基于SIM900A的無線數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的無線通訊、有效傳輸，滿足智能化需求，設(shè)計(jì)了一種基于SIM900A的無線數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡主要采用SIM900A芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)GSM／GPRS無線傳輸，將采集到的數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程終端。本設(shè)計(jì)改善了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模式，提供了更趨向于智能化的功能。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，具有低成本，低功耗，應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，和很好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：SIM900A；數(shù)據(jù)采集；GSM／GPRS；無線通訊

0 引言
    數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要指從傳感器輸出的微弱信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理、數(shù)模轉(zhuǎn)換到存儲(chǔ)、記錄這一過程所涉及的技術(shù)。當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集卡大部分以電纜或插槽連接，受到插槽數(shù)不足、安裝不便、傳輸距離等眾多因素的限制。伴隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，使用簡單、分布靈活的無線數(shù)據(jù)采集卡慢慢涌現(xiàn)出來，成為數(shù)據(jù)采集卡新的重要發(fā)展方向。目前，無線數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)現(xiàn)多以zigbee，nRF905，WI_FI等無線通訊技術(shù)為主。而SIM900A芯片在眾多項(xiàng)目中的成功實(shí)踐，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的無線通訊提供了新的思路。因此，設(shè)計(jì)這種低功耗的基于SIM90 0A的無線數(shù)據(jù)采集卡，以滿足用戶越來越多的新要求。

1 無線數(shù)據(jù)采集卡整體設(shè)計(jì)方案
    無線數(shù)據(jù)采集卡主要由電源模塊、主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無線通訊模塊、外圍接口和遠(yuǎn)程終端6部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊采用溫度傳感器DS18B20組成，采集溫度數(shù)據(jù)。主控模塊選用ATMEGA128作為主控芯片，使用其定時(shí)器功能定時(shí)采集溫度、蓄電池電壓等參數(shù)信息，利用主控芯片中的AD轉(zhuǎn)換模塊，將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再經(jīng)主要由SIM900A構(gòu)成的無線通訊模塊傳送給遠(yuǎn)程終端。遠(yuǎn)程終端可以為手機(jī)或上位機(jī)LINUX終端平臺(tái)，經(jīng)由處理后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，以備日后查詢。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集卡由電源模塊供電，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。我們設(shè)計(jì)的電源模塊具備太陽能充電功能，從而確保數(shù)據(jù)采集卡的持久供電。此設(shè)計(jì)，具有低功耗，方便靈活，易于操作，幾乎不受空間條件的限制等特點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)采集卡硬件設(shè)計(jì)
2．1 電源模塊
    電源模塊給無線數(shù)據(jù)采集卡的主控模塊、無線通訊模塊和數(shù)據(jù)采集模塊供電。該電源模塊同時(shí)帶有太陽能充電功能和電池電壓檢測功能，保證系統(tǒng)持久供電。電源模塊硬件電路如圖2所示。因?yàn)閿?shù)據(jù)采集卡中主控模塊電壓要求2．7～5．5V，無線通訊模塊電壓要求3．4～4．5V，所以選用3．7V作為供電電壓。由于無線通訊模塊啟動(dòng)電壓很大，故特意設(shè)計(jì)了一個(gè)感抗值比較大的電感(圖2中L1)。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大瞬時(shí)電動(dòng)勢，使電流達(dá)到2A以上，足以達(dá)到無線通訊模塊的啟動(dòng)要求。

2．2 主控模塊
    主控模塊選用ATmega128作為主控芯片。主控模塊硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。ATmega128是ATMEL公司生產(chǎn)的一款基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗CMDS 8位單片機(jī)，帶有非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8路10位ADC。AVR核將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，通過一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器，ATmega8可以取得1 MIPS／MHz的性能，這種結(jié)構(gòu)提高了其性能。ATmega128負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)采集模塊采集回的模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量，并組建數(shù)據(jù)報(bào)，使用串口通過AT指令操作無線通訊模塊將數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送出去。
2．3 無線通訊模塊
    無線通訊模塊采用SIM900A芯片實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)傳輸功能。SIM900A模塊是一款尺寸緊湊，內(nèi)置TCP／IP協(xié)議棧的GSN／GPRS模塊。利用SIM900A的特性，本設(shè)計(jì)提供兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。一是基于GSM的短信傳輸模式，用戶通過手機(jī)短信發(fā)送指令，返回采集的數(shù)據(jù)參數(shù)；二是基于GPRS的傳輸模式，用戶經(jīng)由計(jì)算機(jī)LINUX終端界面，控制采集數(shù)據(jù)。無線通訊模塊硬件實(shí)現(xiàn)如圖4所示。通過拉低端口1 PWRKEY開啟和關(guān)閉模塊，52管腳用于指示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，根據(jù)發(fā)光二極管閃爍的頻率可以判斷手機(jī)卡是否在移動(dòng)控制中心注冊。30～33端口用于接手機(jī)SIM卡。

2．4 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊采用單總線DS18B20溫度傳感器，采集溫度數(shù)據(jù)值，送至主控模塊單片機(jī)的F端口第0位(PF0)。

3 數(shù)據(jù)采集卡軟件設(shè)計(jì)
3．1 底層驅(qū)動(dòng)程序
    數(shù)據(jù)采集卡硬件部分，通過對(duì)ATmega128單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、蓄電池電壓等參數(shù)的采集、處理、發(fā)送等功能。
    采集卡上電復(fù)位后，驅(qū)動(dòng)軟件先執(zhí)行初始化操作，初始化包括主控芯片的端口，串口波特率(與GSM／GPRS模塊串口波特率一致)，EEPROM中的固定參數(shù)，以及GSM／GPRS模塊的GSM通道GPRS通道設(shè)置，模塊串口設(shè)置。之后主控芯片定時(shí)判斷是否有來自遠(yuǎn)程終端或手機(jī)短信的預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)請求命令接口。其外部時(shí)鐘電路每分鐘觸發(fā)的一次中斷信號(hào)，開始采集傳感器中獲取的數(shù)據(jù)值。當(dāng)有命令傳來時(shí)，就組建信息報(bào)文，通過串口將報(bào)文數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送模塊傳送出去。串口通訊流程圖如圖5所示。

    由于環(huán)境參數(shù)變化緩慢，在外部中斷信號(hào)觸發(fā)后，按照約定的采樣間隔采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)保存在全局緩沖區(qū)中，減少多次調(diào)用采集數(shù)據(jù)指令，減輕了采集系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。
3．2 終端平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)
    終端平臺(tái)軟件運(yùn)行于裝有LINUX系統(tǒng)的具有固定IP的計(jì)算機(jī)上。本設(shè)計(jì)選擇LINUX操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺(tái)，LINUX最大的特點(diǎn)就是免費(fèi)開源，支持多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。終端平臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)，采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，各功能模塊之間功能相互獨(dú)立，其中主程序是整個(gè)終端平臺(tái)軟件的核心，通過主程序有機(jī)地調(diào)用系統(tǒng)各類子程序及模塊，形成一個(gè)聯(lián)系緊密的整體，有條不紊地完成各項(xiàng)預(yù)定的操作指令。
    終端軟件平臺(tái)軟件采用多進(jìn)程多線程編制，實(shí)現(xiàn)對(duì)基于GPRS的數(shù)據(jù)傳輸模式的數(shù)據(jù)參數(shù)的接收、顯示、存儲(chǔ)和控制。
3．3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)庫對(duì)基于GPRS的數(shù)據(jù)傳輸模式采集回來的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以備日后查看，為用戶存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中采用MYSQL數(shù)據(jù)庫，MYSQL是一個(gè)開放源碼的小型關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其體積小、速度快、總體擁有成本低，且滿足設(shè)計(jì)需要。

4 測試效果
    通過PROTEL完成PCB圖的設(shè)計(jì)，發(fā)工廠完成PCB板的制作，完成元器件焊接后，下載程序，通電調(diào)試。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)后，無線數(shù)據(jù)采集卡運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。測試效果如圖6所示。

5 結(jié)論
    本文設(shè)計(jì)的基于SIM900A的無線數(shù)據(jù)采集卡是利用SIM900A芯片、ATmega128單片機(jī)等組成的，通過無線通訊模塊GSM／GPRS無線通信方式完成數(shù)據(jù)采集卡到遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)完成了無線數(shù)據(jù)采集卡硬件部分和軟件部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，利用SIM900A的特性，改善了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模式，提供了更加趨向于智能化的功能。本設(shè)計(jì)成本較低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，應(yīng)用范圍廣，可用于遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、存儲(chǔ)等，有很好的推廣價(jià)值。