基于STM32的無線通信模塊設計

1 無線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(shù)據(jù)傳輸部分4個部分組成。通信模塊采用SIM900A進行無線通信。主控模塊采用STM32作為主控芯片，來控制短信的收發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樌M行。遠程終端可以是手機或者上位機的數(shù)據(jù)中心軟件，經(jīng)過處理之后，儲存下來，方便日后的查詢。本模塊具有低功耗，方便靈活，操作簡單并且穩(wěn)定，掉線之后可以自動連接，運行過程十分穩(wěn)定，并且成本較低。

2 無線通信模塊硬件設計
2.1 功能需求
本文設計的無線通信模塊，要求單12V電源輸入，模塊上電運行后有相應的指示燈來指示模塊的運行狀態(tài)。另外要求模塊能夠實現(xiàn)短信以及數(shù)據(jù)透傳兩大主要功能，在手機發(fā)送短信給模塊之后，模塊能夠動作，并給出回應。最后要求在建立TCP鏈接時，仍然能夠收發(fā)短信。

圖1 無線通信模塊結構圖

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，為使模塊各個部分正常工作，必須對兩者進行分別供電，電源供電電路如下：
圖中V12外接12 V電源，經(jīng)過電容濾波后輸入到LM2576，實現(xiàn)12 V到4 V的轉換，R1、R2在線路中起到分壓作用，D2燈亮起時，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電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓電路，具有完善的保護電路，比較穩(wěn)定。

圖2 電源模塊

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，實現(xiàn)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，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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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。

圖3 主控芯片STM32

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(wěn)定，外觀精巧，性價比高，并且能夠滿足用戶的多種需求。在實現(xiàn)斷線自動重連功能時，涉及到DCD、RI兩個引腳的使用。DCD引腳用來實現(xiàn)模數(shù)轉換，當模塊掉線時，會給DCD引腳一個高電平，當這個電平被DCD引腳檢測到之后，模塊就是采取相應的動作，來重新連接上線。RI引腳在模塊上線之后，就一直保持高電平，在有電話和短信進來的時候，RI管腳就會有一個低電平出現(xiàn)，當RI引腳檢測到這個低電平的時候，模塊就會采取相應動作，進入到短信或者電話模式。

圖4 SIM900A通信芯片

3 無線通信模塊軟件設計
3.1 STM32的底層配置
為了實現(xiàn)STM32單片機與SIM900A模塊之間的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)短信收發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸兩大功能。首先要搭建開發(fā)平臺，在工程中加入需要用到的庫函數(shù)以及配置文件，然后配置系統(tǒng)時鐘、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(shù)的時候，首先需要對照原理圖進行編寫，然后查看芯片用到哪些端口和這些端口的作用，這樣才能保證無誤。接下來就要對各個部分進行配置，以保證模塊能夠正常運行。
3.1.1 串口配置
開發(fā)環(huán)境搭建好之后，就可以配置端口參數(shù)了。對于本模塊，設置USART傳輸?shù)谋忍芈蕿? 600 b/s，字長為8 bit，1bit停止位，無檢驗模式。在對串口1、2、3初始化之后，打開串口的中斷響應函數(shù)：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個全局中斷，分別為：兩個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候觸發(fā)，模塊進入短信模式，因此給這個中斷一個比較高的優(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)先級的時候，必須根據(jù)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，能夠快速的響應中斷。
3.2 無線通信模塊短信功能的實現(xiàn)
1)短信收發(fā)具體過程
短信功能的實現(xiàn)主要涉及到兩個關鍵部分，一個是AT命令，另一個是串口的讀寫。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(nèi)容，另一種是PDU模式。本模塊在完成初始化之后，首先通過USART向SIM900A發(fā)送“AT+回車”命令來檢查AT命令是否正常工作，如果返回OK，則表示能夠進行接下來的短信功能。
SIM900A的短信功能主要分為兩個部分，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(nèi)容放在一個長度為30的buf中，再將buf寫入到串口3中，然后再讀取串口3中的內(nèi)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(nèi)容，而短信的內(nèi)容則存放在alpha中，它處于響應的第三個位置，通過get_fw(at_string，phnum，19，2)可將短信的內(nèi)容取出來，這樣短信的內(nèi)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)送短信的電話號碼存入到一個buf中，將這個buf寫入到串口3中，以此獲取手機號碼。而短信在發(fā)送的時候，短信內(nèi)容之前會帶一個“>”號，在程序設計時，只要檢測到“>”號時，后面的內(nèi)容也就是短信發(fā)送的內(nèi)容，最后將短信的內(nèi)容寫到串口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設置或者查詢模塊的參數(shù)，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：自動連接命令、PRT：打印命令、LIVE：心跳操作命令、CSQ：信號強度查詢命令。這些指令通過短信的方式來實現(xiàn)對模塊的操作。
拿SIP來舉例，它的實現(xiàn)過程為：首先把短信中的‘=’之前的字符取出來存放在sms_cmd中，然后將sms_cmd與SIP、SIT、DID、ACON、PRT、LIVE、CSQ來比較，如果等于其中一個，則程序跳轉到相應的部分來執(zhí)行相應的操作。這里，strcmp(sms_cmd，“SIP”)==0，程序跳轉到SIP部分來執(zhí)行IP部分的操作。然后，將‘=’之后的字符取出來存放在sms_para中。通過字符串比較函數(shù)來判斷它是‘?’還是數(shù)字。如果是‘?’，則表示該短信命令是一個查詢命令，就只需要用輸出顯示IP號給用戶看。如果是數(shù)字，則表示該短信命令是一個設置命令，就需要重新設置某些參數(shù)值，來改變模塊的運行過程。對于SIP，如果‘=’之后是數(shù)字，就表示該短信是用戶用來設置模塊的IP地址的。此時，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 無線通信模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)
4.1 數(shù)據(jù)格式的定義
數(shù)據(jù)包的具體格式如下：

數(shù)據(jù)包頭已經(jīng)定義為S_PACKET_HEADER結構類型，link_id為DWORD類型，對于發(fā)送，填寫目標link_id，對于接收到的數(shù)據(jù)包，則為源link_id(由服務器自動轉換填寫)，結束標志為0x01，數(shù)據(jù)Data則根據(jù)具體的命令而各不相同。

4.2 登陸、退出的協(xié)議過程
后臺軟件根據(jù)指定的服務器地址和端口號發(fā)起TCP連接請求，連接成功后開始命令交互。工作過程描述如下：
1)后臺軟件首先采用CMD_LOGIN命令，登陸到通信服務器，在登陸成功之前，發(fā)送其他任何命令服務器都不處理。發(fā)送CMD_LOGIN：FORWARD給服務器，攜帶數(shù)據(jù)為S_TERMINAL。該命令的目標link_id設為0，表示發(fā)送給服務器，而不是給其他終端。
2)服務器在CMD_LOGIN：RESPONSE_OK中將其他在線模塊的信息發(fā)送過來，從而在客戶端應用程序形成在線模塊列表。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(shù)據(jù)為S_TERMINAL。
3)后臺軟件定時發(fā)送CMD_KEEP_LIVE命令，以維持鏈路不被網(wǎng)絡和服務器終止。每個在線設備必須在一定的時間間隔內(nèi)向服務器發(fā)送CMD_ KEEP_LIVE信息。服務器將對此作檢查，若某設備在一定的時間間隔內(nèi)沒有發(fā)送CMD_KEEP_LIVE信息，則認為該設備已經(jīng)“死亡”，服務器將
斷開其連接。
4)后臺軟件可對模塊列表中的任意模塊進行操控。
5)后臺軟件退出時，用戶設備應首先發(fā)送CMD_LOGOFF命令到服務器，告訴服務器“我要退出”，該命令的目標link_id設為0。在發(fā)送CMD _LOGOFF：FORWARD給服務器時，不需要攜帶數(shù)據(jù)。

圖5 登陸，推出的協(xié)議過程

4.3 數(shù)據(jù)傳輸具體過程
首先要定義建立TCP連接與關閉TCP連接的函數(shù)，涉及到的AT指令為AT+CIPSTART和AT+CIPCLOSE。建立TCP連接時，先把AT+CIPSTART指令寫到串口3中，然后該指令生效后，會返回一個“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。關閉TCP
連接與建立TCP連接類似，AT+CIPCLOSE指令生效后會返回一個“CLOSE OK”，只要檢測到“CLOSE OK”，就表示TCP連接已經(jīng)關閉。
TCP連接建立好以后，透傳模式就已經(jīng)被開啟，此時就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與讀取。
當用戶要發(fā)送數(shù)據(jù)時，就必須根據(jù)數(shù)據(jù)包的結構來發(fā)送數(shù)據(jù)，首先把包頭寫入到串口3中，如果有數(shù)據(jù)，則把數(shù)據(jù)內(nèi)容和接收對象一并寫入到串口3中，這樣數(shù)據(jù)的發(fā)送就完成了。
讀取數(shù)據(jù)時，只要有數(shù)據(jù)過來，就一次一個字節(jié)，把數(shù)據(jù)存放到user_string中，然后i++，再次接收數(shù)據(jù)。
至于數(shù)據(jù)讀取到什么時候結束，本程序定義了3種結束的情況：1)如果用戶定義了數(shù)據(jù)的長度，就讀取到最后一個字節(jié)才結束。2)如果用戶沒有定義數(shù)據(jù)的長度，就在讀取到回車符的時候結束。3)如果遇到既沒有已定義的數(shù)據(jù)包長度，又沒有讀取到回車符的情況時，就在數(shù)據(jù)存放的長度超過user_string總長度的四分之三的時候結束，或者在超過100毫秒沒有數(shù)據(jù)發(fā)過來的時候結束數(shù)據(jù)的讀取。
4.4 相應的AT命令

5斷線重連的處理
5.1 TCP鏈接的關閉和建立
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buf中，然后將這個buf寫入到串口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鏈接的關閉涉及到的AT命令是at+cipclose，該指令沒有返回值，可以直接將該指令寫到串口3中，如果檢測到“CLOSE OK”，就表示TCP鏈接已經(jīng)被關閉。
5.2 DCD的檢測
當TCP建立起來之后，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)可以用過來指示TCP的連接情況。在程序中，本文設置時鐘在檢測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，就表示模塊模塊已經(jīng)掉線，然后模塊就重新開始登陸，直到登陸上為止。
5.3 TCP鏈接下的短信收發(fā)
本文定義了一個全局中斷，當有短信或者電話到達模塊時，RI引腳的電平便會由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時便會觸發(fā)全局中斷，模塊立即轉而處理短信收發(fā)或者數(shù)據(jù)傳輸。

6 測試效果
本模塊在設計完成之后，在實驗室穩(wěn)定運行了2周時間，沒有出現(xiàn)什么問題。然后又進行了特殊情況的測試，在模塊斷電后恢復供電，數(shù)據(jù)中心斷電后重新上電的情況下，都能夠重新連接上線，并且能夠繼續(xù)穩(wěn)定運行。隨后模塊又被送到廠方使用，在被使用了3周之后，廠方反應模塊運行情況良好，沒有掉線的情況。

7 結論
本文設計的無線通信模塊，是利用STM32來控制SIM900A芯片，來實現(xiàn)短消息的收發(fā)與數(shù)據(jù)的無線傳輸。本設計完成了無線通信的硬件部分和軟件部分的設計與實現(xiàn)。在多次運行試驗時，本模塊沒有出現(xiàn)掉線以及發(fā)熱等問題，非常穩(wěn)定。本次設計成本較低，運行穩(wěn)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)價值。