任崢崢 葉樺 孫曉潔

(東南大學自動化學院，南京 210096)(東南大學復雜工程系統測量與控制教育部重點實驗室，南京 210096)

通信網絡技術的出現和發(fā)展，給社會生活面貌帶來了極大的變化，信息的交流更加順暢.M2M(machine-to-machine)技術的目標就是使所有機器設備都具備連網和通信能力［1］.

目前大多數車載終端直接向監(jiān)控中心發(fā)送數據［2-3］，監(jiān)控中心主要任務是對車載終端工況數據的分析、處理和顯示，而對終端中SIM卡計費充值、終端管理、終端設備鑒權等功能，監(jiān)控中心很難系統專業(yè)地實現.

中國移動為使用M2M應用服務的客戶提供了統一的M2M平臺.M2M平臺是一個網絡支撐平臺，具有標準化的接口，主要優(yōu)點［4］包括以下幾點:

1)支持多種接入方式.M2M平臺能夠支持GPRS/SMS/WAP/MMS等無線接入方式.

2)支持應用接入管理.M2M平臺可同時接入多個應用系統.應用系統通過M2M平臺鑒權后接入；在規(guī)定時間不能進行正常通信時M2M平臺關閉此路通信連接；M2M平臺向應用系統發(fā)送終端的上傳信息，轉發(fā)應用系統發(fā)送到終端的信息.

3)支持終端管理.包括鑒權管理、狀態(tài)管理、配置管理、故障管理、維護管理等.

4)支持流量控制.M2M平臺對終端上傳信息的流量進行計算，系統在流量出現瞬間高峰時可通知管理員對信息的處理進行人工干預.

5)支持計費.M2M平臺支持多種接入方式，包括短信、網關等多種業(yè)務網元，M2M平臺支持對不同業(yè)務設置不同費率，并可出話單用于營賬計費以及提供應用的結算.

車載終端通過M2M平臺與監(jiān)控中心通信，數據從終端或監(jiān)控中心傳送到 M2M平臺，再由M2M平臺轉發(fā)給監(jiān)控中心或終端，管理數據和業(yè)務數據均由M2M平臺統一接收，再根據不同的消息類型和目標地址進行分發(fā)或處理.

本文介紹了智能車載終端的硬件和軟件設計，提出了智能車載終端與M2M平臺的通信方法并加以實現.

1 系統總體設計

車載終端采集工況和位置數據，把數據打包并發(fā)給監(jiān)控中心服務器，監(jiān)控中心完成對數據的解析、處理和存儲，用戶可通過訪問網站查詢車載終端的相關信息［5-6］.

在傳統的應用中，車載終端直接與監(jiān)控中心服務器進行數據通信，如圖1(a)所示.本設計中，終端與監(jiān)控中心服務器通過M2M平臺進行數據透傳，且M2M平臺能夠通過發(fā)送命令報文來對終端進行查詢和設置功能.系統總體結構如圖1(b)所示.

智能車載終端硬件由微控制器、GPS模塊、GPRS模塊、CAN數據收發(fā)、E2PROM 存儲、實時時鐘等部分組成.

圖1 系統總體結構框圖

微控制器選用STM32，STM32系列是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的［7］.

GPS模塊選擇型號為NEO-6M的GPS定位模塊.該模塊體積小，定位精度高，能夠滿足車載定位的要求.

GSM/GPRS模塊型號為SIM900A，內嵌TCP/IP協議［8］，擴展的TCP/IP AT命令能讓用戶很容易完成通信功能，方便用于GPRS數據傳輸.

CAN是ISO國際標準化的串行通信協議，因其高性能和可靠性被廣泛應用在汽車和工程機械產業(yè)中.STM32內部集成的CAN控制器負責數據鏈路協議，需接CAN收發(fā)器電平變換，完成CAN物理層功能.

車載終端總體結構圖如圖2所示.

圖2 終端總體結構圖

2 GPRS連接通信的實現

微控制器通過串口向GPRS模塊發(fā)送AT指令，實現控制GPRS模塊完成數據傳輸工作.M2M平臺與車載終端之間的數據通信是按照WMMP-T協議完成的.

要使車載終端實現GPRS數據發(fā)送與接收的功能，需要微控制器對GPRS模塊進行啟動、初始化、IP連接這些操作，成功后方可與服務器IP進行數據通信.當檢測到車載終端與M2M平臺斷線后，要進行斷線處理.具體流程如圖3所示.

2.1 GPRS模塊的啟動及初始化

連接M2M平臺IP前，終端需要對GPRS模塊進行啟動與初始化設置.

GPRS模塊啟動是根據啟動時序圖，通過微控制器控制其PWRKEY腳實現.

圖3 GPRS模塊工作主流程

微控制器通過串口向GPRS模塊發(fā)送AT指令實現所需功能.初始化用到的AT指令如表1所示，不同的模塊用到的AT指令會有不同，具體用法要參照GPRS模塊對應型號的AT指令手冊.其中要注意的是，必須設置接收數據顯示IP頭功能.按照WMMP協議，車載終端收到M2M平臺發(fā)來的數據報文沒有固定包頭，無法區(qū)別一個完整的數據包.因此，在GPRS模塊初始化時要設置接收數據顯示IP頭，用來找到一包數據的開始.

終端連接M2M平臺IP的方法是，發(fā)送AT指令［9］，微控制器收到模塊回復 OK CONNECT，OK即表示連接IP成功.

表1 GPRS模塊初始化AT指令

2.2 GPRS數據收發(fā)處理

發(fā)送GPRS數據方法為:微控制器發(fā)送指令AT+CIPSEND= ＜length＞ ，收到“＞”后發(fā)送長為length的數據包.模塊若回復SEND OK，表示GPRS數據發(fā)送成功，若沒有回復，則表示沒有發(fā)送成功，即要進行出錯處理.如連續(xù)多次沒有發(fā)送成功即可以認為斷線.程序設計中在發(fā)送GPRS數據后用延時等待模塊回復SEND OK，如圖4(a)所示.

車載終端要隨時等待接收GPRS數據報文，GPRS模塊收到報文后即時向微控制器串口發(fā)送此包數據，微控制器通過串口中斷來接收，一次中斷處理函數接收一個字符.串口中斷中用IP頭來分辨一包數據的開始，數據包以+IPD開頭，根據WMMP-T協議，報文前2個字節(jié)表示此包報文的長度，因此當開始接收報文后，記下報文前2個字節(jié)作為要接收數據的長度，檢測數據長度來完成一包完整數據的接收，接收流程如圖4(b)所示.

圖4 發(fā)送接收GPRS數據流程

3 終端與M2M平臺通信方法

3.1 與M2M平臺通信的準備工作

在連接上M2M平臺的IP地址后，還不能向M2M平臺發(fā)送透傳數據或接收平臺下發(fā)的命令，還需要進行 M2M 平臺對終端的認證工作［10］.認證工作包括注冊、登錄、上報信息3個步驟，成功完成后方可與M2M平臺實現通信.經過此3個步驟，則終端成功連接注冊到M2M平臺，LINK流程如圖5所示.

圖5 與M2M平臺LINK流程圖

車載終端把注冊信息經REGISTER打包函數打包成REGISTER報文，通過GPRS向M2M平臺發(fā)送此包REGISTER報文，M2M平臺回復REGISTER－ACK報文，車載終端通過解析回復報文，可判斷出是否注冊成功.LOGIN報文、CONFIGTRAP報文與REGISTER報文用相同的方法發(fā)送到M2M平臺及解析對應的回復報文.

3.2 通過M2M平臺收發(fā)報文

車載終端向監(jiān)控中心發(fā)送數據包時，不能直接向M2M平臺發(fā)送，而是要經WMMP協議打包成透傳數據格式.收到GPRS模塊回復SEND OK，表示透傳報文成功發(fā)到M2M平臺的IP地址上，但并不表示透傳報文成功被M2M平臺解析成功和透傳成功，此時還需要等待M2M平臺的透傳數據回復報文.終端通過解析回復報文，判斷數據包是否成功發(fā)到平臺、是否成功透傳到監(jiān)控中心.

車載終端有2類數據包要接收.

一類是車載終端向M2M平臺主動發(fā)報文所對應的回復報文.涉及的回復報文有透傳數據回復報文，配置回復報文，登出回復報文，注冊回復報文和登錄回復報文.后3種只在與M2M平臺建立連接時才會收到，當與M2M平臺連接上后，此類中接收到的只有透傳數據回復報文和配置回復報文.對回復報文的處理包括解析報文、判斷兩部分.終端收到回復報文后要解析出流水號、終端序列號及應答結果標識.車載終端向M2M平臺發(fā)送的報文與對應的回復報文具有相同的流水號及終端序列號，因此先要判斷是否對應等待的回復報文，再判斷應答結果標識.

另一類是要隨時等待接收從M2M平臺發(fā)來的報文，包括透傳數據報文、設置報文、查詢報文3種，收到的報文是把透傳數據、設置命令或查詢命令根據M2M平臺協議打包而成.

車載終端與M2M平臺收發(fā)報文采用阻塞與非阻塞結合的方式進行，流程如圖6所示.

圖6 向M2M平臺發(fā)送透傳數據流程

考慮到GPRS模塊給微控制器回復很快，可以用阻塞方式等待回復.

對于M2M平臺的回復，有時會很慢，甚至還有收不到回復的情況.若用傳統的軟延時等待回復、判斷、進行下面的功能這種阻塞的數據交互方式，會造成數據接收和處理不及時的嚴重后果，因此，等待M2M平臺回復報文采用非阻塞方式.具體方法是使用微控制器的定時中斷計數，當終端成功發(fā)送出報文后，立即執(zhí)行下面的程序，此時定時中斷開始計數，主程序循環(huán)查計數是否超時.若在超時前串口中斷接收到對應等待的回復包，解析回復報文，判斷此透傳數據報文是否成功透傳；若已超時還未接收到對應的回復包，即表示報文沒有成功透傳.

3.3 WMMP 報文解析

當報文接收緩存區(qū)有報文時，要用解析函數解析報文.

若解析出是回復報文(WMMP命令類型為8XXX)，清除對應等待回復流水號；若解析出是透傳數據報文(WMMP命令類型為0004)，由于當車載終端收到經M2M平臺透傳來的監(jiān)控中心數據報文時，先要回復平臺一包確認包以表示收到數據包，然后再利用解析函數把數據內容從報文中解析出來，因此此種情況要立即向M2M平臺回復一包透傳數據回復報文；若解析出是查詢報文(WMMP命令類型為0005)，終端收到M2M平臺此類報文后，解析出查詢命令內容，把對應查詢數據加入回復報文(WMMP命令類型為8005)以回復平臺；若解析出是設置報文(WMMP命令類型為0006)，終端收到M2M平臺此類報文后，解析出設置命令內容，執(zhí)行參數設置，最后回復平臺一包確認包(WMMP命令類型為8006)以表示設置結果.解析透傳數據報文流程如圖7所示.

圖7 解析M2M平臺發(fā)給終端報文流程圖

4 斷線處理

斷線包括2部分內容，一種是車載終端與M2M平臺IP連接斷線，表現為數據報文無法成功發(fā)給平臺；另一種是M2M平臺對車載終端無法識別，即車載終端在M2M平臺上是未登錄的狀態(tài)，表現為數據報文成功發(fā)給平臺而平臺無法成功透傳給監(jiān)控中心服務器.

當檢測出與M2M平臺連接斷線時，要重連IP，重連不成功就繼續(xù)重連，重連次數超過閾值后，重新啟動模塊.

當檢測出車載終端在M2M平臺上是未登錄的狀態(tài)，則重新注冊登錄平臺，若嘗試多次都未成功，則與M2M平臺斷開連接，從連接IP步驟開始執(zhí)行.

5 測試結果

開發(fā)過程中，對智能車載終端與M2M平臺通信做了大量的測試.車載終端采集到工況數據，將其按照WMMP-T協議打包成透傳數據報文，向M2M平臺發(fā)送，平臺將數據透傳給監(jiān)控中心.同時，車載終端可接收到M2M平臺透傳的監(jiān)控中心的數據報文，然后對報文進行解析，提取信息.

經測試，車載終端能夠快速準確地與M2M平臺IP連接上，完成向平臺發(fā)出的注冊登錄請求，能夠與監(jiān)控中心進行數據的透傳.其中對車載終端連接M2M平臺、注冊登錄平臺、發(fā)送報文到收到回復報文、發(fā)送到監(jiān)控中心收到透傳報文各段耗時進行了大量測試，耗時測試結果如表2所示.

表2 終端通信耗時測試結果 s

故障測試中，當與M2M平臺連接斷線的情況下，車載終端能夠及時發(fā)現并且很快重連上M2M平臺；當車載終端在M2M平臺上不是登錄狀態(tài)時，車載終端也能夠及時發(fā)現，并對M2M平臺重新發(fā)送注冊登錄信息.

6 結論

本文以與M2M平臺進行信息交互為研究重點，說明了車載終端通過M2M平臺與監(jiān)控中心收發(fā)數據的優(yōu)勢，完成了整個系統的設計及車載終端硬件的設計.分析智能車載終端與M2M平臺信息交互、與監(jiān)控中心服務器透傳數據的過程，提出了智能車載終端連接通信的方案并加以實現，經多次長時間測試，設計的車載終端能夠實現所要求的功能，具有較好的工作穩(wěn)定性.

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