基于GSM的嵌入式控制器

吴维健 刘继伟

摘要：论文设计了一种基于GSM的嵌入式控制器，其采用物联网MQTT协议，具有稳定性高、设计简单等优点，能够完成不同距离设备间的数据通讯与信息共享。此外，控制器还具备NPN型24V数字量输入输出功能，其能够以1MHz的速率输出高达27A的电流，具有极强的驱动能力。现场验证表明，该控制器运行稳定可靠，具有较强的实用价值。

关键词：GSM，嵌入式系统，MQTT，通讯。

一、引言

随着“中国制造2025”战略的持续推进，传统制造业面临着向智能制造转型升级的历史路口。自动化与信息化的深入融合促使制造效率飞速提升，产品、设备的安全性、可靠性也得到了极大保证。

实现厂房内不同设备、不同厂房间设备、不同地区厂房间设备的数据共享，是实现智能制造的基础与前提。大量专家学者对此进行了深入研究，并提出了多种行之有效的解决方案，例如何金凤等研究了一种基于STM8单片机设计的具有远程控制功能的电锅炉控制器，通过GSM无线通信模块实现对电锅炉控制器的数据接收和远程控制，该控制器具有监测水温、监测加热管炉壁温度、4个时段定时、控制循环泵、超温报警、故障报警等功能。[1]何金枝等设计了一种基于单片机的GSM远程温度控制器，其实现了对远程温度的实时监测和控制，该系统具有体积小、成本低、可靠性高等特點。[2]周光彬等设计了一种基于GSM短信息的智能控制器，其实现了设备的远端控制。[3]然而，目前很多远程控制系统数据的传输都是基于TCP或UDP的开环传输方式，一旦遇到传输错误或通讯故障，系统无法自行修复，因此这类系统往往需要编写复杂的数据校验程序，以保证传输的准确性。

本文提出了一种基于GSM的嵌入式控制器，其以目前广泛应用的MQTT协议为基础完成数据的传输与信息的共享，其具有不同的传输安全等级，能够自动修复通讯问题。本文设计的基于GSM的嵌入式控制器，能够极大简化数据校验的过程，并具有较高的安全性和可靠性，适用于多种工业通讯场合。

二、MQTT协议

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议既遥信消息队列传输，是IBM公司于1999年提出的。MQTT是一个基于TCP的发布订阅协议，是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备的通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性[4]：

1、使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合;

2、对负载内容屏蔽的消息进行传输;

3、使用TCP/IP提供网络连接;

4、有三种消息发布服务质量：“至多一次”，消息的发布完全依赖底层 TCP/IP 网络会发生消息丢失或重复;“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生;“只有一次”，确保消息到达一次;

5、小型传输，开销很小，协议交换最小化，以降低网络流量;

6、使用Last Will和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

在MQTT协议中，一个MQTT数据包由固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）、消息体（payload）三部分构成，其中：

（1）固定头（Fixed header）。存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识;

（2）可变头（Variable header）。存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容;

（3）消息体（Payload）。存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容。

三、基于GSM的嵌入式控制器

本文设计的基于GSM的嵌入式控制器是以意法半导体公司的STM32F446RE为核心的控制器，其具有Cortex-M4内核，最高主频可达到180MHz。

嵌入式控制器主要包括以下子系统：

（1）电源子系统。电源子系统主要为STM32F446RE及其他设备提供电源，其能够将输入的24V电源转化为5V电源，并具有隔离功能，能够有效隔绝外界的电磁干扰;

（2）485通讯子系统。485接口是工业中常见的通讯接口，其应用及其广泛，且可靠性高、传输距离远。本文采用广州金升阳科技有限公司的485通讯隔离模块，其集电源隔离、信号隔离、RS485 通信和总线保护于一体，传输速率可达500Kbp;

（3）数字量输入子系统。该子系统能够提供工业常见的NPN型24V数字量输入，并采用高速光耦进行隔离;

（4）数字量输出子系统。该子系统能够提供工业常见的PNP型24V数字量输出，输出速率达到1MHz，采用Mosfet作为驱动系统，最大驱动电流高达27A，可以直接驱动绝大部分常见的外设;

（5）GSM通讯子系统。GSM通讯子系统以esim卡为核心，采用上海合宙通信科技有限公司的2G通讯模块，实现高速、稳定的GSM通讯传输。

论文设计的基于GSM的嵌入式控制器PCB电路设计图如图1所示：

系统的实物图如图2所示：

四、结论

本文设计了一种基于GSM的嵌入式控制器，其基于MQTT协议，具有稳定性高、功耗小、程序设计简单、功能强的特点，其能够广泛应用于工业设备的数据传输与信息共享中。此外，本文设计的控制器还带有数字量输入输出功能，并具有较大的驱动电流。该控制器在单回路控制中可以替代小型PLC，从而极大降低了设备成本。根据现场测试表明，该控制器运行稳定、可靠，能够满足用户需求。

参考文献：

[1] 何金凤.基于GSM远程控制的电锅炉控制器的设计.基于单片机的GSM远程温度控制器设计，2017，15（04），26-29+91

[2] 何金枝，毛海燕，周国运.基于单片机的GSM远程温度控制器设计.制造业自动化，2012，11：128-134

[3] 周光彬，曾孝平.GSM短信息智能控制器的设计与实现.微计算机信息，2007，23： 24-25+37

[4] Home Assistant Community. MQTT.home-assistant.io. Home Assistant Community. August 7， 2015