基于GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的嵌入式遠(yuǎn)程車(chē)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[圖]

摘要：按照石化公司的要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的遠(yuǎn)程車(chē)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)槽罐車(chē)槽罐儲(chǔ)液溫度及其地理位置信息。車(chē)栽終端采用虛擬IP無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及GPS衛(wèi)星定位技術(shù)。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心設(shè)計(jì)了基于UDP協(xié)議的GPRS數(shù)據(jù)接收軟件并采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程車(chē)載信息的現(xiàn)場(chǎng)采集與異地接收。最后給出了系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。

0 引言

隨著后PC時(shí)代的到來(lái)，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越普遍，而基于GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也在諸多工業(yè)工程領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。本文將闡述基于GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的嵌入式遠(yuǎn)程車(chē)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于槽罐車(chē)槽罐儲(chǔ)液溫度以及地理位置信息的異地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，其目的在于使石化公司及時(shí)掌握運(yùn)輸途中的儲(chǔ)罐的溫度隨時(shí)問(wèn)、地點(diǎn)的變化狀況，為防止儲(chǔ)罐因溫度超限引發(fā)危險(xiǎn)而起到預(yù)警作用，確保儲(chǔ)罐鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩�。本文重點(diǎn)介紹其系統(tǒng)構(gòu)成與車(chē)載GPS衛(wèi)星定位技術(shù)以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案與構(gòu)成

整個(gè)車(chē)載系統(tǒng)可以分為車(chē)載終端和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心兩個(gè)部分，如圖1所示。車(chē)載終端的核心是三星公司推出的16/32位RISC微處理器S3C24 40A。它有三個(gè)串口，其中串口1接GPRS無(wú)線發(fā)射模塊，串口2接GPS衛(wèi)星定位模塊，由其自帶的A/D轉(zhuǎn)換接口來(lái)完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化。采集完成的定位數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心將接收到的數(shù)據(jù)存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，以供查詢和參考。

2 車(chē)載終端數(shù)據(jù)采集模塊與GPRS無(wú)線發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)

2.1 車(chē)載終端數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

車(chē)載終端數(shù)據(jù)采集模塊包括槽罐儲(chǔ)液溫度與GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的采集。其電路原理圖如圖2所示。圖中左端為溫度采集原理圖，使用溫度變送器可以將槽罐儲(chǔ)液溫度轉(zhuǎn)化為0～40mA的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出，電流經(jīng)過(guò)變阻器后就可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒〢RM微處理器處理的模擬電壓，電壓值范圍應(yīng)控制在0～3.3V。圖2右端為GPS數(shù)據(jù)采集原理圖，GPS接收機(jī)采用臺(tái)灣鼎天國(guó)際最新推出的GPS導(dǎo)航模塊REB-1315。

模塊的供電電壓為直流3.3V，由直流5V通過(guò)LM1117芯片轉(zhuǎn)化后得到。19腳GPS_RF_IN為GPS信號(hào)輸入端，接GPS接收天線，并由模塊自身的17腳RF_VOUT信號(hào)為其提供偏置電壓，來(lái)保證天線的正常工作。4腳TXA為模塊的串口發(fā)送信號(hào)，它是模塊主要的數(shù)據(jù)傳輸通道，被用來(lái)輸出定位數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)利用其得到定位信息。由于REB-1315模塊的輸出為T(mén)TL電平，故使用MAX232將信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為RS232電平。為了方便，這里使用DB9的1腳為模塊提供5V的直流輸入電壓。當(dāng)模塊GPS天線接好并上電正常工作后，GPS定位數(shù)據(jù)就會(huì)連續(xù)不斷地從4腳輸出。圖2右側(cè)為A/D采集接口，溫度變送器標(biāo)準(zhǔn)輸出為0～40mA，經(jīng)過(guò)變阻器將其轉(zhuǎn)化為0～3.3V的模擬電壓后送到S3C2440A的模擬通道AIN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2.2 GPRS無(wú)線發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)

車(chē)載終端的GPRS模塊采用華為EM310模塊，基于EM310模塊的GPRS無(wú)線發(fā)射模塊的電路原理圖如圖3所示。模塊的供電電壓為3.8V，1～6管腳為SIM卡控制接口，13管腳為網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)指示接口，串口0用于和MCU進(jìn)行通信。

3 車(chē)載終端的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件編寫(xiě)語(yǔ)言為C語(yǔ)言，借助ARM Developer Suite v1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯和調(diào)試。這是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)，終端需要同時(shí)完成溫度采集、GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的采集和GPRS數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送工作，為了滿足系統(tǒng)需要，采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度。操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

操作系統(tǒng)一開(kāi)始要完成對(duì)車(chē)載終端硬件電路板的初始化工作，然后是初始化μC/OS-Ⅱ。μC/OS-Ⅱ是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘有著非常嚴(yán)格的要求，所以接下來(lái)要初始化系統(tǒng)的時(shí)基。為保證操作系統(tǒng)的可移植性與完整性，這里將串口初始化和中斷等初始化工作放在初始化任務(wù)MainTask中來(lái)完成。最后啟動(dòng)操作系統(tǒng)。車(chē)載終端的溫度采集、GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)采集和GPRS數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送，作為三個(gè)獨(dú)立而緊密連接的任務(wù)在MainTask中建立，且這三個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)依次降低。主任務(wù)Main Task的設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示，先初始化時(shí)鐘節(jié)拍，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)當(dāng)中的所有任務(wù)都是在時(shí)鐘節(jié)拍的作用下準(zhǔn)確執(zhí)行的。然后建立內(nèi)存分區(qū)以及串口消息隊(duì)列，最后建立并執(zhí)行多任務(wù)。這里利用了μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的消息郵箱機(jī)制，把A/D采集結(jié)果和GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)依次投遞到消息隊(duì)列當(dāng)中，在GPRS任務(wù)執(zhí)行時(shí)再?gòu)南�息�?duì)列中將它們分別取出來(lái)發(fā)送。

由于A/D采集比較容易，所以以下僅介紹GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的采集以及GPRS數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送過(guò)程。

3.1 GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的采集過(guò)程

GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)采集包括GPS定位信息的提取、解析和消息投遞，包含GPS數(shù)據(jù)處理的全部的步驟和方法。程序流程圖如圖6所示。

GPS定位信息的提取、解析和消息投遞工作放在while(1)循環(huán)中進(jìn)行。在投遞定位信息前需要判斷是否解析到$GPGGA數(shù)據(jù)幀。GPS數(shù)據(jù)處理函數(shù)GPSproc()的代碼如下：

程序先將定位信息提取到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，然后對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并存放到定義好的結(jié)構(gòu)體當(dāng)中，該結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)成員包括時(shí)間、經(jīng)度和緯度以及$GPGGA數(shù)據(jù)幀標(biāo)志，如果解析到了$GPGGA數(shù)據(jù)幀，則進(jìn)行消息投遞工作。對(duì)于GPS定位信息解析函數(shù)void GPSReceire(GPSINFO* info，UInt8*pStrearn，UInt8len)，它是得到定位數(shù)據(jù)最關(guān)鍵的一步，這里需要特別說(shuō)明，其工作流程圖如圖7所示。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性以及準(zhǔn)確性，需要對(duì)每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行異或校驗(yàn)，如果異或校驗(yàn)正確，則開(kāi)始提取并處理數(shù)據(jù)幀當(dāng)中的有效字段。

3.2 GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的買(mǎi)現(xiàn)方案

車(chē)載數(shù)據(jù)異地遠(yuǎn)程無(wú)線發(fā)送的關(guān)鍵是GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通道的建立。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，可以利用公網(wǎng)靜態(tài)IP，動(dòng)態(tài)域名解析，短消息通訊，APN專(zhuān)線接入等組網(wǎng)方案。但公網(wǎng)靜態(tài)IP需要相當(dāng)一部分的使用費(fèi)用，不利于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本的降低。動(dòng)態(tài)域名解析方案的穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器，也需要一定的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。短消息通訊容易收到干擾且不具有實(shí)時(shí)性。APN專(zhuān)線接入方案通常適用于安全性要求較高、監(jiān)控點(diǎn)較多和實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，但這一技術(shù)使用起來(lái)較為復(fù)雜。

鑒于此，本系統(tǒng)采用虛擬IP技術(shù)，它是一種類(lèi)似于電子郵件的技術(shù)，適于需要公網(wǎng)靜態(tài)IP的場(chǎng)合，其組網(wǎng)方便，通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器，可以在不同網(wǎng)段內(nèi)任意轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

GPRS模塊使用SIM卡登錄到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，位于主站的計(jì)算機(jī)也接入到互聯(lián)網(wǎng)。給GPRS模塊和主站計(jì)算機(jī)分配地位等價(jià)的虛擬IP地址(這里分別為10.1.90.0和10.1.90.1)。對(duì)于遠(yuǎn)程虛擬IP服務(wù)器，可以自己搭建，也可以由商業(yè)公司提供，由于它能夠在不同網(wǎng)段內(nèi)任意接收數(shù)據(jù)和提供下載服務(wù)，因此它是具有公網(wǎng)靜態(tài)IP的，為了統(tǒng)一起來(lái)，它也被分配了自己的虛擬IP地址，同時(shí)它還被設(shè)定了對(duì)應(yīng)的端口號(hào)(這里為7002)。在應(yīng)用時(shí)，車(chē)載GPRS模塊將先采集到的數(shù)據(jù)按照UDP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到服務(wù)器，然后服務(wù)器將會(huì)解析這一數(shù)據(jù)報(bào)并將其轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)IP地址，主站也就是監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上運(yùn)行有遵從UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)接收軟件，這樣就實(shí)現(xiàn)了車(chē)載數(shù)據(jù)向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的發(fā)送。UDP數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。如果編號(hào)為10.1.90.1的終端發(fā)送字符串ABCD，服務(wù)密碼為123456，則這一數(shù)據(jù)報(bào)為：0A015A000A015A01313233343536000441424344。若發(fā)送內(nèi)容包含有漢字，則其為GB2312漢字編碼。

3.3 GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的操作

　　要使GPRS模塊建立網(wǎng)絡(luò)連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送是通過(guò)向控制串口發(fā)送一系列AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于EM310模塊，其主要使用的AT指令如下：

在μC/OS-Ⅱ的GPRS任務(wù)中，上述的AT指令被寫(xiě)到C語(yǔ)言代碼中，也即寫(xiě)入到串口打印操作語(yǔ)句中，為了使GPRS模塊硬件更好的響應(yīng)命令，需要在每條指令后延遲數(shù)秒。所發(fā)送的數(shù)據(jù)是從消息隊(duì)列當(dāng)中取出來(lái)的。

4 系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果

車(chē)載終端使用嵌入式集成開(kāi)發(fā)軟件ADS 1.2，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)接收軟件使用MFC設(shè)計(jì)，同時(shí)還使用了ADO技術(shù)，能將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)處理及時(shí)存放到本地Access數(shù)據(jù)庫(kù)，并且還能供工作人員隨時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)信息。

圖9為數(shù)據(jù)中心接收軟件接收遠(yuǎn)程GPRS數(shù)據(jù)的情況，圖10為數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢結(jié)果。可以看到，本系統(tǒng)在測(cè)試運(yùn)行時(shí)得到了良好的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)雖然針對(duì)石化企業(yè)的槽罐車(chē)的監(jiān)控開(kāi)展研究工作，但其技術(shù)方案及形成的技術(shù)成果將可推廣至其他行業(yè)的產(chǎn)品運(yùn)輸、工農(nóng)業(yè)裝備運(yùn)行狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等諸多領(lǐng)域，有著廣闊的應(yīng)用前景。

作者：張樂(lè) 周?chē)?yán) 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 來(lái)源：《現(xiàn)代電子技術(shù)》2011年第19期

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