張繼飛　劉　強(qiáng)

摘要：文章設(shè)計(jì)了一種基于GPRS(General Packet Radio Service)和GPS定位跟蹤的挖掘機(jī)車載終端，通過GPRS模塊建立與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的鏈路連接，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)主機(jī)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互。該終端的設(shè)計(jì)與開發(fā)對(duì)工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控具有實(shí)際意義并得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；GPRS網(wǎng)絡(luò)；GPS；CAN總線；數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）06-0012-02

近年來，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的工程機(jī)械進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程監(jiān)控，獲得工程機(jī)械設(shè)備的位置、工況等信息的需求越來越高。當(dāng)前通常的做法是通過SMS短信進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸?shù)墓こ虣C(jī)械數(shù)據(jù)一般只有定位信息，數(shù)據(jù)容量小，實(shí)時(shí)性差。通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)能夠提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的大容量、實(shí)時(shí)傳輸。通過GPS人們能夠?qū)h(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的挖掘機(jī)進(jìn)行全國(guó)范圍、實(shí)時(shí)工況、實(shí)時(shí)位置的監(jiān)控。同時(shí)將GPRS技術(shù)與全球定位技術(shù)(GPS)技術(shù)相結(jié)合，為挖掘機(jī)的客戶提供如防盜、維護(hù)、調(diào)度等各種增值功能，在工程機(jī)械行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

一、遠(yuǎn)程監(jiān)控信息服務(wù)系統(tǒng)組成

整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控信息服務(wù)系統(tǒng)由客戶挖掘機(jī)、GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、GPRS遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)、Internet、車載終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成，如圖1所示：

圖1 挖掘機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控信息服務(wù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理框圖

它是依靠安裝在挖掘機(jī)上的各種傳感器和控制器，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、故障信息和位置參數(shù)進(jìn)行采集，經(jīng)過控制器轉(zhuǎn)換為CAN總線數(shù)據(jù)，發(fā)送到CAN總線，經(jīng)過處理器運(yùn)算處理以后，它將GPS位置和時(shí)間信息及其它信息，由GPRS模塊無線發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過GGSN（Gateway GPRS Support Node. GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）和SGSN（Serving GPRS Support Node. GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）到達(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)端，實(shí)現(xiàn)客戶挖掘機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)端的通信；企業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)端系統(tǒng)通過與故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)正常狀態(tài)參數(shù)數(shù)值相比較對(duì)故障信息進(jìn)行診斷，并將診斷的結(jié)果信息通過GPRS的方式發(fā)送到車載終端的監(jiān)控器，操作員就可以通過監(jiān)控器的各種故障顯示來進(jìn)行相應(yīng)的操作。同時(shí)，若有些重要的部件超過規(guī)定范圍也可以啟動(dòng)故障報(bào)警程序，提醒操作者和監(jiān)控者，或者可以直接進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

二、車載終端設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

由于車載終端需要完成數(shù)據(jù)的通信、處理、存儲(chǔ)，因此需要MCU的嵌入式板，三星S3c2410芯片采用ARM9內(nèi)核，通信接口包括串口、CAN等，符合車載終端遠(yuǎn)程通信的要求。同時(shí)，與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心交互，需要支持網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是采用微控制器控制GPRS通信模塊，；另一種方法是直接采用嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊來實(shí)現(xiàn)。相比較而言第一種方法具有更大的靈活性，簡(jiǎn)便易行。第一種方法由于模塊內(nèi)嵌了PPP、TCP、IP、UDP等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧，因此使用方便，而第二種方法需要編寫上述通信協(xié)議，應(yīng)用方式復(fù)雜，因此我們選用第一種，使用GPRS通信模塊。

（一）硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)總體如圖2所示：

圖2 挖掘機(jī)車載終端整體電路框圖

硬件系統(tǒng)主要由GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊、微控制器、GPS定位模塊、CAN等外部接口電路組成。

GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊選用MC55模塊。MC55模塊是西門子公司推出的新一代全球移動(dòng)通信系統(tǒng)通信模塊，支持端對(duì)端用戶的通信方式，支持短信息業(yè)務(wù)和GPRS等數(shù)據(jù)傳輸和語音呼叫。模塊提供了非常完整的使用接口，包括兩路串行數(shù)據(jù)通信接口、用戶識(shí)別卡接口，內(nèi)嵌TCP/IP棧，串口支持GSM07110協(xié)議，波特率可調(diào)。GPRS通信模塊的串行接口是一個(gè)全雙工的UART口，用戶可以通過這個(gè)串口發(fā)送AT命令與MC55交互，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)和信息交互。

S3c2410微處理器是一款由三星半導(dǎo)體公司為手持設(shè)備等相關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)的，低功耗、高集成度的微處理器，采用272腳FBGA封裝，包含一個(gè)ARM920T內(nèi)核。其內(nèi)部包含以下功能模塊：

1.8V/2.0V內(nèi)部供電，3.3V存儲(chǔ)器，3.3V外部I/O供電，具有16KB一體化的Cache/MMU；具有外部存儲(chǔ)器控制器（SDRAM控制和片選邏輯）；4路DMA，具備外部請(qǐng)求腳；3路UART(支持IrDA1.0，16字節(jié)的發(fā)送FIFO，16字節(jié)的接收FIFO)/2通道SPI；1路多主模式的IIC總線，1路IIS總線控制器；4路PWM定時(shí)器和一路內(nèi)部定時(shí)器；具有看門狗定時(shí)器；另外，通過設(shè)計(jì)CAN總線控制模塊完成采集挖掘機(jī)其它部分的控制器或者傳感器的輸出信號(hào)量，從而使挖掘機(jī)整體具備電路故障的自診斷功能，方便了挖掘機(jī)車輛電路故障的維修以及各個(gè)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控，提高了挖掘機(jī)作業(yè)的安全性。

（二）軟件結(jié)構(gòu)

終端軟件部分有無線數(shù)據(jù)傳輸與處理、GPS數(shù)據(jù)傳輸與處理組成兩個(gè)模塊組成。軟件使用基于Linux操作系統(tǒng)的QT來設(shè)計(jì)人機(jī)界面和線程。

1．線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與處理。無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊的程序流程如圖3所示：

圖3 無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊的程序流程圖

終端啟動(dòng)后進(jìn)行GPRS通信模塊的初始化，主要是通過AT命令設(shè)置MC55的各種通信參數(shù)并與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心建立-個(gè)Socket連接，然后偵聽監(jiān)控中心是否有參數(shù)傳輸或命令數(shù)據(jù)如果偵聽到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行相應(yīng)的處理，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的偵聽使用MC55的一種數(shù)據(jù)主動(dòng)傳輸方式，當(dāng)MC55接收到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)。

如果終端通過偵聽沒有發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，則判斷是否進(jìn)入定時(shí)數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，終端每個(gè)2小時(shí)將向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心傳輸一次終端信息，包括定位信息（位置、速度、方位）、時(shí)間信息、連接信息（終端IP、端口號(hào)）。

終端在處理遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和定時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)監(jiān)聽本地通信接口是否有來自主機(jī)控制器（圖2）的工況數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，如果檢測(cè)到有工況數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，則進(jìn)行相應(yīng)的處理，如果沒有數(shù)據(jù)請(qǐng)求則終端無線傳輸處理模塊重新進(jìn)入偵聽狀態(tài)。

2．GPS數(shù)據(jù)傳輸與處理。GPS模塊采用GARMIN公司的GPS－LVC接收機(jī)，通過S3C2410的串口0連接GPS模塊的數(shù)據(jù)輸出口，GPS模塊每隔1秒輸出定位信息和時(shí)間信息，格式為NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)語句，通過解析GPRMC語句獲得時(shí)鐘和定為信息，其中GPI MC語句解釋如下：

該類型定位數(shù)據(jù)的各個(gè)符號(hào)位的含義如下所示：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，*hh，，，各部分的具體含義如下：

$GPRMC：定位語句起始標(biāo)志；

<1>：協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(hhmmss)；

<2>：GPS定位狀態(tài)指示，A為有效定位，V為無效定位；

<3>：緯度（ddmm.mmmm）；

<4>：緯度標(biāo)志，N為北緯，S為南緯；

<5>：經(jīng)度（dddmm.mmmm）；

<6>：經(jīng)度標(biāo)志，E為東經(jīng)，W為西經(jīng)；

<7>：相對(duì)于地面的速度(000.0-999.9)，單位為海里；

<8>：軌道相對(duì)于地面的夾角(000.0-359.9度)；

<9>：UTC日期（ddmmyy）；

<10>：磁偏角：000.0-180.0度；

<11>：磁偏方向：E為東偏，W為西偏；

*：校驗(yàn)標(biāo)志符；

hh：總校驗(yàn)和；

：語句中止符。

GPS信息解析過程中注意時(shí)間信息是按照格林威治時(shí)間作為基準(zhǔn)的，如果轉(zhuǎn)換成北京時(shí)間需要加上北京所在的時(shí)區(qū)時(shí)間，GPS信息解析完畢后將實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)保存，等待無線傳輸與處理模塊的定時(shí)數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求，如果收到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求，模塊按照請(qǐng)求的類型將定位信息或時(shí)間信息傳輸?shù)綗o線傳輸與處理模塊。

三、結(jié)語

基于GPRS/GPS的挖掘機(jī)車載終端采用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，GPS作為時(shí)間和定位信息來源，充分利用了GPRS的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢(shì)和GPS技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合挖掘機(jī)的自身特點(diǎn)，具有數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。需要注意的是采用本終端在GPRS信號(hào)差的地方可以自動(dòng)切換到GPRS通信模塊自帶的GSM短信通道，完成數(shù)據(jù)傳輸。

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基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)E0510023）。

作者簡(jiǎn)介：劉強(qiáng)（1972－），男，華僑大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師；張繼飛（1983－），男，華僑大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。