基于STM32无线信息采集系统设计

舒泰歌 游乾乾 李慕凡 王瀚泽 张艺鼎

摘 要：随着信息技术的发展，信息化管理和培育手段逐渐向各种应用场景深入，其中实时现场信息的获取是信息化管理的基础。文章分析信息采集和远程技术，设计STM32+GPRS的传输模块，以功能需求和组网成本为约束目标，研究信息采集终端的设计方法及各模块的功能定位与技术要求形成针对不同应用场景可灵活配置的信息采集网络解决方案。

关键词：数据采集;环境监测;STM32;GPRS

1 绪论

随着数字电子技术的飞速发展，高精度多通道的数据采集系统已经在测量测控领域占据了主要地位，而且被广泛应用于工业、民生和军事等各个领域。测量项目主要为电压和电流、温湿度与功率功耗等，以便后期用于数据的分析、系统的改善等[1]。现阶段无线信息采集系统很多，但可操作性强和布置灵活的模块很少。针对传统采集系统存在的成本高和采集效率低等问题，提出了一种基于STM32模块化信息采集终端。[2-3]

2 系统功能需求

该系统可兼容市面上大多数的传感器，且能够实现实时的无线远距离双向通信、模拟信号和数字信号的采集、数据处理和远程监测控制的功能，在比较恶劣的环境下具备信息的采集、处理、发送的能力。综上所述，本系统应具备如下功能：（1）终端信息采集和数据处理功能;（2）终端与上位机的远距离无线双向通信功能;（3）终端有丰富的传感器接口;（4）终端具有一定的实时性、高可靠性、易维护性;（5）上位机具有数据接收、处理、存储、显示和发送等功能。

3 无线信息采集系统设计

3.1 系统总体设计方案

由于目前可支持的远程无线传输方案有GPRS、3G、4G等，而采集现场往往建立在偏远地区，GPRS相比与3G、4G有更好的网络覆盖率[4]，其85.6kbps最大传输速率能完全满足数据传输的要求，因此本系统采用GPRS作为远程无线通信方案，由无线信息采集终端、服务器和用户端组成，可根据工作现场设定不同工作方式，对现场的传感器收集的信号参数进行采样，将处理的数据通过GPRS网络传输到上位机终端，上位机将接收到的数据储存并对其进行分析归类。

3.2 无線信息采集终端设计

无线信息采集终端采用分布式全局精确时钟同步状态追踪技术，分为采集模块、电源管理系统、通信模块三个独立模块，电路主要包括传感器组、嵌入式微控制器，A/D转换模块、电源控制电路、GPRS模块和信号增益器。

（1）采集模块。为兼容市面上大多数的传感器，采集模块采用IIC和双线串行通信协议，支持多通道高精度A/D转换，根据采集环境需求和采集信息种类，分为下列支持热插拔的传感器模块。温度采集模块：内置DS18B20，防护等级为IP65，适合于特殊环境下液体、固体的温度测量。浓度检测模块使用具有良好的动态性能MQ-3探头。位移测量模块使用拉绳式位移，重复误差小，双线路输出至MCU。PH测量模块，测量精度为0.01PH，支持温度补偿，可直接输出0～5V或0～3V的模拟电压信号，高精度A/D转换后读取。压力测量模块，内置高精度的24-bits A/D芯片，保证数据的准确性;液位感应模块采用反射式光感，其头部的光源精度优于浮子式表位开关，抗干扰能力强，响应时间<500ms。

（2）电源管理系统。为保证MCU、传感器组以及GPRS模块在远距离环境下的稳定工作，采用能量容比高的Li-SOCL2电池，配合有低功耗控制电路和电源保护电路，将+12V通过电源电路二次稳压输出+3.3V和+5V，给各个模块供电，保证无线信息采集终端的长时间运行。

（3）通信模块。为保证信息传输实时性，内置高速RTC时钟，且定时通过高精度NTP校准采集时间。通信模块建立通信流程如图3.所示。设定GPRS连接方式并启动GPRS连接，查询当前连接状态，若GPRS连接状态异常，启动异常报警，提醒工作人员进行修复;若GPRS连接状态正常，通过RS232接收到MCU的指令后，获取目标IP地址，建立TCP通信线程，并将采集的数据信息通过GPRS无线网络传输到服务器。

GPRS通信方式为单链路方式;字符格式：协议头1位、地址位1位、数据位8位、时钟位4位、校验位1位、消息尾1位，消息格式如下表所示。

3.3 服务器模块和用户端设计

为保证数据安全和服务器运行稳定，服务器采用非阻塞式设计思想，基于NodeJS的koa2框架设计，分离信息采集终端的操作模块和用户数据操作模块。服务器模块工作流程如图4所示，服务初始化后，服务器向采集终端发送TCP报文，等待采集终端握手。若握手成功，开启接收端口，指示终端开启数据传输。接收完毕后，继续监听端口，等待下一块数据发送，服务器接收数据后进行校验分析，后储存在数据库中，最后提取数据生成分析报告并展示给用户。

用户端采用Html+CSS+jQuery动态页面设计，通过TLS/SSL协议加密请求，能够实现与服务器的快速交互，用户可通过移动互联网设备远程连接信息采集终端对环境实施在线监测。

4 结论

针对不同场景的可灵活配置和组网成本的要求，设计了包括了无线信息采集终端，服务器模块和用户端的无线信息采集系统。经过一系列的调整测试，各个指标均达到预期，系统可靠便携，操作简便，能够实现远距离无线信息采集的功能。

参考文献：

[1]赵国.基于ARM和FPGA的多功能数据采集系统的研究[D].成都电子科技大学，2014.

[2]范君健，吴国东，王志军，等.基于FPGA+STM32的多通道数据采集系统设计[J].兵器装备工程学报，2017.38（12）：281-286.

[3]韩宾，易志强，江虹，等.一种高精度多通道实时数据采集系统设计[J].仪表技术与传感器，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.工业现场传感器网络的多终端远程监测系统的设计与研究[D].成都电子科技大学，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.

项目：天津市级大学生创新创业计划（ 201910059134）