張瑞芳,黃志平,劉 峰,陳朝發(fā),周忠良

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081)

在鐵路快速發(fā)展戰(zhàn)略的形勢下,如何保障客車運輸安全,適應車輛管理運用的更高要求,成為客車運用部門迫切需要解決的問題。為了保證車輛運用部門及時掌握客車實際運行狀態(tài)、避免和防止重大安全事故,在客車運行過程中,有必要對車輛的運行進行監(jiān)測?；贕PRS的客車遠程監(jiān)控系統(tǒng)正是利用GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),以GPS為車輛定位手段,通過車載終端和監(jiān)控中心的信息交互,實現(xiàn)對運行車輛的有效監(jiān)測。

1 GPRS技術(shù)及其特點

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務的簡稱,是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸方式。與原有GSM比較,GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢:通過多個GSM時隙的復用,支持的數(shù)據(jù)傳輸速率更高,理論峰值達115 k B/s;不同的網(wǎng)絡用戶共享同一組GPRS信道,但只有當某一個用戶需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時才會占用信道資源。這樣,通過多用戶的業(yè)務復用,更有效地利用無線網(wǎng)絡信道資源,特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸,也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸,很好地適應數(shù)據(jù)業(yè)務的突發(fā)性特點;與無線應用協(xié)議(WAP)技術(shù)不同,GPRS能夠隨時為用戶提供透明的IP通道,可直接訪問Internet中的所用站點和資源;相對于短消息等其他無線數(shù)據(jù)通信業(yè)務,GPRS的價格優(yōu)勢比較明顯,而且用戶可以根據(jù)自己的需要,以月租、包月等多種形式進一步降低GPRS通信的費用。

使用GPRS實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的傳送是非常經(jīng)濟實用的,而且其傳送數(shù)據(jù)的特點正是車輛遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)的特性,因此,GPRS特別適合于車輛監(jiān)測系統(tǒng)的使用。

2 系統(tǒng)構(gòu)成和功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本系統(tǒng)由3部分組成:監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡和車載終端。監(jiān)控中心服務器必須可以連接到Internet,并具有固定的IP地址;數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡由GPRS網(wǎng)絡和Internet組成,是終端與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸媒介;車載終端集成了GPRS通信模塊,具有接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能,可以接收來自GPS衛(wèi)星的定位信息,也可以向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

GPRS網(wǎng)絡是在GSM網(wǎng)絡基礎(chǔ)上,新增SGSN和GGSN節(jié)點而形成的移動分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。因此GPRS的基本功能是在移動終端與計算機通信網(wǎng)絡的路由器之間提供分組傳遞業(yè)務。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架示意圖

2.2 系統(tǒng)工作原理

在本設(shè)計中,采用GPRS和Internet作為數(shù)據(jù)傳輸中介,實現(xiàn)車載終端與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS的基礎(chǔ)是以IP包的形式進行數(shù)據(jù)的傳輸,GPRS終端通過PPP(Point to Point Protocol)協(xié)議獲得動態(tài)分配的IP地址。建立連接后,在PPP協(xié)議的基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(TCP、UDP)實現(xiàn)與Internet上計算機的數(shù)據(jù)通訊。

車載終端工作原理為終端上電或者復位后進行GPRS設(shè)置后撥號,協(xié)商成功將得到移動分配的IP,中心可以發(fā)送采集所要監(jiān)測數(shù)據(jù)的指令等,終端接收后解釋并作相應動作,將采集到的數(shù)據(jù)放入輸出隊列中,定時或者實時將數(shù)據(jù)打包通過無線鏈路發(fā)送。GPRS服務節(jié)點、支持節(jié)點會作相應協(xié)議變換且重新封裝,根據(jù)其目的IP地址選擇適當路由進行傳輸,最終到達中心主機。

2.3 系統(tǒng)的主要功能

2.3.1 車載終端主要功能

當監(jiān)測系統(tǒng)工作時,系統(tǒng)主機定時通過無線GPRS接口向地面發(fā)送車輛狀態(tài)信息和GPS定位信息,信息內(nèi)容還包括列車的車次、車廂號、車號、時間、監(jiān)測項類型、監(jiān)測項狀態(tài)。

車載終端由單片機、GPRS通信模塊、GPS模塊等組成,主要能夠?qū)崿F(xiàn)如下幾種功能:

(1)GPS信息接收功能。車載終端中的GPS模塊和GPS天線用于接收車輛的GPS信息,從而確定車輛的位置。

(2)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能。車載終端中的GPRS模塊用于實現(xiàn)終端與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。終端可以將GPS定位信息、傳感器、報警信號等通過GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控中心服務器。

2.3.2 監(jiān)控中心系統(tǒng)功能

監(jiān)控中心是數(shù)據(jù)處理的中心,負責系統(tǒng)中涉及到的所有數(shù)據(jù)信息的存儲、傳輸、查詢等操作和管理。由于本論文主要側(cè)重于車載終端的軟硬件實現(xiàn)和系統(tǒng)通訊的實現(xiàn),因此只對監(jiān)控中心軟件的功能作簡單的介紹。監(jiān)控中心系統(tǒng)軟件主要功能有:

(1)數(shù)據(jù)庫管理。系統(tǒng)可以對終端用戶檔案、終端狀態(tài)信息、地理信息等多種信息進行管理。

(2)終端定位查詢。系統(tǒng)可以根據(jù)需要隨時查詢系統(tǒng)內(nèi)任意1臺終端的實時位置和運行狀態(tài),并在系統(tǒng)的電子地圖上準確顯示終端狀態(tài),進行實時跟蹤。

(3)電子地圖管理。根據(jù)接收到的終端經(jīng)緯度信息,將終端位置等信息顯示在地圖上。

(4)軌跡回放功能。系統(tǒng)將終端的信息存儲在數(shù)據(jù)庫中,在需要的時候可以回放。

3 車載終端硬件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)車載終端所要實現(xiàn)的功能,車載終端硬件系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。整個硬件系統(tǒng)由主機、單片機控制器、JTAG接口、GPRS通訊模塊、GPS定位模塊、LED等部分組成。其中最主要和核心部分是單片機、GPS模塊和GPRS模塊。

圖2 車載終端硬件連接框圖

3.1 硬件設(shè)備選型

(1)GPRS模塊

目前市場上出現(xiàn)的GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊由多家公司生產(chǎn)的產(chǎn)品,如SIMENS的 MC55和 TC35,愛立信的GM47和GM48,Wavecom的WM 02系列,SIMCOM的SIM100和SIM10,Motorola的G18和G20等,這些模塊的功能和用法差別不大,并且提供的命令接口符合GSM 07.05和GSM 07.07規(guī)范。本系統(tǒng)對GPRS模塊的性能、價格、功耗以及開發(fā)的方便性等方面進行考慮,選擇MC55作為車載終端的無線通訊模塊。

MC55是一款內(nèi)嵌了 TCP/IP協(xié)議棧的 3頻GSM/GPRS(900,1 800和1 900 MHz,GPRSClass10)模塊,可快速安全可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。該模塊自帶兩個RS232串口(串口0和串口1),可同時與PC機、單片機通信。

(2)GPS模塊

GPS模塊用于接收GPS衛(wèi)星的定位信息,實時解算出移動車輛的位置坐標。目前,國際上通用的民用GPS信號,均來自美國軍方全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的民用頻段。GPS模塊的生產(chǎn)廠商比較多,其中具有代表性的廠商及型號如美國Nav Man公司的jupiter J21,中國臺灣SIRF公司的GPS50/52等。本系統(tǒng)設(shè)計時選用Nav Man公司的Jupiter J21 GPSOEM板作為本次設(shè)計的GPS模塊。

Jupiter J21 GPSOEM板是一個具有12個并行通道的單板接收制信號,如報警裝置傳來的信號等。由此對CPU機,可跟蹤所有可視范圍內(nèi)的GPS衛(wèi)星,并進行解產(chǎn)生中斷信號,進行相應的處理,并將該信息發(fā)至碼和信號處理。它提供一個標準的串行接口用來監(jiān)控中心與單片機、PC機進行通訊。

(3)單片機

本系統(tǒng)的控制核心是C8051F020單片機,這是一款由Cygnal公司推出的高性能高速單片機,是集成度很高的混和信號系統(tǒng)級的芯片。它具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核,但與80C51系列單片機在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別有:系統(tǒng)時鐘多樣并控制靈活;有基于JTAG口的系統(tǒng)調(diào)功能;內(nèi)部特殊功能寄存器數(shù)量很多;外部引腳采用交叉開關(guān)配置等。由于該系列的單片機性能十分優(yōu)越 ,故本系統(tǒng)采用此款單片機做控制核心。

3.2 車載終端硬件連接

3.2.1 GPRS模塊供電電源

MC55的工作電壓輸入端VBATT+,電壓幅度為3.3～5.5 V,V typ=4.2 V,最大電流 I max≤2A@GSM天線回波損耗(return loss)≥6 dB。必須注意:最低工作電壓不能低于3.3 V,否則電壓將會跌落,從而導致MC55停止工作。由于VBATT+引腳的峰值電流為2 A,一個GSM發(fā)射脈沖(transmission burst)可能引起相當大的電壓跌落。因此,在任何時候,必須保證VBATT+的電壓不能低于3.3 V,而且電壓跌落差值不能超過400 mV。為了達到上述要求,本設(shè)計采取開關(guān)電源+低壓差線性穩(wěn)壓器的兩級電源供電方案。

3.2.2 單片機與GPRS模塊連接

(1)GPRS模塊的開機和關(guān)機

MC55模塊上電時,必須將其IGT引腳電平拉低至低電平至少100 ms,模塊才能開機;關(guān)機時必須將其EMEROFF引腳拉低至低電平,且維持至少3.2 s,模塊才能關(guān)機。本設(shè)計利用了單片機的I/O口驅(qū)動上述兩個引腳,可方便的產(chǎn)生MC55模塊的開機和關(guān)機時序電平。

(2)單片機與GPRS模塊之間的通信

GPRS模塊與微控制器之間是通過串口1進行通信的,通信速率最快可以達到115 200 b/s。模塊與控制器間的通信協(xié)議是AT命令集,其中大部分命令是符合協(xié)議“AT command for GSM Mobie Equipment(ME)(GSM 07.07 version 6.4.0 Release 1997)”的 ,但也有一些SIMENS自己定義的AT命令。除了串口發(fā)送(TX)、串口接收(RX)之外,微控制器與GPRS模塊之間還有一些硬件握手信號,如DTR、CTS 、DCD等。為了簡化微控制器的控制,硬件設(shè)計時沒有使用硬件握手信號。

3.2.3 主機與GPRS模塊通信電路

GPRS模塊與主機之間是通過串口0進行通信的,通信速率最快可以達到115 200 b/s。數(shù)據(jù)通信電路以TI公司的MAX232芯片為核心,實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能。在MAX232與MC55模塊相應引腳連接時,要注意發(fā)送、接收引腳連接正確。MAX232還需要連接4個0.1μF的電容配合,才能完成電平轉(zhuǎn)換功能。

3.2.4 SIM卡接口電路

MC55模塊集成了一個與ISO 7816-3 IC Card標準兼容的SIM接口。為了適合外部的SIM接口,該接口連接到主接口。在GSM 11.11為SIM卡預留5個引腳的基礎(chǔ)上,MC55為SIM 卡接口預留了6個引腳,所添加的CCIN引腳用來檢測SIM卡支架中是否插有SIM卡。當插入SIM卡,該引腳置為高電平,系統(tǒng)方可進入正常工作狀態(tài)。但是目前移動運營商所提供的SIM卡均無CCIN引腳,所以在設(shè)計電路時將引腳CCIN與CCVCC相連。

3.2.5 LED接口電路

MC55的SYNC引腳可以用來輸出1個同步信號(synchronization signal),也可以用來控制1個LED燈的輸出狀態(tài)。SYNC端通過1個3極管或門電路來控制LED。一個簡單的電路接法是SYNC端通過1電阻接到NPN型3極管(如9013)的基極,射極直接接地,集電極通過1個限流電阻接到LED的負端,LED的正端接VCC。LED的工作模式完全類同于同步信號,顯示的是MC55的工作狀態(tài):

(1)LED燈滅,表示 TC35電源關(guān)閉,處于休眠、報警或單純的充電模式。

(2)600 ms亮/600 ms滅,表示未插入SIM 卡,或者個人身份未登記/已注銷,或者網(wǎng)絡正在搜尋中,或者正在進行用戶身份鑒定,或者網(wǎng)絡注冊正在進行中。

(3)75 ms亮/3 s滅,表示網(wǎng)絡注冊成功(控制通道和用戶交換信息完成),無來電。

(4)LED燈亮,依據(jù)不同的呼叫類型:聲音呼叫,數(shù)據(jù)呼叫,在建立或者完畢時的狀態(tài)。

3.3 初始化設(shè)置

硬件連接完成后,在進行GPRS上網(wǎng)操作之前,主機首先要對GPRS模塊進行一定的設(shè)置。主要的設(shè)置工作有:

(1)設(shè)置通信波特率,可以使用AT+IPR=115 200命令,把波特率設(shè)為115 200 b/s或其他合適的波特率,默認的通信速度為9 600 b/s。

(2)設(shè)置接入網(wǎng)關(guān),通過 AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”命令設(shè)置 GPRS接入網(wǎng)關(guān)為移動夢網(wǎng)。

(3)測試 GPRS服務是否開通,使用 AT+CGACT=1,1命令激活GPRS功能。如果返回OK,則GPRS連接成功,如果返回 ERROR,則意味著GPRS連接失敗。這時應檢查SIM卡的GPRS業(yè)務是否已經(jīng)開通,GPRS模塊天線是否安裝正確等。

4 車載終端軟件設(shè)計

4.1 單片機控制GPRS模塊

通過單片機與MC55模塊串口1之間的通信以及單片機的定時功能,可以對MC55進行控制,使其能夠長時間的正常工作。單片機與MC55通信時,單片機串口設(shè)置成模式1(9600,N,8,1),依次將AT+xxx以ASCII碼形式輸出到串口,接收MC55的數(shù)據(jù)采用中斷方式。控制軟件流程如圖3所示。

4.2 主機撥號連接Internet網(wǎng)

系統(tǒng)上電、初始化設(shè)置完成后,主機可以通過對GPRS模塊撥“*99***1#”登錄到GGSN上動態(tài)分配到Internet網(wǎng)的IP地址。其間GPRS模塊與網(wǎng)關(guān)的通信要符合點對點協(xié)議(PPP),其中身份驗證時用戶名、密碼都為空。使用PPP協(xié)議登錄之后,就可以通過GGSN 接上Internet了(圖4)。

GPRS模塊在撥號,首先要與GPRS網(wǎng)關(guān)進行通信鏈路的協(xié)商,即協(xié)商點到點的各種鏈路參數(shù)配置。協(xié)商過程遵守 LCP(Link Control Protocol)、PAP(Pass-word Authentication Protocol)和IPCP(Internet Protocol Control Protocol)等協(xié)議。其中LCP協(xié)議用于建立、構(gòu)造、測試鏈路連接;PAP協(xié)議用于處理密碼驗證部分;IPCP協(xié)議用于設(shè)置網(wǎng)絡協(xié)議環(huán)境,并分配IP地址。協(xié)商機制用有限狀態(tài)機的模型來實現(xiàn)。一旦協(xié)商完成,鏈路已經(jīng)創(chuàng)建,IP地址已經(jīng)分配就可以按協(xié)商的標準進行IP報文的傳輸了。

圖3 單片機控制軟件流程圖

圖4 主機撥號軟件流程圖

PPP協(xié)商過程大致描述如下:在撥號成功連接后,GGSN首先會返回一個PAP REQ數(shù)據(jù)幀。主機發(fā)送一個空 LCP REQ幀,以強迫進行協(xié)議協(xié)商階段。隨后,GGSN發(fā)送LCP設(shè)置幀,主機拒絕所有的設(shè)置并請求驗證模式。GGSN選擇CHAP或PAP方式驗證,主機只接受PAP方式。然后,進行PAP驗證用戶名和密碼過程,在GPRS中用戶名與密碼都為空,如果成功,GGSN會返回IPCP報文分配動態(tài)IP地址。此時,就完成了與GGSN的協(xié)商過程。協(xié)商過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示。

圖5 PPP協(xié)商過程流程

4 結(jié)束語

本文給出了一種基于GPRS模塊MC55實現(xiàn)的客車遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計,介紹了車載終端硬件設(shè)計方案以及單片機、主機軟件的實現(xiàn)方法 。單片機的實時控制充分利用了GPRS模塊 MC55的雙串口優(yōu)勢,保證了系統(tǒng)的可靠運行。設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)已在現(xiàn)場運行過程中取得良好效果,對安裝本系統(tǒng)的車輛長期跟蹤監(jiān)測表明,GPRS上線率在90%以上,獲得了用戶一致好評與認可。隨著遠程安全監(jiān)測在鐵路應用中發(fā)揮越來越重要的作用,該系統(tǒng)將有更廣闊的應用前景。

[1] 秦大興,劉 建,鄭喜鳳.基于GPRS模塊MC35i的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2007(2):20-22.

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