基于GPRS的实验室设备在线监测系统的设计

崔一然

（延边大学工学院，吉林 延边 133002）

基于GPRS的实验室设备在线监测系统的设计

崔一然

（延边大学工学院，吉林 延边 133002）

本设计采用意法半导体生产的STM32单片机作为数据采集、处理和发送的核心，通过GPRS无线网络将数据发送到互联网，进而实现仪器设备的网上监控。本设计的主要目标是将GPRS无线网络引进到实验室仪器设备的监测中来，实验室科研人员只需在任何一台电脑登录相关网页即可查看远端仪器的运行状况。

GPRS；STM32；无线；物联网

1　研究背景

目前高校或研究所实验仪器和设备较多，分布在各个楼层甚至各个楼宇之间。这样不仅不便于仪器的统一管理，也不便于实验人员进行高效率的实验。很多时候，为了实验的有序进行以及实验的安全需要，实验人员需要在实验设备旁连续工作一天甚至更长时间，因此实验室的管理问题亟待解决。随着万物互联时代的到来，“互联网+”的概念深入人心，将GPRS应用在仪器设备的使用和检测中，将会大大提高管理和使用的效率。

本设计充分发挥了GPRS网络的优势，将GPRS与实验设备的应用与管理相结合，使工作人员可以在监控中心、办公室或任何覆盖互联网的终端上对实验进行监测。随时得到即时数据报告，实现远端无人值守。

2　系统框架结构

本设计共分为3部分：STM32 GPRS模块数据采集终端，GPRS通信网络，网站监测中心。

由于第二部分为借用现有的GSM/GPRS网络，故本设计只需完成第一部分和第三部分。第一部分是STM32和GPRS模块数据采集终端，主要由STM32单片机核心，型号为SIM900的GPRS模块、各种数据采集传感器等硬件组成；第三部分为网站监测中心，主要分为数据接收和数据处理两部分，可自己搭建也可以使用第三方的物联网开源平台。

2.1 系统工作流程

（1）首先数据采集终端读取实验设备的运行参数比如气压、温度、适度、光强等等。本设计以温度数据为例展开。采用的是NTC（热敏电阻）作为温度传感器。

（2）数据采集终端得到实验设备的温度值之后，需要对其进行存储和发送。通过控制插有SIM卡的GPRS模块将所得到的温度值发送到指定服务器上。

（3）GPRS模块发送端遵循一定的协议，将温度数据上传到互联网。网站将定时收到的数据制成图表，易于直观观察。

（4）用户登录网站，在云端即可查看当前温度值和历史数据。

工作流程图如图1所示。

图1 系统总体工作流程

2.2 硬件部分介绍

终端硬件主要有3部分：第一部分是该终端的核心，即单片机；第二部分是数据采集部分，即温度传感器；第三部分为数据发送部分，即GPRS模块。

数据采集终端是由意法半导体生产的STM32系列单片机，具有非常杰出的功耗控制和众多的外设，最重要的是其较高的性价比。

用热敏电阻（N T C）作为温度传感器，规格是10K@25℃，该型传感器的测量范围为-10～+300℃，也可做到-200～+10℃。

GPRS模块在本设计中作为数据传输的重要组件，需要有较好的性能。本文选用的是SIM900系列GSM/GPRS模块。主要特性：支持4个频段850/ 900/ 1800/ 1900 MHz；通过AT命令控制（SIMCOM增强AT命令集）；其采用了工业标准接口，并且有丰富的技术支持，故而最终选用SIM900作为无线发射模块。

2.3 软件部分设计

温度传感器的规格是10K@25℃，通过采集热敏电阻的分压值可以计算出环境温度。

第一步，温度传感器与一个10K固定电阻串联分压，电源电压为3.3V。STM32内置了12位的模数转换（A/D ）电路，通过函数ADC _Software StartConv Cmd （ADC1，ENABLE）；可以启动A/D的第一个通道。从而读取现在ADC-TEMP输出的电压数字值ADx。

第二步，通过电压值计算热敏电阻阻值。首先得出热敏电阻两端电压：

根据电压得出热敏电阻当前阻值：

知道热敏电阻阻值后可以进行查表得知温度。程序中需要建立数组，从数组中进行对应输出。故需要将NTC的温度—阻值表输入到数组中查询。

利用函数TEMP=Get _Temperature（void）；就可以将NTC温度返回到TEMP中，TEMP即为当前的温度值。精度为1℃。

3　单片机与GPRS模块间的通信

单片机和SIM900模块间是通过串口协议和AT指令进行的。所以只要掌握了STM32的串口操作和SIM900的AT指令集就可以完成对SIM900的驱动。

单片机开机后要对SIM900进行启动还有一系列的初始化，这些都是通过串口通信实现的。

STM32有其自带的串口驱动程序子函数。在文件stm32f10x _usart.c中可以找到该子函数：

需要对串口波特率、奇偶校验、停止位等等进行配置：

｛

usart _init.USART _BaudRate = GSM _COMM _ Speed；//设置串口波特率

usart _init.USART _WordLength = USART _ WordLength _8b； //8位数据

usart _init.USART _StopBits= USART _StopBits _1；//1位停止位

usart _init.USART _Parity= USART _Parity _No ； //无校验

usart _init.USART _HardwareFlowControl = USART _HardwareFlowControl _None； //没有流量控制usart _init.USART _Mode = USART _Mode _Rx | USART _Mode _Tx； //可收、可发【全双工模式】

｝ //

然后基于上面的串口子函数，可以编写更高级的串口函数用于GPRS模块，可以通过向SIM900发送一个字节的数据：

void GSM _TxString （ INT8U *str ）

｛

while （ *str！ = '' ）

｛

GSM _TxChar （ *str++ ） ；

｝ //

｝ //

该函数可以直接发送一个字符串，从而简化了程序的书写。基于函数GSM _TxString（INT8U *str）可以完成一系列的SIM900功能命令函数。

4　数据接收部分—Yeelink物联网平台介绍

Yeelink是一个开放的通用物联网平台。主要提供传感器数据的接入、存储和展现服务，为所有的开源软硬件爱好者、制造型企业，提供一个物联网项目的平台。使得硬件和制造业者能够在不关心服务器实现细节和运维的情况下，拥有交付物联网化的电子产品的能力。其为传统硬件与互联网之间搭建了一个理想的平台。发展到现在该平台已支持数值型、图像型、GPS型和泛型等多种数据的接入，并提供完备的API文档和代码示例。通过API接口，用户只需要简单的几步操作就能将传感器数据接入Yeelink平台，实现传感器数据的远程监测。

首先在Yeelink网站注册自己的传感器，获得用户API密码，我的用户名是wangshande，获得的API KEY为1b2d5335 8c57895f3b****03f9ee78c2，注册的传感器URL为http：//api. yeelink.net/v1.0/device/3212/sensor/4536/datapoints。这样基于以上数据，通过SIM900模块，遵循POST表单格式，即可成功将数据上传到服务器。

单片机将该表单模拟出来发送到SIM900，SIM900就可以将数据传送到网站。

STM32模拟得到的POST表单通过以下函数方式发送到GPRS模块：

GSM _GPRS _SEND （

"POST /v1.0/ /v1.0/device/3212/sensor/4536/datapoints

H T T P/1.1 U -A p i K e y：1b2d53358c57895f3b****03f9ee78c2 Host： api.yeelink.net Accept： */*

Content -Length： 19

｛ "value"：18.22｝ //

Connection：close " ） ；

这时候登录网站可以看到刚刚更新的温度数据。

本设计主要是通过用热敏电阻再配以STM32单片机实现了实验中温度的采集，并用单片机向SIM900传送温度表单，再由SIM900 GPRS模块上传到网站，以实现对实验室温度的监测，如果再配上其他类型的传感器就可以实现对实验更多项目的监测，实现更广泛的物联。

［1］RAJEEEV S，A ANANDA移动无线传感器网—原理应用和发展方向［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［2］蒙博宇.STM32自学笔记［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2012.

［3］啜刚，孙卓.移动通信原理［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［4］赵振华.基于GPRS和RF技术的远程全无线自动抄表系统［J］.计算机与数字工程，2008（11）：66-70.

［5］庄王健.网页设计三剑客白金教程［M］.北京：电子工业出版社，2008.

Design of on line monitoring system of laboratory equipment based on GPRS

Cui Yiran
（Engineering School of Yanbian University， Yanbian 133002 ， China）

This design aims at introducing GPRS wireless network to the monitoring of laboratory equipment so that the experimenter simply needs to log in the related pages with any computer to view the operational state of the remote equipment， in which way the effciency of the equipment can be improved. Moreover， this system can deal with the risks， which is generated during the operation of the instrument.

GPRS； STM32； wireless； Internet of things

崔一然（1998— ），男，吉林辉南；研究方向：电子信息与通信工程。