基于STM32無線信息采集系統(tǒng)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(shù)的發(fā)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(xiàn)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(shù)，設計STM32+GPRS的傳輸模塊，以功能需求和組網(wǎng)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(shù)要求形成針對不同應用場景可靈活配置的信息采集網(wǎng)絡解決方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集;環(huán)境監(jiān)測;STM32;GPRS

1 緒論

隨著數(shù)字電子技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)在測量測控領域占據(jù)了主要地位，而且被廣泛應用于工業(yè)、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(shù)據(jù)的分析、系統(tǒng)的改善等[1]?，F(xiàn)階段無線信息采集系統(tǒng)很多，但可操作性強和布置靈活的模塊很少。針對傳統(tǒng)采集系統(tǒng)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(tǒng)功能需求

該系統(tǒng)可兼容市面上大多數(shù)的傳感器，且能夠?qū)崿F(xiàn)實時的無線遠距離雙向通信、模擬信號和數(shù)字信號的采集、數(shù)據(jù)處理和遠程監(jiān)測控制的功能，在比較惡劣的環(huán)境下具備信息的采集、處理、發(fā)送的能力。綜上所述，本系統(tǒng)應具備如下功能：（1）終端信息采集和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接收、處理、存儲、顯示和發(fā)送等功能。

3 無線信息采集系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)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(xiàn)場往往建立在偏遠地區(qū)，GPRS相比與3G、4G有更好的網(wǎng)絡覆蓋率[4]，其85.6kbps最大傳輸速率能完全滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，因此本系統(tǒng)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(jù)工作現(xiàn)場設定不同工作方式，對現(xiàn)場的傳感器收集的信號參數(shù)進行采樣，將處理的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)缴衔粰C終端，上位機將接收到的數(shù)據(jù)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(tài)追蹤技術(shù)，分為采集模塊、電源管理系統(tǒng)、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(zhuǎn)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(shù)的傳感器，采集模塊采用IIC和雙線串行通信協(xié)議，支持多通道高精度A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)采集環(huán)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(nèi)置DS18B20，防護等級為IP65，適合于特殊環(huán)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(tài)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(zhuǎn)換后讀取。壓力測量模塊，內(nèi)置高精度的24-bits A/D芯片，保證數(shù)據(jù)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(yōu)于浮子式表位開關(guān)，抗干擾能力強，響應時間<500ms。

（2）電源管理系統(tǒng)。為保證MCU、傳感器組以及GPRS模塊在遠距離環(huán)境下的穩(wěn)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(wěn)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(nèi)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(tài)，若GPRS連接狀態(tài)異常，啟動異常報警，提醒工作人員進行修復;若GPRS連接狀態(tài)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(shù)據(jù)信息通過GPRS無線網(wǎng)絡傳輸?shù)椒掌鳌?/p>

GPRS通信方式為單鏈路方式;字符格式：協(xié)議頭1位、地址位1位、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)安全和服務器運行穩(wěn)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(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)傳輸。接收完畢后，繼續(xù)監(jiān)聽端口，等待下一塊數(shù)據(jù)發(fā)送，服務器接收數(shù)據(jù)后進行校驗分析，后儲存在數(shù)據(jù)庫中，最后提取數(shù)據(jù)生成分析報告并展示給用戶。

用戶端采用Html+CSS+jQuery動態(tài)頁面設計，通過TLS/SSL協(xié)議加密請求，能夠?qū)崿F(xiàn)與服務器的快速交互，用戶可通過移動互聯(lián)網(wǎng)設備遠程連接信息采集終端對環(huán)境實施在線監(jiān)測。

4 結(jié)論

針對不同場景的可靈活配置和組網(wǎng)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(tǒng)。經(jīng)過一系列的調(diào)整測試，各個指標均達到預期，系統(tǒng)可靠便攜，操作簡便，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].儀表技術(shù)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(yè)現(xiàn)場傳感器網(wǎng)絡的多終端遠程監(jiān)測系統(tǒng)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.

項目：天津市級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃（ 201910059134）