STM32 ve SIM900A tabanlı ağ çok noktalı uzaktan veri izleme sisteminin tasarımı
Li Chi 1, Duan Zhimin 1, Cong Peitian 1, Zhang Qi 2
(1. Makine Mühendisliği Okulu, Shenyang Ligong Üniversitesi, Shenyang 110159, Liaoning; 2. Eyalet Şebekesi Yingkou Güç Kaynağı Şirketi Liaoning Electric Power Co., Ltd., Yingkou, Liaoning 115000)
: Endüstride saha verilerinin toplanmasının izlenmesine yönelik uzak ağ iletim gereksinimlerini hedefleyen STM32F103 mikro denetleyici ve SIM900A iletişim modülüne dayalı bir ağ çok noktalı uzaktan veri izleme sistemi önerilmiştir. STM32'nin alt bilgisayarı, her sensörün periyodik veri toplamasını tamamlayabilir ve SIM900A modülünü, kendisi ile GPRS ağındaki, saha ağı ortamının izlenmesine dayanmayan uzak üst bilgisayar arasındaki TCP veri iletişimini gerçekleştirmek için kullanabilir. Sistem, kesintisiz eşzamanlı veri toplama ve birden çok izleme nesnesinin birden çok izleme noktasında uzaktan veri iletimini gerçekleştirebilir. Saha deneyleri, izleme sisteminin endüstriyel tasarım gereksinimlerini karşılayabilecek yüksek kararlılığa, güçlü gerçek zamanlı performansa, küçük ölçüm hatalarına ve düşük güç tüketimine sahip olduğunu göstermektedir.
Veri toplama; TCP; GPRS; STM32; SIM900A
: TP27 belge kimlik kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2016.24.030
Alıntı biçimi : Li Chi, Duan Zhimin, Cong Peitian, et al.STM32 ve SIM900A J tabanlı ağ çok noktalı uzaktan veri izleme sisteminin tasarımı. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2016,35 (24): 105-108.
0 Önsöz
Endüstride veri toplama, üretim sürecinde her zaman çok önemli bir bağlantı olmuştur.Makinelerin normal çalışması veya çalışma ortamının bakımı, doğru ve verimli veri toplama teknolojisi birbirinden ayrılamaz.
Gömülü yapı tasarımına dayalı veri toplama sistemleri, ana bilgisayar ile iletişim kurmak için genellikle RS-232, RS-485 ve diğer seri portları kullanır.Çok güvenilir olmasına rağmen, ana bilgisayarın kablo kısıtlamaları nedeniyle belirli bir mesafede tutulması gerekir. Bazı yüksek sıcaklık ve güçlü aşındırıcı ortamlarda, kabloların yerleşimi zordur ve zarar vermesi kolaydır [1].
Bilim ve teknolojinin ilerlemesiyle birlikte mobil iletişim teknolojisi hızla gelişti ve şimdi çok yüksek bir kararlılığa sahip, bu da mobil iletişim teknolojisinin endüstride uygulanmasını mümkün kılıyor. Mevcut GPRS ağını kullanarak, yüksek ağ kapsama alanı ve iyi aktarım özelliklerinin avantajlarından yararlanarak, orijinal veri toplama sistemi için uygun bir kablosuz iletim işlevi sağlar. Mobil iletişim teknolojisi, esnek düzen ve bağımsız ağ oluşturma [2] avantajlarına sahiptir.
1 Genel tasarım
Bu yazıda tasarlanan ağ çok noktalı uzaktan veri izleme sistemi, bir alt bilgisayar ve bir üst bilgisayardan oluşur.Aşağıdaki bilgisayar, doğrudan GPRS ağına bağlanmak için bir iletişim modülü kullanır ve saha ağ ortamına güvenmeden TCP'ye dayalı güvenilir ağ veri iletimini gerçekleştirir. Her bir terminal tarafından yüklenen verileri yalnızca ana bilgisayarda ayrı ayrı görüntülemekle kalmaz, aynı zamanda birden çok terminalin verilerini çapraz analiz ederek, toplama verimliliğini ve veri kullanımını büyük ölçüde geliştirir.
Bunların arasında, alt bilgisayar kabaca üç bölüme ayrılabilir: STM32 mikro denetleyici, SIM900A iletişim modülü ve çoklu sensör. Tüm ekipman setinin maliyeti çok düşük STM32 mikro denetleyici ve SIM900A iletişim modülünden oluşan temel bileşenler sadece onlarca dolara mal oluyor.Kullanıcılar ihtiyaçlarına göre ideal sensör modülünü seçebiliyor. Üst bilgisayar programı, C ++ diline dayalı Qt tasarımını benimser Alt bilgisayar ve üst bilgisayar, ağ verilerini TCP protokolü yoluyla iletir.Her bir üst bilgisayar, birden fazla terminal sensörü tarafından yüklenen verileri alabilir. Sistemin genel tasarım blok diyagramı Şekil 1'deki gibi gösterilmiştir.
2 donanım tasarımı
Ağ çok noktalı uzaktan veri izleme sistemi hemen hemen her türlü veri toplamayı tamamlayabilir. Sınırlı alan nedeniyle, bu makale çerçeve yapısını ve tüm sistemin özel uygulama yöntemlerini tanıtmak için örnek olarak sıcaklık verileri toplamayı ele almaktadır. Diğer veri toplama türleri için, tasarım mantığı temelde sıcaklık verisi toplama ile aynıdır.Yalnızca ilgili sensörün toplama alt yordamını ve veri gönderme işlemini alt bilgisayarın ana program döngüsüne eklemeniz gerekir.
Uzak ekipman izleme sahasına kurulur.Çeşitli sensörler aracılığıyla veri toplar ve STM32 mikro denetleyici aracılığıyla SIM900A iletişim modülüne gönderir İletişim modülü, TCP verilerini GPRS ağından ana bilgisayara bağlantı noktası üzerinden gönderir. Üstteki bilgisayar her bir alt bilgisayarı farklı cihaz numaralarına göre ayırır. Bu sistemin donanım devre şeması Şekil 2'deki gibi gösterilmiştir.
2.1STM32F103ZET6 mikrodenetleyici
STM32F103ZET6 gelişmiş mikrodenetleyici, 72 MHz çalışma frekansına sahip yüksek performanslı bir ARM CortexTM-M332-bit RISC çekirdeği kullanır. 112 GPIO arayüzüne, çoklu çoğullama fonksiyonlarına ve çok yüksek bir geliştirilebilirliğe sahiptir [3] .
Yüksek kapsamlı performans, istikrarlı çalışma, düşük fiyat ve endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.Birçok mühendislik projesi için ideal bir çözümdür [4].
2.2 SIM900A iletişim modülü
Kablosuz iletişim modülü, esas olarak uzak terminal ile veri aktarım işlevinin gerçekleştirilmesinden sorumlu olan SIM900A yongasıyla uygulanır. SIM900A modülü, yerleşik bir TCP / IP protokol yığınına [5] sahip kompakt bir GSM / GPRS modülüdür.
2.3 DS18B20 sıcaklık sensörü
DS18B20, Maxim'in bir sıcaklık sensörüdür Tek çipli mikrobilgisayar, DS18B20 ile 1-Wire protokolü [6] aracılığıyla iletişim kurabilir.
3 yazılım tasarımı
Bu makalede tasarlanan sistem iki bölümden oluşmaktadır: alt bilgisayar programı ve üst bilgisayar programı. Bunların arasında, alt bilgisayarın STM32 programı veri toplama ve TCP protokolü kullanılarak SIM900A modülü aracılığıyla çeşitli verilerin üst bilgisayara gönderilmesi için zamanlamadan sorumludur. Üst bilgisayar programı, her bağlantı noktasının TCP iletişimini izlemekten ve bağlantı noktasından geçen TCP verilerini işlemekten sorumludur.
3.1 Alt bilgisayar programı tasarımı
Alt bilgisayarın programı, tümü C dili ile tasarlanmış ana program, TCP verilerini göndermek için alt program ve sıcaklığı ölçmek için alt programdan oluşur. Üç modül, veri toplama ve yüklemeyi tamamlamak için işbirliği yapar.
3.1.1 Ana program
STM32 ana programı, her bir kütüğü başlatmaktan ve verileri toplamak ve toplanan verileri GPRS ağı aracılığıyla her ana bilgisayara göndermek için periyodik olarak her işlev alt yordamını çağırmaktan sorumludur. Burada, Şekil 3'teki ana program akış şemasındaki STM32 mikro denetleyicisinin GPIO portu ve çoklama fonksiyonlarının, kullanımdan önce başlatılması gereken bağımsız saatlere sahip olduğu, aksi takdirde çevre birimlerinin normal şekilde çalışamayacağı belirtilmelidir. SysTick saati, bir gecikme işlevi elde etmek için bir kalp atışı kesintisi oluşturmak için kullanılır. Sistem akış şeması Şekil 3'teki gibi gösterilmiştir.
3.1.2 TCP verilerini göndermek için alt yordam
SIM900A iletişim modülü, STM32 ile iletişim kurmak için bir seri arayüz kullanır. STM32, SIM900A [7] ile iletişim kurmak için AT komutlarını kullanır. Bu makale esas olarak SIM900A'nın TCP iletişim işlevini kullanır ve TCP protokolü ile ilgili ana komutlar Tablo 1'de gösterilmektedir.
AT komutuna ve ilgili komut formatına göre, veri gönderme alt yordamının akışı Şekil 4'te gösterilmektedir.
3.1.3 Sıcaklık sensörü alt yordamı ölçümü
DS18B20 sıcaklık sensörü, STM32 mikro denetleyici ile iletişim kurmak için 1-Wire protokolünü kullanır.Veri aktarımından sorumlu tek bir DQ pinine sahiptir ve çok karmaşık yazılım zamanlamasına sahiptir. Program akış şeması Şekil 5'te gösterildiği gibidir.
3.2 Ana bilgisayar program tasarımı
Bu makalede tasarlanan ana bilgisayar sistemi, platformlar arası bir C ++ grafik kullanıcı arabirimi uygulama çerçevesi olan Qt tasarımını benimser. Uygulama geliştiricilerine son teknoloji ürünü bir grafik kullanıcı arabirimi oluşturmak için gereken tüm işlevleri sağlar. Tamamen nesne odaklıdır, genişletmesi kolaydır ve gerçek bileşen programlamaya izin verir [8]. Uygulamayı yalnızca bir kez yazmanız gerekir ve bu programları farklı işletim sistemlerinde dağıtabilirsiniz.
Qt, iki Qt nesnesi arasındaki iletişimi sinyal ve yuva mekanizması aracılığıyla tamamlar. Sinyal, belirli bir zamanda tetiklenecektir ve yuva, sinyale yanıt verme ve sinyale karşılık gelen işlevdir [9].
3.2.1 ReceivedData sınıfı
Ana bilgisayar programının çekirdeği, QWidget sınıfından miras alınan özel bir sınıf olan ReceivedData sınıfıdır. Her ReceivedData sınıf nesnesi, farklı alt bilgisayarlar tarafından iletilen TCP verilerini almak ve işlemekten ve grafikteki verilerin görüntülenmesini tamamlamaktan sorumlu olan bir bağlantı noktasına karşılık gelir.
ReceivedData sınıfı esas olarak bir QCustomPlot sınıf nesnesi, bir QTcpServer sınıf nesnesi ve bir QTcpSocket sınıf nesnesi içerir. QCustomPlot sınıfı küçük ama güçlü bir Qt çizim sınıfıdır.Programa grafik çizimi için bir pencere sağlar.Kullanıcı, parametreleri ayarlayarak bir pencerede birden çok eğri çizebilir ve yakınlaştırmak için fare tekerleğini sürükleyebilir. Görüntü ve diğer işlevler. QTcpServer sınıfı ve QTcpSocket sınıfı nesnesinin birleşimi, belirtilen bağlantı noktasının TCP veri alımını tamamlayabilir. ReceivedData sınıfının ana bileşimi Tablo 2'de gösterilmektedir.
3.2.2 TCP protokolü iletişim işleme akışı
Qt, TCP verilerinin soketler üzerinden iletimini tamamlar Bağlantı talebini aldıktan sonra, TCP sunucusu yeni bağlantıyı sokete bağlayacaktır. TCP sunucusu olarak üst bilgisayar ile TCP istemcisi olarak alt bilgisayar arasındaki etkileşimin akış şeması Şekil 6'da gösterilmektedir.
4 deneysel sonuç
Alt bilgisayar sistemini sırasıyla iki konuma konuşlandırın, her bir sensörü bağladıktan sonra alt bilgisayarın gücünü açın ve üstteki bilgisayar belirlenen bağlantı noktasından TCP verilerini almaya başlar. Bir süre izleme sonrasında, uzaktaki üst bilgisayardan izleme verilerinin bir eğrisi elde edildi.
Şekil 7, iki alt bilgisayarın verilerini uzaktan izleyen üst bilgisayarın çalışma etkisini gösterir Mevcut şekilden, iki izleme yerinin zaman içindeki sıcaklık değişiklikleri açıkça görülebilir.İzleme kaynağının izleme nesnesi, açılan kutu aracılığıyla değiştirilebilir. Üst bilgisayar arabirimi, iki alt bilgisayar tarafından yüklenen verileri almak için iki kanal içerir. Çok kanallı veri izleme arabiriminin tasarım prensibi, arabiriminkiyle aynıdır. Belirli sayıda alt bilgisayarın veri izlemesini tamamlamak için yalnızca ReceivedData sınıfı nesnesini başlatmanız gerekir.
5. Sonuç
Bu makalede tasarlanan veri toplama sistemi, karmaşık saha ortamları ve geçici ölçümler için çok uygun bir çözümdür. Bu tür bir ölçüm terminalinin ana bilgisayar ile mesafe sınırlaması yoktur ve çok fazla insan gücü ve malzeme kaynağı tasarrufu sağlar.Her iki taraf İnternete bağlanabildiği sürece veri iletimi tamamlanabilir. Günümüzde, Nesnelerin İnterneti teknolojisinin hızlı gelişimi ile, GPRS ağı ile birleştirilmiş bu uzaktan veri toplama sistemi çok pratik değere sahiptir.
Referanslar
[1] Wang Zhiyi, Miao Yachun. Kablo iletim teknolojisinin özellikleri ve gelişme yönünün analizi J. Elektronik Mühendisliği Teknolojisi ve Yazılım Mühendisliği, 2013 (17): 193193
2 Li Yanghui.Sıcaklık uzaktan izleme sisteminin tasarımı STM32 ve GSM J. Otomasyon ve Enstrümantasyon, 2015 (1): 5659.
[3] Lu Youliang STM32 M 'ye dayalı gömülü sistem prensibi ve tasarımı Pekin: Mechanical Industry Press, 2014.
[4] YIU J. ARM CortexM3 ve CortexM4 [M] için kesin kılavuz Wu Changyu, Cao Mengjuan, Wang Lihong, tercüme Pekin: Tsinghua University Press, 2015.
5 Gan Zhiwei, Yan Kai SIM900A J. Shanxi Electronic Technology, 2013 (1): 5558'e dayalı kablosuz veri toplama kartının tasarımı ve uygulaması.
[6] Song Xuesong, Li Dongming, Cui Changsheng Size 51 tek çipli mikro bilgisayarı nasıl öğreneceğinizi öğretin: C dili versiyonu [M] Pekin: Tsinghua University Press, 2014.
[7] Zheng Youxun, Li Zongbo STM32 mikroişlemci J tabanlı GPRS veri iletim teknolojisi üzerine araştırma. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2012, 31 (21): 6164.
[8] Lu Wenzhou Qt5 geliştirme ve örnekler (2. baskı) [M] Pekin: Electronic Industry Press, 2015.
[9] Jin Dachener. Qt5 geliştirme savaşı [M] Zhang Hongyan, tercüme edildi. Pekin: Halk Mesajları ve Telekomünikasyon Basın, 2015.
