基于STM32和SIM900A的无线通信模块设计与实现

摘要：针对厂方提出的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。

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。

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。

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。

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。

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。