一种基于GPRS与485总线的无线采集器的设计

于镭+崔宪伟

摘 要：针对传统大棚环境检测仪器存在的不足，文中结合大棚实时监测的客观要求，提出了一种基于GPRS网络和485总线的无线采集器设计方案。该采集器以微处理器STM32和SIM800A为核心，完成了采集器的硬件设计。无线采集器下行通过485总线与传感器进行通信，上行通过GPRS与OneNet平台通信。实验测试结果表明，该采集器工作稳定，容易搭建，成本低，可以实现大棚环境的远程实时在线监测，满足用户需求。

关键词：STM32；GPRS；485总线；OneNet

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）06-00-03

0 引 言

长期以来，用户对大棚数据的采集主要通过人工方式进行，不仅浪费了大量人力，还存在采集不及时，误读等不足，无法满足用户对大棚环境的及时监测要求。如今，实时准确的对大棚环境进行检测，对大棚环境的优化控制与提高作物的产能具有重要意义。

本文所设计的采集器是采集系统的核心部件，利用485总线与传感器通信，实时读取传感器数据，并通过GPRS将数据传送至OneNet云平台。使得用户能够通过手机App或登录网页及时准确地了解大棚的环境情况，既节约了人力，又提高了采集的准确性与实时性，大大减少了搭建和检测成本。

1 总体方案

采集器由RS 485采集模块、电源模块、液晶屏模块及GPRS无线通讯模块组成，系统框图如图1所示。首先采集器采用Modbus协议通过RS 485总线与传感器进行通讯，采集数据，再由STM32进行数据处理；数据经处理后由液晶屏显示并经GPRS模块SIM800A将数据传送至云平台。终端用户通过网络访问、查询需要的数据。

2 采集器的硬件设计

采集器采用ST公司Cortex-M3内核的32位增强型微控STM32F103RCT6作为控制核心，此芯片专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计。Cortex-M3内核支持Thumb指令集，具有很高的指令效率。STM32单片机具有很多高性能外设。内置64 KBSRAM、512 KB Flash，不仅具有丰富的通信接口I2C，USART、CAN、USB以及以太网等，还具有12位的DAC模块及DMA控制器。尤其适合高速、大容量的分布式采集系统。以本文的STM32F103RC为例，其具有3个12位的ADC、12位DMA控制器，4个定时器，5个USART、1个USB、1个CAN、2个I2C、2个I2S和3个SPI。STM32F103RC的工作频率为72 MHz。STM32微控制器的性能高，且价格比32位的ARM处理器和DSP低，完全满足无线采集器的设计要求。

2.1 RS 485通讯模块设计

RS 485通信方式具有結构简单，技术成熟，价格低廉，传输距离远等优点，广泛应用于工业现场。RS 485总线采用平衡发送和差动接收方式进行通信，同时使用主带多从的通信方式，最多可接256个设备，适合一主机多从机的使用场合，因其具有传输距离远，传输速率高等优点而被广泛使用。此次使用的传感器集成了RS 485通信协议。采集器采用Modbus协议与RS 485通信方式进行传感器数据的采集。该采集器的RS 485接口电路主要由低功耗单双工RS 485收发器MAX485组成，符合RS 485串行协议的电气规范，数据传输速率可达10 Mb/s。此芯片可使STM32通过USART串口方便接入RS 485串口总线。设计电路图如图2所示。其中，485RXD3和485TXD3分别对应STM32单片机USART1的发送和接收，485DE控制RS 485数据通讯的传输方向。

2.2 通讯模块

采集器的通讯模块采用SIM800A GPRS模块，该模块是一款两频GSM/GPRS模块， SMT封装，性能稳定，外观小巧，性价比高。SIM800A的工作频率为GSM/GPRS 900/1 800 MHz，可低功耗实现语音、SMS和数据信息的传输。SIM800A的尺寸为24 mm×24 mm×3 mm，适用于各种紧凑型产品的设计需求。模块有AT指令集接口，支持文本和PDU模式的短信与嵌入式TCP/UDP协议。SIM800A串口传输速率的范围为1 200～115 200 b/s。模块主要由GSM基带、存储器、GSM射频、天线接口等组成。

SIM800A电路图如图3所示。

3 软件设计

无线采集主要有STM32对下行485设备数据的采集和对采集的数据进行处理并上传云平台。

软件总流程如图4所示。

STM32通过SIM800A将处理后的数据通过GPRS 网络传输到云平台，上位机PC和手机可以随时随地远程监控大棚。通信前需要将SIM800A进行软硬件初始化，之后STM32轮询下发采集传感器的数据，当遇到采集超时或者帧错误时做相应的处理，按照云平台的设计将采集、处理后的数据上传，循环执行上述步骤。

3.1 Modbus通信协议和程序设计

RS 485总线只定义了网络的物理层，本文采用工业中广泛使用的Modbus协议进行STM32与各传感器通信。Modbus协议按照主—从方式进行网络通信，即只有一个主设备，其他设备根据主设备的指令做出相应的回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式，即设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。本文采用单独与每个从设备通信的方式。Modbus有两种数据传输方式（ASCII与RTU），本文中，STM32和传感器采用RTU传输方式。

信息地址包括2个字符（ASCII）或8位（RTU），有效的从机设备地址范围为0～247（十进制），各从机设备的寻址范围为1～247。主机把从机地址放入信息帧的地址区，并向从机寻址。从机响应时，把自己的地址放入响应信息的地址区，让主机识别已作出响应的从机地址。设置传感器的地址和串口ModbusRTU的通信格式就可以接收STM32的询问指令，并返回响应。本文中，STM32采用对各传感器轮询的方式进行数据指令采集，各传感器判断地址是否与自己的地址相同，若相同则返回响应，若不相同则不做处理。当STM32遇到采集超时或者帧错误时应做相应的处理，接收应答，比较校验码，若正确则执行信息解析，否则重发查询信息。ModbusRTU帧格式见表1所列。

3.2 GPRS通信程序设计

GPRS网络是实现现场终端与云平台进行数据交换的桥梁。采集器开机后，STM32对SIM800A进行GPRS初始化，其发送指令如下：

Sim800a_send_cmd（"AT"，"OK"，300）；

sim800a_send_cmd（"AT+CGCLASS=＼"B＼""，"OK、"，300）；

sim800a_send_cmd（"AT+CGDCONT=1，＼"IP＼"，＼"CMNET＼""，"OK"，3000）；

sim800a_send_cmd（"AT+CGATT=1"，"OK"，300）；

sim800a_send_cmd（"AT+CIPCSGP=1，＼"CMNET＼""，"OK"，300）；

sim800a_send_cmd（"AT+CLPORT=＼"TCP＼"，＼"2000＼""，"OK"，300）；

sim800a_send_cmd（"AT+CIPMODE=1"，"OK"，300）；

sim800a_send_cmd（""AT+CIPSTART=＼"TCP＼"，＼"183.230.40.39＼"，＼"876＼""，"CONNECT”，500"）；//与平台建立TCP连接

采集器与OneNet云平台建立连接后，通过EDP协议方式将采集的数据上发OneNet云平台。上传温度和湿度需发送如下主要指令：

EdpPacket *send_pkg； send_pkg = PacketConnect1（（const int8_t *）"设备ID" （const int8_t *）"设备鉴定"）；

GPRS初始化结束后，就实现了采集器与OneNet平台建立ModbusTCP连接。

GPRS与OneNet平台之间的通信方式为Modbus协议。OneNet支持的Modbus协议基于TCP连接，即Modbus over TCP，OneNet作为主机，将数据封装在TCP数据中进行数据收发，利用DTU的简单透传能力，可实现总线设备与平台的Modbus协议通信，广泛应用到使用Modbus协议的多种行业中。具有如下功能特点：

（1）长连接协议。

（2）OneNet平台作为Modbus主机，周期性下发主机命令。

（3）通过单条数据流的属性确定单条下发命令的内容及下发周期。

（4）自动将终端上报的数据转化为数据流中的数据点。

（5）可预先设置处理公式，对数据进行初步处理。

采集器与OneNet平台保持长连接，一方面将OneNet下发的网络数据转化为总线形式数据，发送至总线，另一方面可将总线设备回复的总线数据转化为网络数据发送至平台，完成平台对整个总线设备的数据采集及控制。采集器与OneNet平台设备进行连接，以产品ID和建立设备时输入的号码、密码为参数，按以下顺序序列化报文，发送至平台，建立设备连接。设备连接格式见表2所列。

4 系统测试

该采集器进行远程监测实验，OneNet平台的界面如图5所示。图5分别展示了一周时间内温度、光照、二氧化碳浓度、温度的检测数据。从远程设备访问OneNet平台，发现检测数据与现场数字485传感器的检测结果相同，且监测稳定，实时性好，数据较传统现场检测设备的准确性高，满足了用户的远程实时监测需求。

5 结 语

本文提出了一种无线采集器设计方法，充分利用STM32丰富的通信接口和高速处理能力，实现485串口转GPRS无线，并且通过免费的OneNet平台能够很好地查询采集到的数据，降低了开发和使用成本，可以适应跨区域、远距离的设备监测，有较高的应用价值。

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