基于GSM的水电表采集器

基于 GSM 远程通讯网关采集器设计【摘要】为了使家居生活变得更加方便轻松，为了满足现代工业现场或学校等大型场所对控制设备的集成化、小型化的要求，本文设计一款以 STM32F103VE 为主控芯片基于 GSM 远程通讯的无线网关。该无线网关将智能水电表采集回来的数据进行处理和协议转换，再通过 GSM模块的 GPRS 无线传输技术将数据发送到远端监控中心。无线网关、数据采集终端主要实现485 总线数据的收发和 GPRS 无线传输；远端监控中心主要通过 PC 机连接到 Internet 网络，进行数据的接收、监控分析和保存。该方案解决了人们对大型场所控制设备实时数据的监控、采集以及异常报警等问题。经过实验测试，该网关具备轻巧、控制精准、数据吞吐量大、速度快等特点。非常适合工厂、学校等场所使用。 （摘要内容不用加粗）【关键词】STM32F103VE；GSM；GPRS 无线传输；485 总线1.绪论1.1 引言GPRS 是在 GSM 基础上发展而来的数据传输网络， 与无线集群方式相比，GPRS 的数据传输充分利用了公共移动通信网络和互联网，不需要为监测设备而专门改造已有的运行环境，省去了建设无线专网的成本。其按流量计费的方式也更为经济，更适合频繁突发的小流量数据传输。同时，GPRS 网络具有覆盖范围广、数据传输快、实时性好、通信质量高、持续在线和费用低等优点，并可直接与Internet 互通，能很好地满足工业控制的需要。目前，基于 GPRS 网络的数据传输在许多领域得到了较好的应用，特别是在工作环境恶劣、 地理位置偏僻、无人值守场所等领域。本文实现的系统以 GPRS 网络为基本数据通道，在每个需要数据采集的分散业务单元安装远程测控终端。同时在控制中心通过配有 GPRS 无线通讯模块管理的计算机，进行各种设备的远程数据采集，采集的数据自动进人控制中心实现远程控制，方便快捷。正文内容，首行缩进 2 字符，五号、宋体/Times New Roman、行距固定值 20 磅以下类似修改1.2 选题背景及意义随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展，以及人们对物质生活水平的不断提高，人们的工作、生活与通讯、信息的关系日益密切，智能控制设备越来越多，如智能水表、智能电表等。这些设备在大型工厂、学校安装数量多、位置复杂，给人们的后期管理带来诸多麻烦。人们越来越注重方便、快捷的集成化管理。如何将这些设备结合成为一个有机的整体，解决分散控制带来的麻烦，对他们进行统一的管理和控制，是人们一直追求的，也是智能时代未来的发展方向。近年来越来越多的设备需要进行远程数据传输，而现有的有线传输不能满足人们的需求。无线传输以方便快捷和廉价的特点弥补了有线传输的不足。通用分组无线技术 GPRS（General Packet Radio Service）是现有 GSM 系统上发展出来的一种新的承载业务。GPRS 允许用户在端到端和端到中心分组转移模式下发送和接收数据，从而提供一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的频繁的数据传输。目前在控制领域实现 485-RS232 的技术已相当成熟，产品也比较多，许多智能设备都有 485 通讯接口，在通讯领域随着 GSM 网络覆盖范围的广阔化、无缝化，以及手机的日益普及为基于 GSM 网络的智能系统提供了巨大的应用空间，GPRS 无线收发设备也日益成熟。但直接将 485 与 GPRS 融合到一起，开发出一种嵌入式无线网关尚无定性产品，所以开发出混合网络的无线网关势在必行。本文采用移远公司的 Quectel_M35 为 GSM 模块设计远程无线通讯网关。通关单片机串口对 GSM 模块发送 AT 指令实现数据无线传输。采用 GPRS 无线传输数据时不用使用传统的工业路由器，节省生产成本。2.系统设计2.1 产品需求分析本设计中的网关采用 GPRS 方式通过 Internet 与服务器之间进行数据传输，与数据采集器之间采用单总线方式通讯，支持点对点传输、一点对多点（32 台设备）传输，采用单总线型传输距离为1000m，自由拓扑 500m。根据 GSM 远程通讯网关的定位和运用上的需求，本产品特点如下： 数据传输距离远，能够接收到手机信号的地方均能实现数据传输； 无线通讯方式，弥补有线通讯方式上的不足，减少布线； 能够一对多，即一台网关可以与多台数据采集器通信； 产品体积小，方便安装； 数据传输性能稳定，功耗低。2.2 远程通讯网关的总体设计网关采用两路 RS485 总线接口与终端数据采集器通讯？（为啥需要两路，简要说明） ，对于采集回来的数据经过主控 STM32F103VE 单片机的打包处理、协议转换后，主控通过串口发送 AT 指令控制 GSM模块采用 GPRS 无线传输技术将这些数据上传到 Internet 网络指定的 IP 地址和端口，远端的监控中心通过 PC 机连接到 Internet 网络进行获取数据，然后对这些数据分类处理、监控分析、异常报警等处理。最终以表格统计、走势图、柱状图等多种形式展示在人们面前。图号 图名 有图的地方都得标明，同时文中要有引用，比如 如图 1 所示等最终本网关实现以下功能： 采集电表数据。遵循（中华人民共和国电力行业标准 DL/T6452007）的协议；主要采集的数据有：电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、正反向有功总电能、四个限无功总电能、7 个运行状态字。 采集水表数据。参照（CJ/T188-2004 中华人民共和国城镇建设行业标准）的协议；主要采集的数据有：当前的累计流量、运行状态字。 与服务器对时。跟服务器同步时间，避免时间不一致的情况。 上传数据到服务器。定时上传数据给服务器。 从服务器配置信息。可以从服务器下发配置信息，可以配置：水表 ID、电表 ID、数据上报的间隔时间。3.硬件设计本设计中的硬件总体分为五个部分：主控部分、GSM/GPRS 部分、RS485 部分、以太网部分、电源部分。这些不同模块之间的关系如图：图 3-1 系统硬件结构图3.1 主控部分STM32 系列控制器是 ST（意法）公司推出的高性能、低成本、低功耗 ARM 控制器，它是基于 ARM公司设计的 Cortex-M3 内核而设计，分为 STM32F101 基本型、STM32F103 增强型系列和 STM32F107 互联网型三种系列。由于采用高性能、低功耗和高效实时性上午 Cortex-M3 内核，且采用 Thumb-2 指令集，使得 STM32 具有更高的指令效率和更强的性能，此外通过使用紧耦合的嵌套向量中断控制器（NVIC）使中断响应速度大大提高。本设计中的主控芯片选用 STM32F103VE 型号，该款单片机是意法半导体公司 STM32 系列控制器中的高端产品。具有 72MHz 工作频率，512K 闪存和 64KRAM，保证了这款设备的高速稳定运行。网关的调试、两路 RS485、GSM/GPRS 各占用一个 USART，而该款单片机具有多达 5 个 USART，满足该款设备的需求。另外，STM32F103VE 提供了更多的外设，如 TF 卡所用到的 SDIO接口，以及 NAND Flash 和网卡 DM9000 用到 FMSC 接口等。表 3-1 STM32F103VE 器件功能和配置闪存（K 字节） 512SRAM（K 字节） 64FSMC（静态储存器控制器） 有通用 4 个（TIM2、TIM3、TIM4、TIM5）高级控制 2 个（TIM1、TIM8）定时器基本 2 个（TIM6、TIM7）SPI 3 个（SPI1、SPI2、SPI3）I2C 2 个（I 2C1、I 2C2）USART 5 个（USART1、USART2、USART3、USART4、USART5）USB 1 个（USB2.0 全速）CAN 1 个（2.0B 主动）通信接口SWDIO 1 个USART3USART2FSMCUSART4USART1FSMCSDIO主控模块STM32F103VETF 卡NAND Flash串口下载调试GSM/GPRS以太网RS485-1RS485-2GPIO 端口 51 个12 位 ADC 模块 （通道数） 3（16）12 位 DAC 转换器（通道数） 2（2）CPU 频率 72MHz工作电压 2.03.6V工作温度 环境温度：-40+85结温度：-40+125封装形式 LQFP100表名须在表格的上面3.1.1 FSMC（可配置的静态储存器控制器）STM32F103VE 增强型系列集成了 FSMC 模块。它具有 4 个片选输出，支持 PC 卡/CF 卡、SRAM、PSRAM、NOR 和 NAND。功能介绍： 三个 FSMC 中断源，经过逻辑或连接到 NVIC 单元； 写入 FIFO； 代码可以在除 NAND 闪存和 PC 卡外的片外储存器运行； 目标频率 fCLK为 HCLK/2，即当系统时钟为 72MHz 时，外部访问是基于 36MHz 时钟；系统时钟为 48MHz 时，外部访问是基于 24MHz 时钟。主控部分除了基本的复位电路、8MHz 的晶振电路以外，我们用 TF 卡对单片机的存储空间进行扩展，同时使用 NAND Flash 对闪存进行扩展。运用单片机的 4 路 ADC 来检测当前版本号，为后续设备版本的更新做准备。运用三种不同颜色的 LED 灯来指示网络的运行状态。网关的 NAND Flash 和 DM9000都用到 FSMC 的片选，因此我们采用地址译码器进行处理。图 3-2 地址译码器电路3.1.2 主控外围电路（1）复位电路本设计中的复位电路采用上电复位方式，无手动复位，电路图如下：图 3-3 上电复位电路复位电路是 ARM 最小系统必不可少的一部分，图中 R119 和 C112 构成上电复位电路，系统瞬间，由于电容 C112 两端电压不能突变，则 NRST 由低电平逐渐上升为高电平，产生复位信号。（2）振荡电路ARM 的振荡电路分为系统主时钟振荡电路和低频振荡电路。主时钟产生 8M 振荡信号，补偿电容C114、C115 采用 20pF，低频时钟产生 32.768K 振荡信号供 RTC（系统实时时钟）使用，补偿电容采用10pF。图 3-4 晶体振荡电路（3）串口电平转换/下载电路RS-232 是美国电子工业协会 EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS-232 是用正负电压来表示逻辑状态，与 TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端 TTL 元件连接，必须进行电平和逻辑关系的变换。本系统中采用 SP232 芯片实现将 RS232 电平转换成 TTL 电平。图 3-5 RS-232 电平转换电路一般的 9 针串口接口只使用其中的 3 引脚，即：第 2 脚 RS232-TX、第 3 脚 RS232-RX、第 5 脚GND，本设计中除了这 3 根固定引脚外，其他引脚用电阻隔开重新定义，从而实现主控芯片串口自动下载，SWDIO 方式下载、单片机 I/O 口运行状态的测试。（4）TF 卡数据吞吐量大是本设备的一大特点，然而大量的数据需要足够的空间进行存储。针对于此，设计中我们在主控芯片的外围电路中加入 TF 卡部分，实现对数据的有效存储、读写等等。TF 卡与主控芯片的 SDIO 外设接口进行连接，对每个数据接口用 4.7K 电阻上拉。图 3-6 TF 卡电路（5）其他本设备中未使用 AD 采集功能，所以不需要基准电压，STM32 的 VREF+引脚跟电源脚相连接入3.3V。VBAT 脚接入纽扣电池，BOOT0、BOOT1 通过 10K 电阻接地。3.2 数据储存 Nand Flash 模块设计网关设计中需要考虑的一个问题是：作为主机的网关需要同时与多个从机（如数据采集器）进行通讯，系统需要处理的数据量会比较大。然而一般的主控芯片内部 MEMORY 都是比较小的，本设计中采用的 STM32F103VE 单片机也是如此。因此在设计中对单片机的添加 Flash 进行储存数据。目前市面的Flash 分为串行和并行两种。采用串行方式的 Flash 储存器具有通讯线路简单、成本低、占用 I/O 口少等特点，但由于数据是按照一位一位的进行顺序传输，所以传输速度不快。采用并行方式的 Flash储存器传输速度快，但由于数据是并行传输的，要占用单片机的 I/O 口资源较多。综合本设计考虑，为了达到数据的高速传输，我们采用一款 128M 的并行 Flash 芯片 NAND FLASH 作为系统主控芯片的外部储存器。系统选用的 STM32F103VE 单片机内部具有专用的 FSMC（可配置的静态储存器控制器）模块可供使用。图 3-7 NAND FLSH 电路通过对相应的特殊功能寄存器进行配置，FMSC 可以根据不同类型的外部储存器，发出相对应的匹配其信号速度的数据、地址和控制信号，以使得主控芯片能够适应各种类型的外部静态储存器，而且还可以在不断增加外部设备的前提下对多种类型的静态储存器同时进行扩展。FSMC 所兼容的静态储存器和存取方式较为广泛，而且能够同时对多个储存器进行操作。FSMC 中的代码在外部储存器中还能够直接使用。3.3 GSM/GPRS 部分网关的 GSM/GPRS 采用移远公司 Quectel_M35 模块进行设计。M35 模块具有诸多优点：体积小，容易嵌入网关设备中；低功耗，M35 模块采用了省电技术，电流功耗在省电模式 DRX = 5 下，低至1.3mA；运用简单，通过单片机的串口对 M35 模块发送 AT 指令即可完成短信的发送、GPRS 等功能；兼容性强，M35 内嵌 TCP、UDP、FTP、PPP 等协议，已内嵌的扩展 AT 命令可以使用户更容易地使用这些互联网协议。M35 采用 4V 供电，具有 SIM 卡接口，GPRS 数据上行传输：最大 85.6kbps；下行传输：最大85.6kbps。网关主要运用 M35 模块的 GPRS 功能，模块的其他未使用功能引脚悬空，如：差分音频输入、输出，载波检测等。M35 模块设计包括以下几个部分：3.3.1 串口连接M35 与单片机之间串口通讯采用三线制的串口连接方式：图 3-8 串口接线方式串口的特点：8 个数据位，无奇偶校验，一个停止位。模块默认设置为自适应波特率，自适应波特率同步之后，发送字符串命令“AT” ，模块会回复“OK” 。3.3.2 PWRKEY 管脚开机VBAT 上电后，PWRKEY 管脚可以启动模块，并且是低电平开机，在 STATUS 管脚输出高电平之后开机成功，PWRKEY 管脚可以释放。通过检测 STATUS 管脚电平来判别模块是否开机。图 3-9 GSM 开机电路3.3.3 睡眠唤醒模块可通过 AT 指令进入睡眠模式，睡眠模式下 M35 模块仍然可以接受 GPRS 下行数据，但是串口不可以访问，所以当使用时需要对该模块进行唤醒。DTR 管脚拉低可以唤醒模块，将该管脚接入单片机，需要启用模块是 DTR 管脚拉低 20ms。3.3.4 SIM 卡接口SIM 卡接口支持 GSM Phase1 规范的功能，同时也支持 GSM Phase 2+规范的功能和 FAST 64kbps SIM 卡。SIM 卡通过模块内部供电，在 SIM 卡接口的电路设计中，为了确保 SIM 卡的良好功能性能和不被破坏，对 SIM_CLK、SIM_DATA、SIM_RST 进行 ESD 保护，同时在模块和 SIM 卡之间串联 22 欧姆的电0RM35TXDRXDGNDRTSSTM32TXDRXDGND阻用以抑制杂散 EMI，增强 ESD 保护。名称 管脚号 作用SIM_VDD 27 SIM 卡供电电源。自动侦测 SIM 卡工作电压。精度3.0V10%和 1.8V10%。最大供电电流 10mA。SIM_RST 28 SIM 卡复位脚SIM_DATA 29 SIM 卡数据线SIM_CLK 30 SIM 卡时钟线SIM_GND 31 SIM 卡地脚表 3-2 SIM 卡接口管脚定义图 3-10 6Pin SIM 卡座电路3.3.5 天线接口M35 提供了一个 RF 天线焊盘作为天线连接接口。连接到模块 RF 天线焊盘的 RF 走线必须使用微带走线或者其他类型的 RF 走线，阻抗必须控制在 50 欧姆左右。为了获得更好的射频性能，RF 输入端口两侧各有接地焊盘。为了最小化 RF 走线或者 RF 线缆上的损耗，设计时需谨慎。满足以下条件： GSM850/EGSM9001dB； DCS1800/PCS19001.5dB；频率 传导功率最大 传导功率最小 接收灵敏度 接收频率 发射频率GSM850 33dBm2dB 5dBm5dB -108.5dBm 869894MHz 824849MHzEGSM900 33dBm2dB 5dBm5dB -108.5dBm 925960MHz 880915MHzDCS1800 30dBm2dB 0dBm5dB -108.5dBm 18051880MHz 17101785MHzPCS1900 30dBm2dB 0dBm5dB -108.5dBm 19301990MHz 18501910MHz表 3-3 RF 相关参数3.4 RS485 部分网关与数据采集器之间采用 RS-485 总线通讯。RS485 通讯距离远，最大可达 1200 米；支持节点数量多，一般可达 32 个，特制 RS485 可达 128 或者 256 个！接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。RS485 接口组成的半双工网络，两线制多采用屏蔽双绞线传输。这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接 32 个节点。在 RS485 通信网络中采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。本设计为啥需要两路 RS485，能否简要说明，一路挂总线不就可以了？在远距离数据传输过程中，信号很容易受到个方面的干扰，比如：附近有大的动力设备运行甚至频繁启动，传输过程中自身产生的共模干扰、差模干扰等。工作过程中，当一个挂载的从机设备出现故障很容易影响到主机网关甚至烧毁。因此，在设网关计中对 RS485 部分进行电源隔离与信号隔离。电源隔离采用 DC-DC 电源隔离器将 RS485 部分供电与其他部分隔离开来，单独供电。信号隔离采用6N137 高速光耦，该款光耦转换速率达到 10MBit/S，保证设备之间数据的高速传输。在每一路 RS-485的发送、接收端与单片机的串口 RXD、TXD 之间都加上 6N137 光耦。为保证设备的安全稳定运行，在网关的 RS485 接口处 A、B 端加有 PSM712 防雷防静电二极管。图 3-11 光耦隔离的 RS485 电路3.5 电源部分本系统采用直流 12V 电源适配器作为电源输入，具体电源方案如下图：图 3-12 系统电源供给方案所有图按顺序编号 在 GSM/GPRS