根據SIM300C的遠程數據采集傳輸終端設計策略

概述

????? 農業具有對象多樣、地域廣闊、偏僻分散、通信條件落后等特點，在絕大多數情況下，農業觀測現場經常無人值守，導致信息獲取非常困難。要解決這個問題，需實現數據的遠程傳輸與交換[1]。通用分組無線技術GPRS（General Packet Radio Service)是在現有的GSM系統上發展起來的，充分利用了GSM系統的無線結構，在移動用戶和數據網絡之間提供一種連接，向移動用戶提供無線IP服務[2]。采用GPRS方案對數據量少、突發式、頻繁傳送的農業監測數據傳輸是一種較好的選擇。
　　為了滿足數據傳輸終端低成本、小型化和移動靈活等要求，廣泛采用微處理器對GPRS模塊進行控制。早期廠家推出的GPRS模塊都不支持TCP/IP協議，因此，需要在微處理器中嵌入TCP/IP協議，這樣既增加了硬件的負擔，又增加了硬件的成本[3-4]。近幾年，SIMCOM、SIEMENS等公司推出內嵌TCP/IP協議的GPRS模塊，不僅降低了GPRS模塊對微處理器的要求，還縮短了用戶的開發周期。針對水產養殖環境監測系統數據傳輸頻繁、數據量較小、現場改造困難、布線成本高等特點，本文介紹的系統采用GPRS技術，用低成本的單片機，A/D轉換芯片，以及內嵌TCP/IP協議的GPRS無線通信模塊SIM300C，實現水產養殖環境數據采集和數據的遠程傳輸。
1 系統構成
　　 遠程數據采集傳輸終端以單片機AT89S52為主控制器，實現現場數據采集和遠程數據傳輸兩大功能。傳感器采集的8路模擬信號以差分方式送入2片A/D轉換芯片并轉換成相應的數字量，每一輪轉換結束后，單片機將16組數據放入1個數組中并添加幀頭和幀尾，通過串口發送給SIM300C模塊， SIM300C自動將要發送的數據打包成TCP/IP數據包，并通過GPRS網絡與Internet上的服務器建立連接，將采集到的數據發送給服務器。
2 系統硬件設計
　　系統硬件設計分為A/D轉換硬件設計和SIM300C模塊外圍電路設計。
2.1 數據采集與A/D轉換硬件設計
　　A/D轉換單元采用2片A/D轉換芯片MAX186[5]。MAX186是MAXIM公司的8輸入通道12位串行輸出的A/D轉換芯片，其輸入端既可以單端輸入8路模擬信號，也可差分輸入4路模擬信號。MAX186主要信號線有：串行數據輸出(DOUT)、串行選通脈沖輸出(SSTRB)、串行數據輸入(DIN)、低電平有效芯片選擇(CS)、串行時鐘輸入SCLK。這些信號分別與單片機的P0.0~P0.4相連，另1片MAX186與單片機的P2.0~P2.4相連，如圖1所示。AT89S52通過P0.3實現對MAX186的片選；通過P0.4向MAX186的SCLK送入串行時鐘信號；通過P0.2向MAX186的DIN輸入8位控制字；通過P0.1接收MAX186的SSTRB腳的電平輸出，電平由低變高說明模擬信號經采樣保持、A/D轉換完畢，AT89S52可以接收數據；通過P0.0讀入MAX186 DOUT引腳串行輸出的12位數字量[6]。

2.2 SIM300C外圍電路設計
　　SIM300C是SIMCOM公司的無線通信模塊。該模塊尺寸小、功耗低，內嵌強大的TCP/IP協議，提供通用的AT控制命令[7]。SIM300C內部集成了完整的射頻電路和GSM基帶處理器，提供2個串口、1個SIM卡接口、通用I/O接口等[8]。這些接口信號都通過60針的板對板連接器進行連接。
2.2.1 電源
　　SIM300C模塊的1、3、5、7、9腳為電源輸入引腳VBAT，2、4、6、8、10腳是地。由于模塊的供電電壓為3.4~4.5 V（典型值為4.2 V)，采用 5 V供電時，需要進行5 V到4.2 V的電壓轉換。設計中使用MICREL公司的MIC29300系列芯片為SIM300C提供4.2 V的電壓，其輸出電流可達到3 A，能夠滿足SIM300C的要求。電源電路如圖2所示。

2.2.2 串口和SIM卡接口
　　SIM300C模塊為用戶提供了：通用串口和調試串口。因為模塊提供的2個串口都是TTL電平，需通過電平轉換芯片，將TTL電平轉換成RS232電平。設計中采用MAXIM公司的MAX232芯片進行電平轉換，使用TXD、RXD、GND 3根線構成3線串口。
　　SIM300C模塊提供的SIM卡接口信號有：VSIM-SIM卡電源、SIMRST-復位、SIMCLK-時鐘、SIMDATA-數據。SIM卡與模塊之間通過SIM卡座進行連接，設計中采用6針SIM卡座，其信號線主要有：電源(VCC)、地(GND)、復位(RST)、狀態(VPP)、時鐘(CLK)、數據(I/O)，其中狀態線VPP不接。SIM卡電源可以是1.8 V或3 V，RST、CLK、I/O 3個引腳分別連接22 ?贅電阻后，再與SIM300C的SIMRST、SIMCLK、SIMDATA相連，SIMDATA與VSIM間還需接1個10 k?贅的上拉電阻。另外，在SIM卡接口電路中，為了減小靜電干擾，應使用靜電防護器件，設計中采用了SEMI公司的SMF05C[8]。其硬件連接如圖3所示。

3 系統軟件設計
??? 系統以30 s為1個采集周期，初始化完畢后，單片機通知GPRS模塊連接服務器準備發送數據，連接服務器成功后，啟動2片A/D轉換芯片MAX186對8路傳感器信號進行A/D轉換， A/D轉換結束后，向GPRS模塊發送幀頭FF AA，緊接著發送16組數據，最后發送幀尾0D 0A，等待下一個采集周期。系統工作流程如圖4所示。

3.1 A/D轉換
?　　MAX186為串行工作方式，在進行A/D轉換之前要對MAX186進行配置。首先將CS管腳置低電平選通芯片，在SCLK管腳輸入外部時鐘，在時鐘SCLK的每1個上升沿把1個最高位為“1”的控制字節的各位送入輸入移位寄存器，控制器收到控制字節后，選擇控制字中給定的模擬通道，并在SCLK下降沿啟動A/D轉換。控制字節的格式如表1所示。在控制字節的最后1位之后，SSTRB管腳有1個時鐘周期的高電平，在其后的12個時鐘周期SCLK的每1個下降沿，轉換后數據的各位出現在DOUT端，單片機從DOUT管腳讀入12位數字量。

3.2 GPRS通信
　　在GPRS通信中，有2種傳輸協議(TCP/UDP)可供選擇。在本系統中，由于數據量相對較少，傳輸時間間隔較長，使用了更為可靠的TCP作為接入方式。
　　單片機通過串口使用AT指令[9]控制GPRS模塊。系統啟動后，為防止因上次使用時未關閉連接，造成連接服務器失敗，所以單片機先向SIM300C發送關閉連接的指令：AT+CIPCLOSE，斷開連接成功返回“CLOSE OK”。隨后，單片機向SIM300C發送連接服務器命令：AT+CIPSTART=“TCP”、“202.205.84.222”、2020，用來將模塊接入GPRS網絡，使用“TCP”方式接入，服務器IP地址為202.205.84.222，偵聽端口號為2020。連接指令送入GPRS模塊后，單片機通過串口接收GPRS 模塊返回的信息。返回“OK”說明指令正確，返回“ERROR”說明指令輸入不正確，需要重新連接。等待一段時間后，GPRS 模塊會返回1個字符串說明目前的連接狀態：若返回“CONNECT OK”說明已經連上服務器；若連接失敗，返回STATE狀態：“CONNECT FAIL”，需要重新進行連接或者檢查服務器的網絡連接狀態。
　　服務器連接成功后，單片機向SIM300C輸入發送數據指令“AT+CIPSEND=20”，然后送入要發送的數據，包括幀頭、16組數據及幀尾。
4 系統驗證
　　對該系統的驗證需要1臺具有公網IP地址的計算機作為Internet上的服務器，1張開通GPRS功能的SIM卡且接入方式為CMNET，服務器數據收發DEMO軟件。
　　實驗中，將GPRS模塊的串口與單片機串口相連，A/D轉換芯片輸入端以差分方式接入2路溫度傳感器PT100和1路濕度傳感器。終端以30 s為1個周期，每1周期采集2片MAX186的8路差分輸入模擬信號，采集結束，通過GPRS網絡將數據發送到服務器。服務器端用Microsoft Winsock Control 6.0(SP6)控件開發了服務器端接收軟件，完成對網絡數據接收、數據存儲及數據顯示。服務器軟件每次接收到終端的數據時，都將數據保存在一個文本文檔內，并且記錄接收數據的系統時間。圖5為根據服務器文檔記錄的數據繪制的實驗室24小時溫度變化曲線。
　　測試結果表明：終端采集到的溫度變化曲線符合實際溫度變化，說明A/D轉換部分能夠準確地采集傳感器輸出的模擬信號；測試過程中，未發現GPRS模塊與服務器端連接斷開，觀察服務器文本記錄的數據，未發現數據丟失，數據均以30 s為1個周期被服務器接收，少數數據延遲幾秒接收，說明以TCP協議進行數據傳輸是可靠的，即使無線網絡發生擁塞時，也不會造成數據的丟失，而只是發生數據延遲。
　　本文設計的基于SIM300C模塊的遠程數據采集傳輸終端，具有成本低、體積小、布設方便、運行穩定等特點，克服了現場環境改造困難、布線成本高等問題，能夠適應水產養殖環境中監測點分散和潮濕的環境，為現場環境數據的采集和數據的遠程傳輸提出了一種解決方案。基于SIM300C的遠程數據采集傳輸終端與遠程服務器間可以通過GPRS無線網絡進行可靠的數據傳輸，能夠按設定的采集周期正確采集和傳輸現場環境數據，滿足實際應用中對實時性的要求。在今后的研究中，需要為該系統增加LCD顯示和鍵盤模塊，以實現數據的實時顯示，現場工作人員可以通過鍵盤對系統進行簡單的控制；完善服務器端上位機軟件，提供更為友好的數據顯示界面。