基于GPRS的远程监测终端的设计.doc

(完整版)基于GPRS的远程监测终端的设计

《自动化综合实践》
报告

课程名称 自动化综合实践
题目名称 基于GPRS远程监测终端的设计
学生学院
专业班级
学 号
学生姓名
指导教师

2019 年 01 月 06 日

《自动化综合实践》任务书
（指导教师填写）

设计题目 基于GPRS远程监测终端的设计

一、 综合训练目的
1. 培养学生文献检索的能力，如何利用Internet检索需要的文献资料.
2. 培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
3. 培养学生综合运用知识的能力和工程设计的能力。
4. 提高毕业班学生理论联系实际的能力.
5. 提高学生设计报告撰写水平。
二、 设计内容、技术条件和要求
1设计内容
以嵌入式STM32为主机,设计一套基于GPRS的远程终端监控系统，能实现当前环境的温度和湿度值的采集并显示，同时能将该信息，通过GSM模块,利用GPRS进行远程传送，并显示在智能手机客户端上。
（1）开发平台：嵌入式Cortex-M3开发平台;
(2）显示:彩屏TFTLCD模块、触摸屏模块；
（3）调节:通过按键实现相应值的调节;
（4)通信：通过485、GSM或者GPRS等网络进行数据传输，保证系统稳定。
2 设计要求
Ÿ 设计STM32的最小系统；
Ÿ 启动系统的按键电路设计。
Ÿ 绘制实现本设计内容的硬件电路（原理图），系统的组成框图.
Ÿ 编写本综合实践内容的软件设计(包含程序流程图和对程序注释）。
Ÿ 硬件实验部分可选用实验箱测试或仿真软件实现。
三 时间进度安排
按教学计划规定，自动化综合实践的总学时为2周,其进度安排和时间大致分配如下：
1. 十七周周一至周三 查阅资料、进行软、硬件初步设计;
2. 十七周周四至周五 具体实现软硬件的设计功能；
3. 十八周周一至周三 完善系统设计,调试、测试，形成完整的系统。
4. 十八周周四至周五 总结设计过程，撰写综合实践报告书,并答辩。
四 主要参考文献
[1] 刘火良. STM32库开发实战指南.北京：机械工业出版社，2013
[2] 李健.STM32系列MCU解决方案展示.电子产品世界,2013(3）:73-74
[3] STM32嵌入式微控制器快速上手. 电子工业出版社，2012
[4] 陈启军. 嵌入式系统及其应用:基于Cortex-M3内核和STM32F103系列微控制器的系统设计与开发。 同济大学出版社，2014
2018年12月17日

《自动化综合实践》报告

一、 设计项目简介

随着现代信息技术的发展,人们的生活水平有很大的变化。现在大多数的人对自己所处的环境质量越来越关注，不管是学习、生活以及工作,多数时间在室内度过，为此 室内环境监测成为值得研究的课题。如今市面上的远程监测终端存在功能单一、价 格昂贵等缺点，因此设计一款低成本、实用性强、具有远程实时传输功能的室内温湿度监测系统具有深远意义。
众所周知，我们生活中最常见的环境参数就是温度和湿度，这些参数的变化都会对人们的生活和工作或多或少的产生一些影响,而无论是在工作场所、实验室还是家居环境等室内环境通过对温湿度的实时监测更加深入的了解当前环境的状况.由于烟雾浓 度会对人的身体产生一定的影响，在室内环境监测中，对此参数的监测也是尤为重要的.而光照强度对植物和人是不可缺少的参数，所以在室内环境监测系统的设计中，加入对光照强度的监测是必然的。综上所述，在日常生活的环境中，将温度、湿度、烟雾浓度、 光照强度等环境参数设定为监测的目标来设计一个实用且可靠的室内环境监测系统是非常有必要的.
现在无线通信技术正在蓬勃发展，尤其在 GPRS 技术领域已经非常成熟，再加上计算机和传感器技术等多种先进技术的不断提升,人们就开始想到将这些技术都运用到环境监测系统上来，不但可以提高室内监测系统的可靠性、可控性，而且也使室内环境监测系统更加的智能化、实用化。在我们身边的各种环境中都会遇到室内环境监测的问题，基于这一问题，本课题将设计了一种基于无线传输的室内环境监测系统。

三、 总体设计

本文设计了基于无线传输的室内环境监测系统,对温度、湿度环境参数进行监测。该系统可划分为两个部分：数据采集终端设备和数据监测中心并传输系统。其中数据采集终端设备主要实现对环境参数的采集、处理、传输,而数据监测中心系统完成对环境参数的远程实时显示、报警.数据采集终端设备主要由传感器电路、 信号调理电路、主控电路、GPRS模块、显示电路、电源电路等组成。其中传感器部分主要依靠DHT11完成对温度、湿度的获取，信号调理电路主要对温度信号量、湿度信号量进行处理以便于后续的采集.主控芯片采用低成本STM32F103ZET6开发板，它完成了对温度参数、烟雾浓度的 模数转换，GPRS 模块的自检及配置，以及数据的分析处理、传输、显示等操作。下位 机采用LCD显示屏对现场环境参数显示。通过 GPRS 模块 SIM900A 实现无线通信，将环境数据实时传输到因特网。数据监测中心采用 C语言来编写，采用 UDP 协议进行网络通信，通过因特网获取下位机发送来的数据，利用手机软件窗口界面将环境参数实时显示出来，同时描绘出各参数的趋势曲线图，此外上位机还具有报警设定及显示功能。

图2.1 系统整体结构框图

四、 硬件设计

3.1 、GPRS概述
General Packet Radio Service 简称为 GPRS，即通用分组无线业务，它是在 GSM 系统基础之增加新的功能进而实现无线通信的目的，它不仅具有 GSM 的功能同时能在网 络进行高效数据与信令的传输.该项技术通常被称作“2。5G"，即该技术是处在 2G 与 3G 之间。与 GSM 系统对比来说，GPRS 有着自身的优势和特点，此技术在现有的 GSM 系统的基础之上引入新的网络单元而构成的，它具有用户承担费用合理、资源的 有效利用、持续在线技术和高效传输等特点。GPRS 网络到来并没有对 GSM 网络进行大幅度的改动，而是利用了 GSM 网络没有 被利用的资源,比如说,GPRS 进行数据传送利用了 GSM 网络上还未用到的 TDMA 信 道.GPRS 技术的发展不单单局限在对 GSM 网络提供的电路交换方向上进行改进,而 是利用 GSM 网络原有的资源，在这基础之上增加了一些实体的功能使得无线分组交换 业务得以实现，虽然 GPRS 技术对网络的更改很小，但是对于数据传输速率却又了很 大的提高。GPRS 的移动传输方式就是将中介转换器去掉,这样连接和传输的方式就 变的容易和简单许多，而且上网时无需再拨号，进行信息搜索，参与各种视频会议，长 时间的不间断的与网络保持着连接。
表3。1 GPRS 传输数据的特点

序号
特点简述
1

2

3

4

5
资源充分利用，远程访问速度快、用户成本低 传输速率符合大多数用户需求
接入网络时间短 提供实时在线功能
按流量计费，用户持续在线，当产生数据流量时，进行计费

GPRS 网络的数据传输是依靠分层协议的结构模式来实现的。数据从移动终端设备传输到移动台必须利用到 Gi、Gn、Gb 和 Um 这几个接口。
因为在 Gi 接口处实际上还是运用以往的那些协议，并没有新增加协议,这样就使得它与一般的路由器并未出现太大的区别，为了获得 IP 数据包，必须将传送过来的数据进行处理,这个处理就是在 GGSN 节点处对数据帧处理.经过对 IP 数据包的处理后，发觉 IP数据包的地址就是本地的 PDP上下文标示的某个移动台的地址,这样就将 IP 数 据包准确无误的发送到 Gn 接口。
当 Gn 在收到传送来的 IP 数据包的过程中，此时 GTP（GPRS 隧道协议）与 TCP 协议就开始发挥作用，由这两个协议对 IP 数据包分别经过一些流程的处理，并且将IP数据包打包成带有各种信息的IP包,而路由器与交换机会将封装好的IP包发送出去。 当IP包会根据 SGSN 地址将数据发送到SGSN处时，被传送过来的 IP 包会经过各个层次的解封,并将原来的IP包进行还原。在Gb接口中，首先IP数据包会 SNDCP(子网相关收敛协议)在这个协议的处理之下对链路上的数据包的协议信息进行压缩与冗余.BSS 接受到 IP 数据包,将其进行解封处理,此时的 BSS就可以转发 LLC 帧。此时MAC 协议和 RLC 协议这两个协议就开始发挥其作用，因为 Um 接口从空中接口接收到 的任何数据，必须要经过这两个协议的处理.而这些被处理的数据会再次通过空中接 口被传输到移动台，移动台会对 IP 包进行解封还原的处理，最终得到原始的 IP 数据包。
3.2 、DHT11传感器概述
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性.传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准.校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数.单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择.产品为4针单排引脚封装,连接方便。
其具体接线图如下：

由上图可以看到 DHT11 温湿度传感器的 DATA 引脚是的作用是 MCU 与 DHT11之间数据通信，选用了总线数据的格式，通信的时间一次大约在 4ms，数据的部分主要是由整数部分和小数部分组成的，一次完全数据的传输是 40 位，高位优先出。
电气特性为：VCC=5V,T = 25℃

参数
条件
min
typ
max
单位
供电
DC
3
5
5。5
V
供电电流
测量
0。5

2。5
mA
平均
0.2

1
mA
待机
100

150
uA
采样周期
秒
1

次

引脚特性为：

pin
名称
注释
1
VDD
供电 3—5.5VDC
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，请悬空
4
GND
接地，电源负极

3。3、数据监控中心系统
GPRS 模块采用的是 SIMCOM公司的 SIM900A 模块，它是一款专门为内地市场研发的 2 频无线通信模块。它主要的作用 是将现场采集的环境参数进行无线传输。 STM32F103ZET6 微处器利用串口发送 AT 命令对 GPRS 无线通信模块进行控制。GPRS 无线 通信模块是现在比较流行的移动通信网络，其通信技术也已经非常的成熟，覆盖面也比 较广，运用 GPRS 网络来实现室内环境监测环境参数可以在线实时传输，并且能够准确快速全面的反映出环境状况的变化，为我们了解室内环境参数的指标提供了最有利的依 据。而且采用 GPRS 无线通信技术传输数据，非常的方便,因为该技术不受区域和用户 数量的限制，并且为室内环境监测数据的传输提供了强大的通信平台。近几年来，GPRS 技术在全球普遍的被利用。因为它具有非常强大的覆盖面,所以 只要能用手机打电话的地方就能用 GPRS 无线上网,这就满足了不同地区用户的需求. GPRS 移动通信系统具有保持长时间在线、切换方便、传输速率高等优点。GPRS 无线 通信技术的蓬勃发展，也证明了我们已经迈入了全新的时代。

图 STM32VET6芯片引脚图

数据监测中心是室内环境监测系统的环境参数查询、分析的重要部门，是室内环境监测系统的核心部分.数据监测中心系统软件部分包括了上位机系统界面程序、数据接收程序以及数据的处理程序。下位机系统采集到的环境参数发送到上位机上，由上位机软件来进行接收，然后在对该数据进行处理、显示以及分析。数据监测中心系统选用 C++语言进行编程设计，用户只需要点击远程计算机桌面上的“室内监测”的图标就可以进入登录界面对数据监测中心系统进行登录和访问，为用户提供了对环境参数的监控、查询以及处理的便捷服务。
3.4、GSM通信电路
本设计采用M72-D模块，该模块是一款工业级的两频段GSM/GPRS无线模块。其工作频段是：EGSM900MHz和DCS1800MHz.M72-D提供GPRS数传，GSM短信业务，并支持GPRS multi—slot class1-12（默认为class12）、GPRS编码格式CS-1、CS—2、CS—3和CS—4[6］。M72—D模块电路主要包含供电电路、SIM卡电路、射频电路、外围控制电路。GSM通信电路供电电路采用了Micrel公司的LDO，型号为MIC29302WU它的输出电压可以通过反馈电阻调节，为确保输出电源的稳定，在输出端预留了一个稳压管。SIM卡接口采用6PIN通用SIM卡插座;SIM卡通过模块内部的电源供电，支持1.8V和3。0V供电；为了确保良好的ESD性能在SIM卡的引脚增加了TVS管（SP0504BAHTG）。对于射频天线接口的外围电路设计，为了能够更好地调节射频性能预留了一个滑动电阻器作为匹配电路。外围控制电路主要包括模块开关机电路、网络状态指示灯电、串口通信电路，由于电路结构比较简单在此不再熬述.GSM通信电路如图所示。

五、 软件设计

本设计主要用于Keil 5，该编译器具有界面友好操作简单等优点.上位机采用的是C语言开发，编译器采用的是微软公司推出的VS2010集成开发环境，是目前最流行的Windows平台应用程序开发环境。程序设计思想采用的是模块化设计思想,模块化设计简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序、环境的温度的远程监测。本设计下位机采用C语言开发，编译器采用的是ARM公司的KEIL MD程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。本设计软件共分为六个模块,分别是主程序、GSM模块程序、温度传感器程序、串口上位机程序、独立按键程序、以及TFT液晶程序。
4.1、主程序流程图
主程序主要完成对单片机寄存器以及外设的初始化，之后进入主循环。主循环中一直读取DHT11采集的温度，当温度高于上限值或低于下限值时，GSM模块以短信发送报警信息到用户上手机上.主程序中同时循环调用串口上位机发送函数、串口屏幕显示函数、GPRS数据包发送函数。

4。2、系统初始化子程序
对系统的软件部分以及硬件部分进行初始化的目的是为了确保最小系统能正常运转，系统的初始化有 STM32F103ZET6微处理器各部分的初始化、液晶屏的初始化和 SIM900A模块的初始化。系统初始化的流程图如下图所示:
引脚功能配置
中断系统初始化
ADC初始化
I²C初始化
液晶模块初始化
SIM900A模块初始
化
串行口初始化
开始
结束

4。3、数据采集终端主程序

微控制处理器 STM32F103ZET6 的控制程序设计主要包括对 STM32F103ZET6 的系统初始化、 微处理器对传感器的控制、液晶显示、报警提示、利用 GPRS 模块对数据无线传输。其系统总体控制流程图如下图所示,给微处理器完成上电后,由控制程序完成各个模块 的初始化操作，接着开启全局中断，再由 AT 指令控制 GPRS 无线通信模块的开启，当 开启成功之后就开始寻找网络，并与 GPRS 网络建立互联，此时就向数据监测中心公网 固定的 IP 地址发送与 Internet 建立网络连接的申请，完成连接后，将获得到的数据对其 进行转换分析后发送,并检测是不是超过设定值同时对数据进行显示，如果超过设定值 就通过蜂鸣器报警，最后通过无线模块进行发送数据。

报警
显示数据
发送数据
采集数据
连接GPRS模块
各个模块初始化
打开中断
启动
SIM900A
搜索网络
开始
N
是否超标？
Y
启动成功？
N
Y
N
搜索成功？
结束
Y
N
Y
连接成功？

五、系统调试和测试

当系统的硬件和软件设计完成之后，需要对软、硬件分别进行调试，以验证系统各项功能是否实现，结果是否正常,精度能否达到要求。如果调试结果达不到要求就需要分析原因，找出问题所在。如果达到了预期的要求，就可以将软、硬件集成一个完整的功能系统进行调试，继而完成样机的研制。 本系统的测试工作主要分为下位机的硬件测试和上位机软件测试.对下位机硬件测试的主要完成以下几项工作： 检查硬件系统的短路、断路测试，电压、电流、接地是否正常，包括芯片输入、输出引脚电平测试.下位机测试步骤如图所示：

下位机硬件测试完成后可以确定硬件系统能正常工作,然后就可以对上位机软件需要在计算机上以各种可能的数据和操作条件对软件进行测试。对上位机软件调试的主要步骤：a。打开监控软件b.选择串口c。对串口参数进行设置d。打开串口在监控界面上显示出温度实时曲线。

六、部分核心程序

int main（void）
{
unsigned char shi［20];
uint8_t key = 0;
Delay_Config（）;//延时初始化
LED_Config（)；//LED初始化
KEY_Config（）;
Usart_Config（115200）；
//printf(”串口初始化成功\r\n”）；
LCD_Init(）;
while （1)
｛
//LCD屏幕显示温湿度和名字
if（dht11run[0］>dht11run[1］)//2s执行一次
{
DHT11_ReadData（＆t，&h);
//printf("t=％0。1f h=%0。1f\r\n"，t，h）;
dht11run[0] = 0；
｝
sprintf（shi,"t=％0。1f h=％0.1f\r\n”,t,h);
Draw_Text_8_16_Str(0,100,WHITE，BLACK,shi）；

Draw_Text_8_16_Str(0,20，WHITE，BLACK，(u8 *)”自动化152 乔彦庆”)；

//设置报警器，超过温度和湿度蜂鸣器响
if（t〉=20｜h〉=50)
{
beep（1）；
LED1（1);
｝
else
{
LED1（0);
beep(0);
｝
//Echo（)；
//打电话
key = GetKeyValue(）；
switch（key)
{
case 1：break;
default：break；
}
if（key==1）
Send_Phone();
//Gprs连接
if（gprsrun[0]〉gprsrun[1])
｛
GPRS_Connect(（u8 ＊)”58。87。105.50”，（u8 *）”6666”，20,t,h）;
gprsrun［0] = 0；
｝
}
}

七、收获及体会

随着信息技术的快速发展，越来越多的人将这些先进的技术融入到室内环境监测系 统的领域中，不断完善监测系统的各种功能，使其更方便使用。在这些技术的基础之上 提出并设计了一款基于无线传输的室内环境监测的系统，并在研究本课题的过程中对所 采用的技术进行了深入的调查与研究。本系统是数据采集终端与数据监测中心两部分构 建的，数据采集终端是以 STM32F103ZET6为核心处理器来控制各个传感器模块通过 GPRS 无线模块将采集到的数据发送到上位机进行显示，实现了对数据的采集、显示、发送以 及报警等功能.数据监测中心系统是利用 C语言完成编写。
综上所述，经过不断的学习与研究，对无线传输的室内环境监测系统有了很全面的掌握。在这个过程中,我学到了许多知识，提高了动手能力。当然，在课题研究的过程 中也有许多的疑惑和难题，在不懈的努力之下也得到了解决。由于时间的紧迫与学识的 浅薄仍然存在着许多的不足,还需要进一步的改善与研究.
八、参考文献
[1] 刘火良. STM32库开发实战指南。北京：机械工业出版社，2013
[2] 李健。STM32系列MCU解决方案展示。电子产品世界，2013（3）:73-74
[3] STM32嵌入式微控制器快速上手. 电子工业出版社,2012
[4] 陈启军. 嵌入式系统及其应用：基于Cortex—M3内核和STM32F103系列微控制器的系统设计与开发。 同济大学出版社,2014
[5] 徐丽。 浅谈环境监测技术的现状和发展［J]. 环境科学, 2010， 29(1)： 115—118。
[6] Wu C。 Monitoring Aircraft Turnaround Operations —- Framework Development， Application and Implications for Airline Operations［J］。 general information， 2007, 31（2): 215-228.
[7] Deng Hu Bin， Zhang Lei。 Design on ZigBee Wireless Sensor Network Node[J］.Key Engineering Materials, 2011, 1244(474）： 283-286
[8] 崔周华. 基于 GPRS 与 ARM 的环境监测系统的研究与实现［D].武汉:华中师范大学, 2010。
[9] 李文琛. 基于多传感器数据融合的无线环境监测系统[D]。南京:南京理工大学, 2014。
[10] 杜建波. 基于 GPRS 的实时在线环境监测研究与实现[D].沈阳:沈阳理工大学, 2009。
[11] 王建. 基于 GPRS 的远程抄表终端的设计与实现［D］.沈阳：东北大学， 2012.
[12] 林成浴。 TCP/IP 协议及其应用［M]。北京：人民邮电出版社, 2013： 3—16.
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