隨(sui)著(zhe)網(wang)絡(luo)和(he)現(xian)代(dai)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)的(de)不(bu)斷(duan)發(fa)展(zhan)
，遠(yuan)程(cheng)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)經(jing)過(guo)多(duo)年(nian)的(de)研(yan)究(jiu)與(yu)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)
，現(xian)如(ru)今(jin)在(zai)工(gong)業(ye)控(kong)製(zhi)領(ling)域(yu)有(you)了(le)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)地(di)位(wei)
，並(bing)且(qie)發(fa)揮(hui)著(zhe)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)的(de)作(zuo)用(yong)。文(wen)中(zhong)根(gen)據(ju)廠(chang)家(jia)的(de)要(yao)求(qiu)，設(she)計(ji)的(de)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)模(mo)塊(kuai)，主(zhu)要(yao)實(shi)現(xian)了(le)短(duan)信(xin)與(yu)數(shu)據(ju)收(shou)發(fa)功(gong)能(neng)
，並(bing)且(qie)做(zuo)到(dao)了(le)模(mo)塊(kuai)的(de)穩(wen)定(ding)
，掉(diao)線(xian)之(zhi)後(hou)能(neng)夠(gou)自(zi)動(dong)重(zhong)連(lian)。

 

1
、無線通信模塊整體設計方案

 

模塊主要有電源部分、主控部分、通信部分
、數據傳輸部分4個部分組成。通信模塊采用SIM900A進行無線通信。主控模塊采用STM32作zuo為wei主zhu控kong芯xin片pian
，來lai控kong製zhi短duan信xin的de收shou發fa與yu數shu據ju傳chuan輸shu的de順shun利li進jin行xing。遠yuan程cheng終zhong端duan可ke以yi是shi手shou機ji或huo者zhe上shang位wei機ji的de數shu據ju中zhong心xin軟ruan件jian
，經jing過guo處chu理li之zhi後hou，儲chu存cun下xia來lai
，方fang便bian日ri後hou的de查zha詢xun。本ben模mo塊kuai具ju有you低di功gong耗hao，方fang便bian靈ling活huo，操cao作zuo簡jian單dan並bing且qie穩wen定ding

，掉diao線xian之zhi後hou可ke以yi自zi動dong連lian接jie，運yun行xing過guo程cheng十shi分fen穩wen定ding，並bing且qie成cheng本ben較jiao低di。

 

2

、無線通信模塊硬件設計

 

2.1 功能需求

 

本文設計的無線通信模塊，要求單12V電(dian)源(yuan)輸(shu)入(ru)，模(mo)塊(kuai)上(shang)電(dian)運(yun)行(xing)後(hou)有(you)相(xiang)應(ying)的(de)指(zhi)示(shi)燈(deng)來(lai)指(zhi)示(shi)模(mo)塊(kuai)的(de)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)。另(ling)外(wai)要(yao)求(qiu)模(mo)塊(kuai)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)短(duan)信(xin)以(yi)及(ji)數(shu)據(ju)透(tou)傳(chuan)兩(liang)大(da)主(zhu)要(yao)功(gong)能(neng)，在(zai)手(shou)機(ji)發(fa)送(song)短(duan)信(xin)給(gei)模(mo)塊(kuai)之(zhi)後(hou)，模(mo)塊(kuai)能(neng)夠(gou)動(dong)作(zuo)，並(bing)給(gei)出(chu)回(hui)應(ying)。最(zui)後(hou)要(yao)求(qiu)在(zai)建(jian)立(li)TCP鏈接時
，仍然能夠收發短信。

 

圖1 無線通信模塊結構圖

 

2.2 電源部分

 

在主電路中，主控芯片STM32的工作電壓為2.0～3.6 V，通信芯片SIM900A的工作電壓為3.1～4.6 V
，為使模塊各個部分正常工作，必須對兩者進行分別供電

，電源供電電路如下：

 

圖中V12外接12 V電源


，經過電容濾波後輸入到LM2576，實現12 V到4 V的轉換
，R1、R2在線路中起到分壓作用
，D2燈亮起時，表示模塊已經正常供電。LM2576是美國國家半導體公司生產的3 A電流輸出降壓開關型集成穩壓電路
，具有完善的保護電路，比較穩定。

 

圖2 電源模塊

 

2.3 主控芯片

 

主控模塊采用STM32單片機作為微控製器，該芯片能工作於-40～105℃的溫度範圍
，MAX3232芯片用於串行口的電平變換，實現控製器與通信接口之間的通信。串口1與電源電平轉換芯片Max3223相連
，USART1_TX(輸出，所以在配置GPIO時，定義該口的模式為推拉輸出，USART1_ RX為輸入，定義為懸浮輸入模式。串口2與SN65LBC184D通信
，實現數據的收發
，USART2_RTS
、USART2_RX為輸入端口，模式定義為懸浮輸入模式
，USART2_CTS
、USART2_TX為輸出端口，模式定義為推拉輸出。串口3用來控製SIM900A芯片，USART3_RTS
、USART3_RX為輸入端口
，模式定義為懸浮輸入
，USART3_CTS
、USART3_TX為輸出端口

，模式定義為推拉輸出。

 

圖3 主控芯片STM32

 

2.4 通信芯片

 

通信芯片采用SIMCom公司的新型緊湊型產品SIM900A，它屬於雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式
，性能穩定，外觀精巧
，性價比高
，並且能夠滿足用戶的多種需求。在實現斷線自動重連功能時
，涉及到DCD、RI兩個引腳的使用。DCD引腳用來實現模數轉換，當模塊掉線時，會給DCD引腳一個高電平，當這個電平被DCD引腳檢測到之後，模塊就是采取相應的動作
，來重新連接上線。RI引腳在模塊上線之後，就一直保持高電平，在有電話和短信進來的時候
，RI管腳就會有一個低電平出現，當RI引腳檢測到這個低電平的時候
，模塊就會采取相應動作，進入到短信或者電話模式。

 

圖4 SIM900A通信芯片

 

3 、無線通信模塊軟件設計

 

3.1 STM32的底層配置

 

為了實現STM32單片機與SIM900A模mo塊kuai之zhi間jian的de數shu據ju通tong信xin，實shi現xian短duan信xin收shou發fa與yu數shu據ju傳chuan輸shu兩liang大da功gong能neng。首shou先xian要yao搭da建jian開kai發fa平ping台tai，在zai工gong程cheng中zhong加jia入ru需xu要yao用yong到dao的de庫ku函han數shu以yi及ji配pei置zhi文wen件jian，然ran後hou配pei置zhi係xi統tong時shi鍾zhong、中斷控製器
、輸入輸出的GPIO以yi及ji相xiang應ying的de串chuan口kou。在zai配pei置zhi這zhe些xie參can數shu的de時shi候hou，首shou先xian需xu要yao對dui照zhao原yuan理li圖tu進jin行xing編bian寫xie，然ran後hou查zha看kan芯xin片pian用yong到dao哪na些xie端duan口kou和he這zhe些xie端duan口kou的de作zuo用yong，這zhe樣yang才cai能neng保bao證zheng無wu誤wu。接jie下xia來lai就jiu要yao對dui各ge個ge部bu分fen進jin行xing配pei置zhi，以yi保bao證zheng模mo塊kuai能neng夠gou正zheng常chang運yun行xing。

 

3.1.1 串口配置

 

開發環境搭建好之後，就可以配置端口參數了。對於本模塊，設置USART傳輸的比特率為9 600 b/s，字長為8 bit,1bit停止位，無檢驗模式。在對串口1
、2、3初始化之後
，打開串口的中斷響應函數：USART_ITConfig（USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE）（以串口1為例），使能相應的串口：USART_Cmd（USART1,ENABLE），這樣串口的配置就基本完成了。

 

3.1.2 中斷控製器的配置

 

首先配置優先級分組，設置先占優先級1位，從優先級3位。本模塊定義了5個全局中斷，分別為：兩個RTC全局中斷、USART1全局中斷、USART2全局中斷、USART3全局中斷，分別對每一個中斷配置優先級，使能串口再初始化即可。需要注意的是，PC15管腳作為EXTI15dewaibuzhongduanshuruguanjiao，danggaiguanjiaodedianpingweididianpingdeshihouchufa，mokuaijinruduanxinmoshi，yincigeizhegezhongduanyigebijiaogaodeyouxianji
，suoyidingyigaizhongduanxianzhanyouxianji1位，從優先級0位。在設置優先級的時候，必須根據模塊的運行情況，選擇最優的中斷分組和優先級，才能保證程序運行時，能夠快速的響應中斷。

 

3.2 無線通信模塊短信功能的實現

 

1） 短信收發具體過程

 

短信功能的實現主要涉及到兩個關鍵部分
，一個是AT命令
，另一個是串口的讀寫。AT命令是主控芯片STM32和SIM900A之間的通信協議，完成對SIM900A的控製。短信的收發主要有兩種模式，一種是文本模式
，該模式隻支持英文內容，另一種是PDU模式。本模塊在完成初始化之後，首先通過USART向SIM900A發送“AT+回車”命令來檢查AT命令是否正常工作，如果返回OK

，則表示能夠進行接下來的短信功能。

 

SIM900A的短信功能主要分為兩個部分，第一：讀取短消息。讀取短消息的設置命令為：AT+CMGR,該命令生效後有兩個返回值：index和mode，index就是接收到的短信的編號
，我們將接收到的index內容放在一個長度為30的buf中，再將buf寫入到串口3中
，然後再讀取串口3中的內容，這樣
，短信的編號就獲取完畢。獲取了短信的編號之後，就能去獲取短信的具體內容
，而短信的內容則存放在alpha中，它處於響應的第三個位置
，通過get_fw（at_string,phnum,19,2）可將短信的內容取出來，這樣短信的內容就獲取到了。第二：發送短消息。發送短消息的設置命令為：AT+CMGS，首先將發送短信的電話號碼存入到一個buf中

，將這個buf寫入到串口3中
，以此獲取手機號碼。而短信在發送的時候，短信內容之前會帶一個“>”號
，在程序設計時，隻要檢測到“>”號時，後麵的內容也就是短信發送的內容，最後將短信的內容寫到串口3即可。

 

2）相應的AT命令

 

 

3.3 短信命令的定義

 

本模塊自定義了許多短消息命令來設置或者查詢模塊的參數
，具體為：SIP:IP地址設置命令
、SPT:端口號設置命令、DID:ID號設置命令、ACON:自動連接命令、PRT:打印命令、LIVE:心跳操作命令、CSQ:信號強度查詢命令。這些指令通過短信的方式來實現對模塊的操作。

拿SIP來舉例，它的實現過程為：首先把短信中的‘=’之前的字符取出來存放在sms_cmd中
，然後將sms_cmd與SIP、SIT、DID、ACON、PRT
、LIVE、CSQ來比較
，如果等於其中一個
，則程序跳轉到相應的部分來執行相應的操作。這裏，strcmp（sms_cmd,“SIP”）==0,程序跳轉到SIP部分來執行IP部分的操作。然後
，將‘=’之後的字符取出來存放在sms_para中。通過字符串比較函數來判斷它是‘?’還是數字。如果是‘?''''，則表示該短信命令是一個查詢命令
，就隻需要用輸出顯示IP號給用戶看。如果是數字

，則表示該短信命令是一個設置命令，就需要重新設置某些參數值，來改變模塊的運行過程。對於SIP
，如果''''=’之後是數字，就表示該短信是用戶用來設置模塊的IP地址的。此時，就要把當前的IP值賦給模塊的IP值就可以了。最後輸出顯示IP地址設置成功，則SPT部分的操作就完成了。

 

4、 無線通信模塊數據傳輸的實現

 

4.1 數據格式的定義

 

數據包的具體格式如下：

 

數據包頭已經定義為S_PACKET_HEADER結構類型，link_id為DWORD類型，對於發送
，填寫目標link_id
，對於接收到的數據包，則為源link_id（由服務器自動轉換填寫），結束標誌為0x01，數據Data則根據具體的命令而各不相同。

 

 

4.2 登陸、退出的協議過程

 

後台軟件根據指定的服務器地址和端口號發起TCP連接請求，連接成功後開始命令交互。工作過程描述如下：

 

1)後台軟件首先采用CMD_LOGIN命令，登陸到通信服務器，在登陸成功之前，發送其他任何命令服務器都不處理。發送CMD_LOGIN：FORWARD給服務器

，攜帶數據為S_TERMINAL。該命令的目標link_id設為0，表示發送給服務器，而不是給其他終端。

 

2)服務器在CMD_LOGIN：RESPONSE_OK中將其他在線模塊的信息發送過來
，從而在客戶端應用程序形成在線模塊列表。後台若收到CMD_LO GIN：;RESPONSE_FAILED回應
，則失敗。收到CMD_LOGIN：RESPONSE_OK回應，則成功，攜帶數據為S_TERMINAL。

 

3)後台軟件定時發送CMD_KEEP_LIVE命令
，以維持鏈路不被網絡和服務器終止。每個在線設備必須在一定的時間間隔內向服務器發送CMD_ KEEP_LIVE信息。服務器將對此作檢查，若某設備在一定的時間間隔內沒有發送CMD_KEEP_LIVE信息
，則認為該設備已經“死亡”，服務器將斷開其連接。

 

4)後台軟件可對模塊列表中的任意模塊進行操控。

 

5)後台軟件退出時，用戶設備應首先發送CMD_LOGOFF命令到服務器，告訴服務器“我要退出”

，該命令的目標link_id設為0。在發送CMD _LOGOFF：FORWARD給服務器時，不需要攜帶數據。

 

圖5 登陸，推出的協議過程

 

4.3 數據傳輸具體過程

 

首先要定義建立TCP連接與關閉TCP連接的函數，涉及到的AT指令為AT+CIPSTART和AT+CIPCLOSE。建立TCP連接時，先把AT+CIPSTART指令寫到串口3中，然後該指令生效後，會返回一個“CONNECT”，之後隻要檢測到有返回值“CONNECT”，就表示TCP連接已經建立成功。關閉TCP連接與建立TCP連接類似，AT+CIPCLOSE指令生效後會返回一個“CLOSE OK”
，隻要檢測到“CLOSE OK”，就表示TCP連接已經關閉。

 

TCP連接建立好以後
，透傳模式就已經被開啟，此時就可以實現數據的發送與讀取。

 

當用戶要發送數據時，就必須根據數據包的結構來發送數據，首先把包頭寫入到串口3中
，如果有數據，則把數據內容和接收對象一並寫入到串口3中
，這樣數據的發送就完成了。

 

讀取數據時，隻要有數據過來，就一次一個字節，把數據存放到user_string[i]中，然後i++，再次接收數據。

 

至於數據讀取到什麼時候結束
，本程序定義了3種結束的情況：1)如果用戶定義了數據的長度
，就讀取到最後一個字節才結束。2)如果用戶沒有定義數據的長度
，就在讀取到回車符的時候結束。3)如果遇到既沒有已定義的數據包長度，又沒有讀取到回車符的情況時，就在數據存放的長度超過user_string[i]總長度的四分之三的時候結束，或者在超過100毫秒沒有數據發過來的時候結束數據的讀取。

 

4.4 相應的AT命令

 

 

5 、斷線重連的處理

 

5.1 TCP鏈接的關閉和建立

 

TCP鏈接的建立涉及到的AT命令是at+cipstart，該指令有兩個返回值，分別是模塊的IP地址和端口號。首先將at+cipstart指令返回的當前模塊的IP地址和端口號存放到一個buf中，然後將這個buf寫入到串口3中，如果之後能夠讀取到返回值“CONNECT”，就表示TCP鏈接已經建立好。

 

TCP鏈接的關閉涉及到的AT命令是at+cipclose
，該指令沒有返回值，可以直接將該指令寫到串口3中
，如果檢測到“CLOSE OK”，就表示TCP鏈接已經被關閉。

 

5.2 DCD的檢測

 

當TCP建立起來之後，DCD引腳的電壓值便由高電平變為低電平

，因此DCD引腳的電平狀態可以用過來指示TCP的連接情況。在程序中

，本文設置時鍾在檢測DCD引腳的狀態值，當該引腳的電平值由高電平變為低電平時
，就表示模塊模塊已經掉線，然後模塊就重新開始登陸
，直到登陸上為止。

 

5.3 TCP鏈接下的短信收發

 

本文定義了一個全局中斷，當有短信或者電話到達模塊時，RI引腳的電平便會由高電平變為低電平
，此時便會觸發全局中斷，模塊立即轉而處理短信收發或者數據傳輸。

 

6、 測試效果

 

本模塊在設計完成之後，在實驗室穩定運行了2周zhou時shi間jian，沒mei有you出chu現xian什shen麼me問wen題ti。然ran後hou又you進jin行xing了le特te殊shu情qing況kuang的de測ce試shi，在zai模mo塊kuai斷duan電dian後hou恢hui複fu供gong電dian
，數shu據ju中zhong心xin斷duan電dian後hou重zhong新xin上shang電dian的de情qing況kuang下xia，都dou能neng夠gou重zhong新xin連lian接jie上shang線xian，並bing且qie能neng夠gou繼ji續xu穩wen定ding運yun行xing。隨sui後hou模mo塊kuai又you被bei送song到dao廠chang方fang使shi用yong，在zai被bei使shi用yong了le3周之後，廠方反應模塊運行情況良好，沒有掉線的情況。

 

7 、結論

 

本文設計的無線通信模塊，是利用STM32來控製SIM900Axinpian，laishixianduanxiaoxideshoufayushujudewuxianchuanshu。benshejiwanchenglewuxiantongxindeyingjianbufenheruanjianbufendeshejiyushixian。zaiduociyunxingshiyanshi，benmokuaimeiyouchuxiandiaoxianyijifaredengwenti，feichangwending。bencishejichengbenjiaodi，yunxingwendingkekao
，yingyongfanweishifenguangfan，liyongSIM900A，降低了模塊的成本，使其更加具有商業價值。
 

(作者：霍濤,賈振堂,上海電力學院電子與信息工程)

 

 

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