输出、中断输出、低电压检测和内部寄存器在每次读∕写自动递增等功能。芯片所有的地址和数据都通过I2C总线传输，最大的总线速度为4000kbps。

STM32[8]自带的I2C总线接口与PCF8563通讯，时钟电路如图3所示。为了防止在意外掉电后需要对PCF8563进行重新设置，加入了后备电源3.6V后备电源。

3 软件设计

系统软件设计方面包括采集端程序设计、基于SIM900A利用AT指令[5]进行自动数据收发。

3.1 采集端程序设计

开机后首先进行初始化，系统不断与事先设置好的服务器IP建立网络连接。一旦连接成功，就按照系统设置的模式开始水温和水位的采集，数据收集完毕后通过GPRS模块传到PC机上；如果系统受到结束采集的命令，即刻断网进入建立网络连接等待状态。软件流程图如图4所示。

3.2 利用AT指令进行自动数据收发

首先，通过RS232将PC机与SIM900A模块连接，设置相应串口参数：波特率-9600、奇偶校验-无、数据位-8、停止位-1。然后输入相应的AT命令控制GSM模块工作。

主要步骤如下：

⑴在数据接收端建立监听服务器。

⑵通过PC机发送相应AT命令控制SIM900A模块進行TCP连接。此处需要进行GPRS模块工作的相关设置，设置网络，设置协议，设置接入点等等，并向对方IP发起连接。相关AT命令解释详见表1。

AT指令介绍

AT指令是指终端设备TE和终端适配器TA之间以及数据终端设备DTE和数据电路终端设备之间的接口标准。20世纪90年代初，AT指令仅被用于Modem的操作，在经历了一系列演后指令被加入GSM07.05标准。SIM900A的AT命令接口默认使用IRA字符集，除此之外还支持GSM07.07格式，UCS2，HEX，PCCP，PCDN字符集。

⑶当监听端收到GPRS模块端发来的连接请求，进行连接，连接成功后可以在监听端观察到GPRS模块所获得的临时IP地址。

⑷发送数据。若在接收端可以看见该数据，就说明收到了该数据，从而实现了TCP数据传输。

4 结束语

基于GPRS的远程水温水位测控系统以STM32为主控制芯片，采用无线通信技术。此技术通讯稳定，较好地解决了现代化小区对水温水位的远程测控问题。在软/硬件设计中均采用了模块化的结构，灵活性高和适用性好。在太阳能热水工程快速普及居民小区的今天，该系统具有良好的应用前景。

[参考文献]

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