基于STM32和SIM900A的無(wú)線(xiàn)通信模塊設計與實(shí)現

摘要：針對廠(chǎng)方提出的設計一個(gè)可以實(shí)現短信收發(fā)與數據無(wú)線(xiàn)傳輸的模塊的要求，本文采用了ARM Cortex—M3內核的主流產(chǎn)品STM32作為主控芯片，采用SIMCom公司的SIM900A作為通信芯片。在查閱大量相關(guān)文獻以及相關(guān)芯片的數據手冊之后，本文設計了一個(gè)遠程無(wú)線(xiàn)通信模塊。該模塊在實(shí)驗室試運行一周后，沒(méi)有出現掉線(xiàn)的情況，數據收發(fā)的速度也很快。該模塊具有性能穩定，外形小巧，性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。廠(chǎng)方投入使用之后，反應良好。

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )和現代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，遠程無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的研究與實(shí)際應用，現如今在工業(yè)控制領(lǐng)域有了非常重要的地位，并且發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越大的作用。文中根據廠(chǎng)家的要求，設計的無(wú)線(xiàn)通信模塊，主要實(shí)現了短信與數據收發(fā)功能，并且做到了模塊的穩定，掉線(xiàn)之后能夠自動(dòng)重連。

1 無(wú)線(xiàn)通信模塊整體設計方案

模塊主要有電源部分、主控部分、通信部分、數據傳輸部分4個(gè)部分組成。通信模塊采用SIM900A進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。主控模塊采用STM32作為主控芯片，來(lái)控制短信的收發(fā)與數據傳輸的順利進(jìn)行。遠程終端可以是手機或者上位機的數據中心軟件，經(jīng)過(guò)處理之后，儲存下來(lái)，方便日后的查詢(xún)。本模塊具有低功耗，方便靈活，操作簡(jiǎn)單并且穩定，掉線(xiàn)之后可以自動(dòng)連接，運行過(guò)程十分穩定，并且成本較低。

2 無(wú)線(xiàn)通信模塊硬件設計

2.1 功能需求

本文設計的無(wú)線(xiàn)通信模塊，要求單12V電源輸入，模塊上電運行后有相應的指示燈來(lái)指示模塊的運行狀態(tài)。另外要求模塊能夠實(shí)現短信以及數據透傳兩大主要功能，在手機發(fā)送短信給模塊之后，模塊能夠動(dòng)作，并給出回應。最后要求在建立TCP鏈接時(shí)，仍然能夠收發(fā)短信。

2.2 電源部分

在主電路中，主控芯片STM32的工作電壓為2.0～3.6 V，通信芯片SIM900A的工作電壓為3.1～4.6 V，為使模塊各個(gè)部分正常工作，必須對兩者進(jìn)行分別供電，電源供電電路如下：

圖中V12外接12 V電源，經(jīng)過(guò)電容濾波后輸入到LM2576，實(shí)現12 V到4 V的轉換，R1、R2在線(xiàn)路中起到分壓作用，D2燈亮起時(shí)，表示模塊已經(jīng)正常供電。LM2576是美國國家半導體公司生產(chǎn)的3 A電流輸出降壓開(kāi)關(guān)型集成穩壓電路，具有完善的保護電路，比較穩定。

2.3 主控芯片

主控模塊采用STM32單片機作為微控制器，該芯片能工作于-40～105℃的溫度范圍，MAX3232芯片用于串行口的電平變換，實(shí)現控制器與通信接口之間的通信。串口1與電源電平轉換芯片Max3223相連，USART1_TX(輸出，所以在配置GPIO時(shí)，定義該口的模式為推拉輸出，USART1_ RX為輸入，定義為懸浮輸入模式。串口2與SN65LBC184D通信，實(shí)現數據的收發(fā)，USART2_RTS、USART2_RX為輸入端口，模式定義為懸浮輸入模式，USART2_CTS、USART2_TX為輸出端口，模式定義為推拉輸出。串口3用來(lái)控制SIM900A芯片，USART3_RTS、USART3_RX為輸入端口，模式定義為懸浮輸入，USART3_CTS、USART3_TX為輸出端口，模式定義為推拉輸出。

2.4 通信芯片

通信芯片采用SIMCom公司的新型緊湊型產(chǎn)品SIM900A，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩定，外觀(guān)精巧，性?xún)r(jià)比高，并且能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的多種需求。在實(shí)現斷線(xiàn)自動(dòng)重連功能時(shí)，涉及到DCD、RI兩個(gè)引腳的使用。DCD引腳用來(lái)實(shí)現模數轉換，當模塊掉線(xiàn)時(shí)，會(huì )給DCD引腳一個(gè)高電平，當這個(gè)電平被DCD引腳檢測到之后，模塊就是采取相應的動(dòng)作，來(lái)重新連接上線(xiàn)。RI引腳在模塊上線(xiàn)之后，就一直保持高電平，在有電話(huà)和短信進(jìn)來(lái)的時(shí)候，RI管腳就會(huì )有一個(gè)低電平出現，當RI引腳檢測到這個(gè)低電平的時(shí)候，模塊就會(huì )采取相應動(dòng)作，進(jìn)入到短信或者電話(huà)模式。

3 無(wú)線(xiàn)通信模塊軟件設計

3.1 STM32的底層配置

為了實(shí)現STM32單片機與SIM900A模塊之間的數據通信，實(shí)現短信收發(fā)與數據傳輸兩大功能。首先要搭建開(kāi)發(fā)平臺，在工程中加入需要用到的庫函數以及配置文件，然后配置系統時(shí)鐘、中斷控制器、輸入輸出的GPIO以及相應的串口。在配置這些參數的時(shí)候，首先需要對照原理圖進(jìn)行編寫(xiě)，然后查看芯片用到哪些端口和這些端口的作用，這樣才能保證無(wú)誤。接下來(lái)就要對各個(gè)部分進(jìn)行配置，以保證模塊能夠正常運行。

3.1.1 串口配置

開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建好之后，就可以配置端口參數了。對于本模塊，設置USART傳輸的比特率為9 600 b/s，字長(cháng)為8 bit，1bit停止位，無(wú)檢驗模式。在對串口1、2、3初始化之后，打開(kāi)串口的中斷響應函數：USART_ITConfig(USART1，USART_IT_RXNE，ENABLE)(以串口1為例)，使能相應的串口：USART_Cmd(USART1，ENABLE)，這樣串口的配置就基本完成了。

3.1.2 中斷控制器的配置

首先配置優(yōu)先級分組，設置先占優(yōu)先級1位，從優(yōu)先級3位。本模塊定義了5個(gè)全局中斷，分別為：兩個(gè)RTC全局中斷、USART1全局中斷、USART2全局中斷、USART3全局中斷，分別對每一個(gè)中斷配置優(yōu)先級，使能串口再初始化即可。需要注意的是，PC15管腳作為EXTI15的外部中斷輸入管腳，當該管腳的電平為低電平的時(shí)候觸發(fā)，模塊進(jìn)入短信模式，因此給這個(gè)中斷一個(gè)比較高的優(yōu)先級，所以定義該中斷先占優(yōu)先級1位，從優(yōu)先級0位。在設置優(yōu)先級的時(shí)候，必須根據模塊的運行情況，選擇最優(yōu)的中斷分組和優(yōu)先級，才能保證程序運行時(shí)，能夠快速的響應中斷。

3.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊短信功能的實(shí)現

1)短信收發(fā)具體過(guò)程

短信功能的實(shí)現主要涉及到兩個(gè)關(guān)鍵部分，一個(gè)是AT命令，另一個(gè)是串口的讀寫(xiě)。AT命令是主控芯片STM32和SIM900A之間的通信協(xié)議，完成對SIM900A的控制。短信的收發(fā)主要有兩種模式，一種是文本模式，該模式只支持英文內容，另一種是PDU模式。本模塊在完成初始化之后，首先通過(guò)USART向SIM900A發(fā)送“AT+回車(chē)”命令來(lái)檢查AT命令是否正常工作，如果返回OK，則表示能夠進(jìn)行接下來(lái)的短信功能。

SIM900A的短信功能主要分為兩個(gè)部分，第一：讀取短消息。讀取短消息的設置命令為：AT+CMGR，該命令生效后有兩個(gè)返回值：index和mode，index就是接收到的短信的編號，我們將接收到的index內容放在一個(gè)長(cháng)度為30的buf中，再將buf寫(xiě)入到串口3中，然后再讀取串口3中的內容，這樣，短信的編號就獲取完畢。獲取了短信的編號之后，就能去獲取短信的具體內容，而短信的內容則存放在alpha中，它處于響應的第三個(gè)位置，通過(guò)get_fw(at_string，phnum，19，2)可將短信的內容取出來(lái)，這樣短信的內容就獲取到了。第二：發(fā)送短消息。發(fā)送短消息的設置命令為：AT+CMGS，首先將發(fā)送短信的電話(huà)號碼存入到一個(gè)buf中，將這個(gè)buf寫(xiě)入到串口3中，以此獲取手機號碼。而短信在發(fā)送的時(shí)候，短信內容之前會(huì )帶一個(gè)“>”號，在程序設計時(shí)，只要檢測到“>”號時(shí)，后面的內容也就是短信發(fā)送的內容，最后將短信的內容寫(xiě)到串口3即可。

2)相應的AT命令

3.3 短信命令的定義

本模塊自定義了許多短消息命令來(lái)設置或者查詢(xún)模塊的參數，具體為：SIP：IP地址設置命令、SPT：端口號設置命令、DID：ID號設置命令、ACON：自動(dòng)連接命令、PRT：打印命令、LIVE：心跳操作命令、CSQ：信號強度查詢(xún)命令。這些指令通過(guò)短信的方式來(lái)實(shí)現對模塊的操作。

拿SIP來(lái)舉例，它的實(shí)現過(guò)程為：首先把短信中的‘=’之前的字符取出來(lái)存放在sms_cmd中，然后將sms_cmd與SIP、SIT、DID、ACON、PRT、LIVE、CSQ來(lái)比較，如果等于其中一個(gè)，則程序跳轉到相應的部分來(lái)執行相應的操作。這里，strcmp(sms_cmd，“SIP”)==0，程序跳轉到SIP部分來(lái)執行IP部分的操作。然后，將‘=’之后的字符取出來(lái)存放在sms_para中。通過(guò)字符串比較函數來(lái)判斷它是‘?’還是數字。如果是‘?’，則表示該短信命令是一個(gè)查詢(xún)命令，就只需要用輸出顯示IP號給用戶(hù)看。如果是數字，則表示該短信命令是一個(gè)設置命令，就需要重新設置某些參數值，來(lái)改變模塊的運行過(guò)程。對于SIP，如果‘=’之后是數字，就表示該短信是用戶(hù)用來(lái)設置模塊的IP地址的。此時(shí)，就要把當前的IP值賦給模塊的IP值就可以了。最后輸出顯示IP地址設置成功，則SPT部分的操作就完成了。

4 無(wú)線(xiàn)通信模塊數據傳輸的實(shí)現

4.1 數據格式的定義

數據包的具體格式如下：

數據包頭已經(jīng)定義為S_PACKET_HEADER結構類(lèi)型，link_id為DWORD類(lèi)型，對于發(fā)送，填寫(xiě)目標link_id，對于接收到的數據包，則為源link_id(由服務(wù)器自動(dòng)轉換填寫(xiě))，結束標志為0x01，數據Data則根據具體的命令而各不相同。

4.2 登陸、退出的協(xié)議過(guò)程

后臺軟件根據指定的服務(wù)器地址和端口號發(fā)起TCP連接請求，連接成功后開(kāi)始命令交互。工作過(guò)程描述如下：

1)后臺軟件首先采用CMD_LOGIN命令，登陸到通信服務(wù)器，在登陸成功之前，發(fā)送其他任何命令服務(wù)器都不處理。發(fā)送CMD_LOGIN：FORWARD給服務(wù)器，攜帶數據為S_TERMINAL。該命令的目標link_id設為0，表示發(fā)送給服務(wù)器，而不是給其他終端。

2)服務(wù)器在CMD_LOGIN：RESPONSE_OK中將其他在線(xiàn)模塊的信息發(fā)送過(guò)來(lái)，從而在客戶(hù)端應用程序形成在線(xiàn)模塊列表。后臺若收到CMD_LO GIN：;RESPONSE_FAILED回應，則失敗。收到CMD_LOGIN：RESPONSE_OK回應，則成功，攜帶數據為S_TERMINAL。

3)后臺軟件定時(shí)發(fā)送CMD_KEEP_LIVE命令，以維持鏈路不被網(wǎng)絡(luò )和服務(wù)器終止。每個(gè)在線(xiàn)設備必須在一定的時(shí)間間隔內向服務(wù)器發(fā)送CMD_ KEEP_LIVE信息。服務(wù)器將對此作檢查，若某設備在一定的時(shí)間間隔內沒(méi)有發(fā)送CMD_KEEP_LIVE信息，則認為該設備已經(jīng)“死亡”，服務(wù)器將

斷開(kāi)其連接。

4)后臺軟件可對模塊列表中的任意模塊進(jìn)行操控。

5)后臺軟件退出時(shí)，用戶(hù)設備應首先發(fā)送CMD_LOGOFF命令到服務(wù)器，告訴服務(wù)器“我要退出”，該命令的目標link_id設為0。在發(fā)送CMD _LOGOFF：FORWARD給服務(wù)器時(shí)，不需要攜帶數據。

4.3 數據傳輸具體過(guò)程

首先要定義建立TCP連接與關(guān)閉TCP連接的函數，涉及到的AT指令為AT+CIPSTART和AT+CIPCLOSE。建立TCP連接時(shí)，先把AT+CIPSTART指令寫(xiě)到串口3中，然后該指令生效后，會(huì )返回一個(gè)“CONNECT”，之后只要檢測到有返回值“CONNECT”，就表示TCP連接已經(jīng)建立成功。關(guān)閉TCP

連接與建立TCP連接類(lèi)似，AT+CIPCLOSE指令生效后會(huì )返回一個(gè)“CLOSE OK”，只要檢測到“CLOSE OK”，就表示TCP連接已經(jīng)關(guān)閉。

TCP連接建立好以后，透傳模式就已經(jīng)被開(kāi)啟，此時(shí)就可以實(shí)現數據的發(fā)送與讀取。

當用戶(hù)要發(fā)送數據時(shí)，就必須根據數據包的結構來(lái)發(fā)送數據，首先把包頭寫(xiě)入到串口3中，如果有數據，則把數據內容和接收對象一并寫(xiě)入到串口3中，這樣數據的發(fā)送就完成了。

讀取數據時(shí)，只要有數據過(guò)來(lái)，就一次一個(gè)字節，把數據存放到user_string[i]中，然后i++，再次接收數據。

至于數據讀取到什么時(shí)候結束，本程序定義了3種結束的情況：1)如果用戶(hù)定義了數據的長(cháng)度，就讀取到最后一個(gè)字節才結束。2)如果用戶(hù)沒(méi)有定義數據的長(cháng)度，就在讀取到回車(chē)符的時(shí)候結束。3)如果遇到既沒(méi)有已定義的數據包長(cháng)度，又沒(méi)有讀取到回車(chē)符的情況時(shí)，就在數據存放的長(cháng)度超過(guò)user_string[i]總長(cháng)度的四分之三的時(shí)候結束，或者在超過(guò)100毫秒沒(méi)有數據發(fā)過(guò)來(lái)的時(shí)候結束數據的讀取。

4.4 相應的AT命令

5 斷線(xiàn)重連的處理

5.1 TCP鏈接的關(guān)閉和建立

TCP鏈接的建立涉及到的AT命令是at+cipstart，該指令有兩個(gè)返回值，分別是模塊的IP地址和端口號。首先將at+cipstart指令返回的當前模塊的IP地址和端口號存放到一個(gè)buf中，然后將這個(gè)buf寫(xiě)入到串口3中，如果之后能夠讀取到返回值“CONNECT”，就表示TCP鏈接已經(jīng)建立好。

TCP鏈接的關(guān)閉涉及到的AT命令是at+cipclose，該指令沒(méi)有返回值，可以直接將該指令寫(xiě)到串口3中，如果檢測到“CLOSE OK”，就表示TCP鏈接已經(jīng)被關(guān)閉。

5.2 DCD的檢測

當TCP建立起來(lái)之后，DCD引腳的電壓值便由高電平變?yōu)榈碗娖?，因此DCD引腳的電平狀態(tài)可以用過(guò)來(lái)指示TCP的連接情況。在程序中，本文設置時(shí)鐘在檢測DCD引腳的狀態(tài)值，當該引腳的電平值由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，就表示模塊模塊已經(jīng)掉線(xiàn)，然后模塊就重新開(kāi)始登陸，直到登陸上為止。

5.3 TCP鏈接下的短信收發(fā)

本文定義了一個(gè)全局中斷，當有短信或者電話(huà)到達模塊時(shí)，RI引腳的電平便會(huì )由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)便會(huì )觸發(fā)全局中斷，模塊立即轉而處理短信收發(fā)或者數據傳輸。

6 測試效果

本模塊在設計完成之后，在實(shí)驗室穩定運行了2周時(shí)間，沒(méi)有出現什么問(wèn)題。然后又進(jìn)行了特殊情況的測試，在模塊斷電后恢復供電，數據中心斷電后重新上電的情況下，都能夠重新連接上線(xiàn)，并且能夠繼續穩定運行。隨后模塊又被送到廠(chǎng)方使用，在被使用了3周之后，廠(chǎng)方反應模塊運行情況良好，沒(méi)有掉線(xiàn)的情況。

7 結論

本文設計的無(wú)線(xiàn)通信模塊，是利用STM32來(lái)控制SIM900A芯片，來(lái)實(shí)現短消息的收發(fā)與數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。本設計完成了無(wú)線(xiàn)通信的硬件部分和軟件部分的設計與實(shí)現。在多次運行試驗時(shí)，本模塊沒(méi)有出現掉線(xiàn)以及發(fā)熱等問(wèn)題，非常穩定。本次設計成本較低，運行穩定可靠，應用范圍十分廣泛，利用SIM900A，降低了模塊的成本，使其更加具有商業(yè)價(jià)值。