基于SIM800C的GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

作者/ 韓進(jìn) 馬雙 山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院(山東 青島 266590)

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種以GPRS為傳輸方式的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F207VC為主控芯片，采用最新的SIM800C模塊，以串口通訊方式實(shí)現(xiàn)與主控芯片的通訊，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端，軟件方面包括異常處理、心跳包機(jī)制的設(shè)計(jì)，大幅提高了GPRS的傳輸穩(wěn)定性。經(jīng)過長時(shí)間測試發(fā)現(xiàn)，客戶端以TCP/IP協(xié)議與服務(wù)端保持良好連接狀態(tài)。該設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用于各類單片機(jī)控制系統(tǒng)中，為無線數(shù)據(jù)傳輸提供了一種新的穩(wěn)定的解決方案。

引言

　　GPRS作為目前廣泛應(yīng)用的2G網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定性高，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，將其與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，可作為一種通訊方式，用于遠(yuǎn)程查看設(shè)備狀態(tài)，控制設(shè)備運(yùn)行，開發(fā)出無線傳輸的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。

　　本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以STM32F207VCT6為主控芯片，通過串口通訊方式與AT指令集控制支持TCP/IP協(xié)議的GPRS模塊SIM800C，該模塊支持域名解析與IP地址直接連接兩種方式連接服務(wù)器，并結(jié)合通訊異常處理與心跳包機(jī)制，大幅提高GPRS與服務(wù)器端的傳輸穩(wěn)定性。作為測試，模擬已經(jīng)采集到設(shè)備周圍環(huán)境溫度及其他傳感器狀態(tài)作為傳輸數(shù)據(jù)，不間斷地傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器端。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　本設(shè)計(jì)以STM32F207VCT6為主控芯片，采用5V變壓器供電方式，可以通過JTAG接口對芯片進(jìn)行開發(fā)調(diào)試。主控芯片通過串口方式與SIM800C進(jìn)行通訊，SIM800C則提供TCP/IP協(xié)議，與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，上位機(jī)軟件通過DMZ轉(zhuǎn)發(fā)將本地計(jì)算機(jī)暴露于互聯(lián)網(wǎng)下，結(jié)合動(dòng)態(tài)DNS域名與端口號，用于對該系統(tǒng)的查看與控制，同時(shí)，STM32驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光二極管以告知用戶系統(tǒng)連接與運(yùn)行狀態(tài)。

　　1.1 相關(guān)芯片及SIM800C介紹

　　STM32F207VCT6為 ST (意法半導(dǎo)體)公司研發(fā)的一款入門級低功耗32位ARM芯片，擁有64Kb片內(nèi)Flash，以及包括UART、USB、CAN、SPI、I2C等在內(nèi)的豐富的硬件接口，結(jié)合Keil或IAR開發(fā)環(huán)境及其標(biāo)準(zhǔn)固件庫可方便地進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。

　　本設(shè)計(jì)采用GPRS無線通信方式，采用SIMCom公司2015年下旬最新生產(chǎn)的SIM800C模塊，該模塊用于替代之前的SIM800E模塊，價(jià)格低廉，主要工作在850/900/1800/1900MHz頻率，滿足GSM 2/2+標(biāo)準(zhǔn)，支持GSM/GPRS與AT指令控制，其性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價(jià)比高，多樣化的硬件接口可方便地與單片機(jī)或PLC進(jìn)行通訊，支持雙SIM卡，可低功耗實(shí)現(xiàn)SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸。SIM800C尺寸為17.6mm×15.7mm×2.3mm，能適用于各種緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。

　　1.2 原理圖設(shè)計(jì)

　　考慮到各芯片電源供電電壓與系統(tǒng)設(shè)備的使用場景，設(shè)置系統(tǒng)的輸入電壓為5V直流，經(jīng)過F110貼片式自恢復(fù)保險(xiǎn)絲以及L1117-3.3穩(wěn)壓芯片輸出3.3V直流電壓供電，為使直流電源波形噪聲減小，可在5V輸入端和3.3V輸出端并聯(lián)2個(gè)100μF鉭電容進(jìn)行濾波，如圖2所示。同樣的，可在每個(gè)電源管腳附近布一個(gè)100nF電容用作退耦電容，從而穩(wěn)定輸入電源，主芯片JTAG接口加10K上拉電阻進(jìn)行連接，方便使用Ulink等調(diào)試器進(jìn)行在線調(diào)試及仿真。將主控芯片與SIM800C模塊按照串口接口連接。

　　根據(jù)SIM800C模塊硬件設(shè)計(jì)手冊，模塊供電電壓范圍為3.4V~4.4V，本設(shè)計(jì)采用AOZ1016穩(wěn)壓芯片，參照AOZ1016芯片數(shù)據(jù)手冊搭建降壓穩(wěn)壓電路，將5V直流輸入穩(wěn)壓為4V供給SIM800C使用，后端兩個(gè)100μF電容作為直流電壓的濾波電容。如圖3所示。

　　SIM800C模塊與單片機(jī)直接為串口接口，根據(jù)硬件設(shè)計(jì)手冊需進(jìn)行3.3V電平匹配，將模塊與單片機(jī)串口之間接1KΩ電阻，模塊RX腳接5.6KΩ電阻到地，以實(shí)現(xiàn)簡單的電平匹配，以符合串口傳輸要求。

　　1.3 GPRS模塊與SIM卡接口設(shè)計(jì)

　　GPRS的使用需要依托手機(jī)SIM卡作為物理介質(zhì)進(jìn)行信號傳輸，目前SIM卡接口底座型號較多，本系統(tǒng)采用塑料材質(zhì)的貼片封裝的底座，在節(jié)約成本的條件下，可保證信號的穩(wěn)定性。為保證SIM卡不受靜電損壞，在DATA與CLK端接入ESD防護(hù)芯片。模塊與SIM卡接口如圖4所示。

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　通過STM32F207VCT6的串口輸出AT指令來控制SIM800C模塊的相應(yīng)動(dòng)作，將模塊設(shè)置為透傳模式，這樣經(jīng)過單片機(jī)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)在模塊連接TCP成功之后可發(fā)送至模塊的串口上，模塊自動(dòng)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)端，極大地方便了軟件設(shè)計(jì)，更有利于控制軟件流程。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示，在模塊進(jìn)行TCP連接后，若連接不成功則重新進(jìn)行連接;若連接成功，則發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端，同時(shí)開啟串口中斷接收模塊的返回值，并判斷返回值是數(shù)據(jù)還是命令。若為數(shù)據(jù)則啟用接收;若為命令則根據(jù)命令號結(jié)合相應(yīng)結(jié)構(gòu)體處理命令。