基于嵌入式系统火炉温度的远程无线采集系统

葛国庆+陈豹+胡飞+王振+朱佳鑫

摘 要：文中提出了一种基于嵌入式系统的火炉温度远程无线采集系统。该系统以GPRS网络作为远程信号的传输平台，并采用ARM处理器作为基本的硬件平台，软件系统采用嵌入式操作系统UCOS-II进行多任务调度，从而实现了火炉温度的远程无线采集和发送。

关键词：嵌入式系统；GPRS；UCOS-II；远程无线采集系统

中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）06-00-03

0 引 言

远程数据传输通常包括有线远程传输与无线远程传输。初期建设时，应用最广泛的主要是基于专线方式和电话线方式的有线远程传输。随着传输需求的升高和规模的扩大，需要传输的信息类别和传输目的地越发的复杂多样，结构也逐渐呈现出分布化，对于有线传输而言，这种分布广、距离远、结构复杂、目标多样的传输方式很难实现，而且成本也在不断提高。随着网络和计算机的不断发展，通信系统日益增强，远程无线传输系统以其传输便利、功能多样、距离传输远、可靠性高、成本较低等优势开始稳步发展，并飞速蹿升，成为当今世界信息传输的主流。

传感器的发展使得自然界中无法采集的信息得以通俗易懂的呈现在人们面前，敏感元器件的广泛研究和发展给监测系统带来了巨大的便利和发展前景，同时，采用先进的敏感元件测量数据，减速了人力资源的使用，最大程度上减少了探测的危险性和难度，实现了测量工作的智能化和全面化。

近年来，当今世界已经进入快速发展的信息时代，同时随着我国通信技术的快速发展，GPRS技术也日渐成熟，将GPRS技术引入无线数据传输系统中，为无线传输技术增加了新的动力和发展前景，虽然这种传输系统目前还处于研究阶段，但我们有理由相信随着中国科技人才的努力和移动通信技术的迅猛发展，不断成熟的GPRS技术必将成为我国工业、民用领域无线数据传输的热点。

现代火炉数据无线采集技术的发展建立在新型无线采集系统平台性能提高的基础之上。具有强大功能的32位微控制器STM32在一些高端仪器、仪表中得到了广泛的应用，而将GPRS传输模块嵌入其中，将采集到的数据用无线的方式接入Internet，实现远程监控，非常适合操作人员在比较恶劣的环境下或需要对多种变量进行采集时使用。而高性能低功耗微处理器的应用也极大地提高了数据无线采集的精度和速度。功能强大的ARM处理器中，STM32芯片价格已经很低，相对单片机性价比高出很多，且已在很多场合中得到广泛的使用。本系统采用STM32+ UCOS-II和ARM+GPRS方案，选取适当的器件构成多路数据无线采集系统，具有很好的实用价值。

1 系统总体设计

1.1 系统的整体结构

本无线监测传输显示系统采用三模块结构：第一层由嵌入式系统组成，包括STM32芯片、TFTLCD电容触摸屏、DS18B20温度传感器及其他部件；第二层是GPRS传输系统，包括SIM900A通信模块；第三层是上位机部分，包括PC机。系统整体结构图如图1所示，各部分工作原理如下：

（1）最小嵌入式系统是本监测传输系统的硬件基本组成单元，其任务是实现温度环境参数的感知、采集、处理及液晶显示等功能。硬件电路由STM32芯片核心模块、DS18B20温度传感器模块、液晶显示电路和电源供电模块组成。

（2）数据传输由单个GPRS通信模块组成，主要负责SIM900A模块与PC机的通信。利用通信网络来达成通信协议和握手连接，实现两部件的通信。

（3）上位机以PC机为载体，利用网络调试助手V3.7显示界面显示从通信模块传输过来的温度数据。

1.2 系统的工作原理

当无线终端成功连接到互联网后，采集终端将传感器采集到的数据经放大滤波后发送到ARM微控制器STM32，经过A/D转换及相关处理后，通过RS 232口将数据发送到GPRS无线终端，GPRS无线终端又将这些数据打成一个个IP包，经GPRS空中接口接入无线网络，并由移动通信服务商转接到Internet，最终通过各种网关和路由到达统一的远程数据处理中心，数据中心接收数据并对数据做后续处理。

远程数据中心也可以发送数据信息（各种命令及诊断信息）到无线数据采集模块，通过GPRS终端上的RS 232接口输出到ARM微控制器上，采集终端在接收到远程数据中心的信息后，进行解码并执行相应操作，以实现对采集现场的控制。

2 系统硬件设计

2.1 主控制器模块

本系统选用意法半导体推出的STM32系列单片机。STM32F系列基于超低功耗的ARM Cortex-M3内核。该系列广泛应用于无线网络、工业控制、微控制和嵌入式等领域，大大减少了编程的复杂程度。Cortex-M3基于三级哈佛流水线结构，采用指令效率更高的Thumb-2指令集工作。

STM32F103的最高频率为72 MHz，内部嵌有128 KB的Flash程序存储器空间，并且具有充足的外部设备接口电路和18 MHz的GPIO接口。同时其ADC精度为12位。具有这样高性能、快速采集特点的ADC特别适用于快速处理数据和快速采集数据的产品中。此外，它不仅有适合需要少量引脚以及存储内存的处理器，也包含能满足需求较多引脚及存储内存的处理器，这也是本系统选择它作为核心控制器的重要原因。

2.2 无线传输模块

近年来，无线网络飞速发展，出现了各种各样的无线网络协议，例如GPRS、WiFi、BlueTooth、ZigBee等，不同的协议标准对应不同的应用领域，例如GPRS广泛应用于各种大数据远程传输，WiFi主要用于大量数据的传输，ZigBee的数据速率较低，不适合传输大量数据。本系统的数据传输部分采用GPRS通信方式来实现，因为它具有高速处理数据的能力，其通信方式是以”分组”的形式将资料传输到操作者手中。GPRS之所以能够成为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，是因为它在许多方面都具有显著的优势：endprint

（1）GPRS网络传输速度较快，它的传输速率可提升至56 Kb/s甚至114 Kb/s；

（2）由于使用了”分组”技术，用户上网可以免遇断线的窘境；

（3）可以实现数据和通话的同步进行；

（4）使用费用相对低廉，且信号分布广泛；

（5）实时在线，建立连接几乎无需任何时间，随时都可与网络保持联系。

本设计采用的 GPRS 模块为常用的由 SIMcom 公司提供的 SIM900A通信模块，这是一款专为中国大陆和印度市场设计的具有2频的GSM/GPRS模块，用户和此模块移动应用的物理接口的贴片焊盘引脚共有68 个。另外，SIM900A自身内嵌TCP/IP协议，因此扩展的TCP/IP AT命令使用户可以便捷的使用TCP/IP通信协议，方便用户进行数据传输。

2.3 温度传感器的选用

本设计采用美国Dallas半导体公司生成的新一代数字式温度传感器DS18B20，它采用非常独特的单总线接口方式，能够将数十甚至上百个温度传感器挂接在一条信号总线上，从而使得测温装置与各温度传感器的连接变得特别简单，并且模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器以及需要用到的复杂外围电路的缺点也得以克服。另外，用户还可以通过总线供电，由它组成的温度测量系统可靠性高、成本低、体积小。DS18B20的温度测量范围最高分辨率可达0.062 5℃。

3 系统软件设计

3.1 系统软件的总体设计

系统整体设计包括系统初始化、温度采集模块程序设计、数据发送模块程序设计和上位机显示模块程序设计。系统程序流程图如图2所示。

3.2 无线传输模块程序的设计

在传输温度数据之前，需要在STM32模块与SIM900A通信模块之间建立连接，连接程序设计需要先将系统初始化，然后设置无线传输模块进行接收，通过 AT 指令集，STM32 部件向无线传输模块发送请求接收命令，若返回显示“OK”，则两者之间通信连接完成，若返回显示“error”，则通信连接失败，重新连接。当连接成功后，则实现了将采集模块的温度参数数据传输至无线接收模块。通信连接部分设计流程如图3所示。

STM32与SIM900A建立连接之后，通过移动网络和服务器就可以实现数据无线传输，这部分的设计流程如图4所示。

4 系统性能测试及分析

测试于2015年11月11日在江苏徐州某火炉内进行性能测试。首先通过专业工具测量了火炉工作温度为78.5℃，而测试样机发送到电脑PC上的软件温度显示为78.2℃。测试结果表明，该无线传输系统在实际工业环境中的运行情况十分稳定，温度测量的误差也相对较小，达到了良好的设计目标。

根据硬件要求和软件设计，制作出了一个样机，调试样机液晶屏幕显示如图5所示。电脑上运行的网络调试助手V3.7显示界面如图6所示。

5 结 语

本文通过对STM32核心芯片和GPRS通信模块的研究，提出了一种基于嵌入式系统火炉温度的远程无线采集系统的总体设计方案。通过制作从机硬件电路，设计和实现了环境数据的采集、收发、显示和上传 PC机于一体的功能。对第一个开发出的样机进行调试测试，监测传输系统达到了预期的成果，系统具有精度较高，测量温度环境参数范围广，适应性非常强的优点，能够广泛运用于工业环境温度无线测量传输中，为用户提供一个操作简单、安全又经济的温度采集传输监测平台。

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