基于STM32和SIM900A的无线通信模块设计
设计一个可以实现短信收发与数据无线传输的模块的要求，本文采用了ARM Cortex—M3内核的主流产品STM32作为主控芯片，采用SIMCom公司的SIM900A作为通信芯片。在查阅大量相关文献以及相关芯片的数据手册之后，本文设计了一个远程无线通信模块。该模块在实验室试运行一周后，没有出现掉线的情况，数据收发的速度也很快。该模块具有性能稳定，外形小巧，性价比高等优点。厂方投入使用之后，反应良好。
随着网络和现代通信技术的不断发展，远程无线通信技术经过多年的研究与实际应用，现如今在工业控制领域有了非常重要的地位，并且发挥着越来越大的作用。文中根据厂家的要求，设计的无线通信模块，主要实现了短信与数据收发功能，并且做到了模块的稳定，掉线之后能够自动重连。
1、无线通信模块整体设计方案
模块主要有电源部分、主控部分、通信部分、数据传输部分4个部分组成。通信模块采用SIM900A进行无线通信。主控模块采用STM32作为主控芯片，来控制短信的收发与数据传输的顺利进行。远程终端可以是手机或者上位机的数据中心软件，经过处理之后，储存下来，方便日后的查询。本模块具有低功耗，方便灵活，操作简单并且稳定，掉线之后可以自动连接，运行过程十分稳定，并且成本较低。
2、无线通信模块硬件设计
2.1 功能需求
本文设计的无线通信模块，要求单12V电源输入，模块上电运行后有相应的指示灯来指示模块的运行状态。另外要求模块能够实现短信以及数据透传两大主要功能，在手机发送短信给模块之后，模块能够动作，并给出回应。最后要求在建立TCP链接时，仍然能够收发短信。
图1 无线通信模块结构图
2.2 电源部分
在主电路中，主控芯片STM32的工作电压为2.0～3.6 V，通信芯片SIM900A的工作电压为3.1～4.6 V，为使模块各个部分正常工作，必须对两者进行分别供电，电源供电电路如下：
图中V12外接12 V电源，经过电容滤波后输入到LM2576，实现12 V到4 V的转换，R1、R2在线路中起到分压作用，D2灯亮起时，表示模块已经正常供电。LM2576是美国国家半导体公司生产的3 A电流输出降压开关型集成稳压电路，具有完善的保护电路，比较稳定。
图2 电源模块
2.3 主控芯片
主控模块采用STM32单片机作为微控制器，该芯片能工作于-40～105℃的温度范围，MAX3232芯片用于串行口的电平变换，实现控制器与通信接口之间的通信。串口1与电源电平转换芯片Max3223相连，USART1_TX(输出，所以在配置GPIO时，定义该口的模式为推拉输出，USART1_ RX为输入，定义为悬浮输入模式。串口2与SN65LBC184D通信，实现数据的收发，USART2_RTS、USART2_RX为输入端口，模式定义为悬浮输入模式，USART2_CTS、USART2_TX为输出端口，模式定义为推拉输出。串口3用来控制SIM900A芯片，USART3_RTS、USART3_RX为输入端口，模式定义为悬浮输入，USART3_CTS、USART3_TX为输出端口，模式定义为推拉输出。
图3 主控芯片STM32
2.4 通信芯片
通信芯片采用SIMCom公司的新型紧凑型产品SIM900A，它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，性能稳定，外观精巧，性价比高，并且能够满足用户的多种需求。在实现断线自动重连功能时，涉及到DCD、RI两个引脚的使用。DCD引脚用来实现模数转换，当模块掉线时，会给DCD引脚一个高电平，当这个电平被DCD引脚检测到之后，模块就是采取相应的动作，来重新连接上线。RI引脚在模块上线之后，就一直保持高电平，在有电话和短信进来的时候，RI管脚就会有一个低电平出现，当RI引脚检测到这个低电平的时候，模块就会采取相应动作，进入到短信或者电话模式。
图4 SIM900A通信芯片
3 、无线通信模块软件设计
3.1 STM32的底层配置
为了实现STM32单片机与SIM900A模块之间的数据通信，实现短信收发与数据传输两大功能。首先要搭建开发平台，在工程中加入需要用到的库函数以及配置文件，然后配置系统时钟、中断控制器、输入输出的GPIO以及相应的串口。在配置这些参数的时候，首先需要对照原理图进行编写，然后查看芯片用到哪些端口和这些端口的作用，这样才能保证无误。接下来就要对各个部分进行配置，以保证模块能够正常运行。
3.1.1 串口配置
开发环境搭建好之后，就可以配置端口参数了。对于本模块，设置USART传输的比特率为9 600 b/s，字长为8 bit,1bit停止位，无检验模式。在对串口1、2、3初始化之后，打开串口的中断响应函数：USART_ITConfig（USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE）（以串口1为例），使能相应的串口：USART_Cmd（USART1,ENABLE），这样串口的配置就基本完成了。
3.1.2 中断控制器的配置
首先配置优先级分组，设置先占优先级1位，从优先级3位。本模块定义了5个全局中断，分别为：两个RTC全局中断、USART1全局中断、USART2全局中断、USART3全局中断，分别对每一个中断配置优先级，使能串口再初始化即可。需要注意的是，PC15管脚作为EXTI15的外部中断输入管脚，当该管脚的电平为低电平的时候触发，模块进入短信模式，因此给这个中断一个比较高的优先级，所以定义该中断先占优先级1位，从优先级0位。在设置优先级的时候，必须根据模块的运行情况，选择最优的中断分组和优先级，才能保证程序运行时，能够快速的响应中断。
3.2 无线通信模块短信功能的实现
1） 短信收发具体过程
短信功能的实现主要涉及到两个关键部分，一个是AT命令，另一个是串口的读写。AT命令是主控芯片STM32和SIM900A之间的通信协议，完成对SIM900A的控制。短信的收发主要有两种模式，一种是文本模式，该模式只支持英文内容，另一种是PDU模式。本模块在完成初始化之后，首先通过USART向SIM900A发送“AT+回车”命令来检查AT命令是否正常工作，如果返回OK，则表示能够进行接下来的短信功能。
SIM900A的短信功能主要分为两个部分，第一：读取短消息。读取短消息的设置命令为：AT+CMGR,该命令生效后有两个返回值：index和mode，index就是接收到的短信的编号，我们将接收到的index内容放在一个长度为30的buf中，再将buf写入到串口3中，然后再读取串口3中的内容，这样，短信的编号就获取完毕。获取了短信的编号之后，就能去获取短信的具体内容，而短信的内容则存放在alpha中，它处于响应的第三个位置，通过get_fw（at_string,phnum,19,2）可将短信的内容取出来，这样短信的内容就获取到了。第二：发送短消息。发送短消息的设置命令为：AT+CMGS，首先将发送短信的电话号码存入到一个buf中，将这个buf写入到串口3中，以此获取手机号码。而短信在发送的时候，短信内容之前会带一个“>”号，在程序设计时，只要检测到“>”号时，后面的内容也就是短信发送的内容，最后将短信的内容写到串口3即可。
2）相应的AT命令
3.3 短信命令的定义
本模块自定义了许多短消息命令来设置或者查询模块的参数，具体为：SIP:IP地址设置命令、SPT:端口号设置命令、DID:ID号设置命令、ACON:自动连接命令、PRT:打印命令、LIVE:心跳操作命令、CSQ:信号强度查询命令。这些指令通过短信的方式来实现对模块的操作。
拿SIP来举例，它的实现过程为：首先把短信中的‘=’之前的字符取出来存放在sms_cmd中，然后将sms_cmd与SIP、SIT、DID、ACON、PRT、LIVE、CSQ来比较，如果等于其中一个，则程序跳转到相应的部分来执行相应的操作。这里，strcmp（sms_cmd,“SIP”）==0,程序跳转到SIP部分来执行IP部分的操作。然后，将‘=’之后的字符取出来存放在sms_para中。通过字符串比较函数来判断它是‘?’还是数字。如果是‘?''，则表示该短信命令是一个查询命令，就只需要用输出显示IP号给用户看。如果是数字，则表示该短信命令是一个设置命令，就需要重新设置某些参数值，来改变模块的运行过程。对于SIP，如果''=’之后是数字，就表示该短信是用户用来设置模块的IP地址的。此时，就要把当前的IP值赋给模块的IP值就可以了。最后输出显示IP地址设置成功，则SPT部分的操作就完成了。
4、 无线通信模块数据传输的实现
4.1 数据格式的定义
数据包的具体格式如下：
数据包头已经定义为S_PACKET_HEADER结构类型，link_id为DWORD类型，对于发送，填写目标link_id，对于接收到的数据包，则为源link_id（由服务器自动转换填写），结束标志为0x01，数据Data则根据具体的命令而各不相同。
4.2 登陆、退出的协议过程
后台软件根据指定的服务器地址和端口号发起TCP连接请求，连接成功后开始命令交互。工作过程描述如下：
1)后台软件首先采用CMD_LOGIN命令，登陆到通信服务器，在登陆成功之前，发送其他任何命令服务器都不处理。发送CMD_LOGIN：FORWARD给服务器，携带数据为S_TERMINAL。该命令的目标link_id设为0，表示发送给服务器，而不是给其他终端。
2)服务器在CMD_LOGIN：RESPONSE_OK中将其他在线模块的信息发送过来，从而在客户端应用程序形成在线模块列表。后台若收到CMD_LO GIN：;RESPONSE_FAILED回应，则失败。收到CMD_LOGIN：RESPONSE_OK回应，则成功，携带数据为S_TERMINAL。
3)后台软件定时发送CMD_KEEP_LIVE命令，以维持链路不被网络和服务器终止。每个在线设备必须在一定的时间间隔内向服务器发送CMD_ KEEP_LIVE信息。服务器将对此作检查，若某设备在一定的时间间隔内没有发送CMD_KEEP_LIVE信息，则认为该设备已经“死亡”，服务器将断开其连接。
4)后台软件可对模块列表中的任意模块进行操控。
5)后台软件退出时，用户设备应首先发送CMD_LOGOFF命令到服务器，告诉服务器“我要退出”，该命令的目标link_id设为0。在发送CMD _LOGOFF：FORWARD给服务器时，不需要携带数据。
图5 登陆，推出的协议过程
4.3 数据传输具体过程
首先要定义建立TCP连接与关闭TCP连接的函数，涉及到的AT指令为AT+CIPSTART和AT+CIPCLOSE。建立TCP连接时，先把AT+CIPSTART指令写到串口3中，然后该指令生效后，会返回一个“CONNECT”，之后只要检测到有返回值“CONNECT”，就表示TCP连接已经建立成功。关闭TCP连接与建立TCP连接类似，AT+CIPCLOSE指令生效后会返回一个“CLOSE OK”，只要检测到“CLOSE OK”，就表示TCP连接已经关闭。
TCP连接建立好以后，透传模式就已经被开启，此时就可以实现数据的发送与读取。
当用户要发送数据时，就必须根据数据包的结构来发送数据，首先把包头写入到串口3中，如果有数据，则把数据内容和接收对象一并写入到串口3中，这样数据的发送就完成了。
读取数据时，只要有数据过来，就一次一个字节，把数据存放到user_string[i]中，然后i++，再次接收数据。
至于数据读取到什么时候结束，本程序定义了3种结束的情况：1)如果用户定义了数据的长度，就读取到最后一个字节才结束。2)如果用户没有定义数据的长度，就在读取到回车符的时候结束。3)如果遇到既没有已定义的数据包长度，又没有读取到回车符的情况时，就在数据存放的长度超过user_string[i]总长度的四分之三的时候结束，或者在超过100毫秒没有数据发过来的时候结束数据的读取。
4.4 相应的AT命令
5 、断线重连的处理
5.1 TCP链接的关闭和建立
TCP链接的建立涉及到的AT命令是at+cipstart，该指令有两个返回值，分别是模块的IP地址和端口号。首先将at+cipstart指令返回的当前模块的IP地址和端口号存放到一个buf中，然后将这个buf写入到串口3中，如果之后能够读取到返回值“CONNECT”，就表示TCP链接已经建立好。
TCP链接的关闭涉及到的AT命令是at+cipclose，该指令没有返回值，可以直接将该指令写到串口3中，如果检测到“CLOSE OK”，就表示TCP链接已经被关闭。
5.2 DCD的检测
当TCP建立起来之后，DCD引脚的电压值便由高电平变为低电平，因此DCD引脚的电平状态可以用过来指示TCP的连接情况。在程序中，本文设置时钟在检测DCD引脚的状态值，当该引脚的电平值由高电平变为低电平时，就表示模块模块已经掉线，然后模块就重新开始登陆，直到登陆上为止。
5.3 TCP链接下的短信收发
本文定义了一个全局中断，当有短信或者电话到达模块时，RI引脚的电平便会由高电平变为低电平，此时便会触发全局中断，模块立即转而处理短信收发或者数据传输。
6、 测试效果
本模块在设计完成之后，在实验室稳定运行了2周时间，没有出现什么问题。然后又进行了特殊情况的测试，在模块断电后恢复供电，数据中心断电后重新上电的情况下，都能够重新连接上线，并且能够继续稳定运行。随后模块又被送到厂方使用，在被使用了3周之后，厂方反应模块运行情况良好，没有掉线的情况。
7 、结论
本文设计的无线通信模块，是利用STM32来控制SIM900A芯片，来实现短消息的收发与数据的无线传输。本设计完成了无线通信的硬件部分和软件部分的设计与实现。在多次运行试验时，本模块没有出现掉线以及发热等问题，非常稳定。本次设计成本较低，运行稳定可靠，应用范围十分广泛，利用SIM900A，降低了模块的成本，使其更加具有商业价值。
(作者：霍涛,贾振堂,上海电力学院电子与信息工程)
