基于GPRS的客车远程监控系统设计
2010-08-03张瑞芳黄志平陈朝发周忠良
张瑞芳,黄志平,刘 峰,陈朝发,周忠良
(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081)
在铁路快速发展战略的形势下,如何保障客车运输安全,适应车辆管理运用的更高要求,成为客车运用部门迫切需要解决的问题。为了保证车辆运用部门及时掌握客车实际运行状态、避免和防止重大安全事故,在客车运行过程中,有必要对车辆的运行进行监测。基于GPRS的客车远程监控系统正是利用GPRS无线数据传输技术,以GPS为车辆定位手段,通过车载终端和监控中心的信息交互,实现对运行车辆的有效监测。
1 GPRS技术及其特点
GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称,是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。与原有GSM比较,GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势:通过多个GSM时隙的复用,支持的数据传输速率更高,理论峰值达115 k B/s;不同的网络用户共享同一组GPRS信道,但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会占用信道资源。这样,通过多用户的业务复用,更有效地利用无线网络信道资源,特别适合突发性、频繁的小流量数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输,很好地适应数据业务的突发性特点;与无线应用协议(WAP)技术不同,GPRS能够随时为用户提供透明的IP通道,可直接访问Internet中的所用站点和资源;相对于短消息等其他无线数据通信业务,GPRS的价格优势比较明显,而且用户可以根据自己的需要,以月租、包月等多种形式进一步降低GPRS通信的费用。
使用GPRS实现远程数据的传送是非常经济实用的,而且其传送数据的特点正是车辆远程监测数据的特性,因此,GPRS特别适合于车辆监测系统的使用。
2 系统构成和功能设计
2.1 系统总体构成
本系统由3部分组成:监控中心、数据传输网络和车载终端。监控中心服务器必须可以连接到Internet,并具有固定的IP地址;数据传输网络由GPRS网络和Internet组成,是终端与监控中心之间的数据传输媒介;车载终端集成了GPRS通信模块,具有接收和发送数据的功能,可以接收来自GPS卫星的定位信息,也可以向监控中心发送数据信息。
GPRS网络是在GSM网络基础上,新增SGSN和GGSN节点而形成的移动分组数据网络。因此GPRS的基本功能是在移动终端与计算机通信网络的路由器之间提供分组传递业务。系统总体构成如图1所示。
图1 系统总体构架示意图
2.2 系统工作原理
在本设计中,采用GPRS和Internet作为数据传输中介,实现车载终端与监控中心之间的数据传输。GPRS的基础是以IP包的形式进行数据的传输,GPRS终端通过PPP(Point to Point Protocol)协议获得动态分配的IP地址。建立连接后,在PPP协议的基础上通过数据传输协议(TCP、UDP)实现与Internet上计算机的数据通讯。
车载终端工作原理为终端上电或者复位后进行GPRS设置后拨号,协商成功将得到移动分配的IP,中心可以发送采集所要监测数据的指令等,终端接收后解释并作相应动作,将采集到的数据放入输出队列中,定时或者实时将数据打包通过无线链路发送。GPRS服务节点、支持节点会作相应协议变换且重新封装,根据其目的IP地址选择适当路由进行传输,最终到达中心主机。
2.3 系统的主要功能
2.3.1 车载终端主要功能
当监测系统工作时,系统主机定时通过无线GPRS接口向地面发送车辆状态信息和GPS定位信息,信息内容还包括列车的车次、车厢号、车号、时间、监测项类型、监测项状态。
车载终端由单片机、GPRS通信模块、GPS模块等组成,主要能够实现如下几种功能:
(1)GPS信息接收功能。车载终端中的GPS模块和GPS天线用于接收车辆的GPS信息,从而确定车辆的位置。
(2)数据接收和发送功能。车载终端中的GPRS模块用于实现终端与监控中心之间的数据传输。终端可以将GPS定位信息、传感器、报警信号等通过GPRS模块发送给监控中心服务器。
2.3.2 监控中心系统功能
监控中心是数据处理的中心,负责系统中涉及到的所有数据信息的存储、传输、查询等操作和管理。由于本论文主要侧重于车载终端的软硬件实现和系统通讯的实现,因此只对监控中心软件的功能作简单的介绍。监控中心系统软件主要功能有:
(1)数据库管理。系统可以对终端用户档案、终端状态信息、地理信息等多种信息进行管理。
(2)终端定位查询。系统可以根据需要随时查询系统内任意1台终端的实时位置和运行状态,并在系统的电子地图上准确显示终端状态,进行实时跟踪。
(3)电子地图管理。根据接收到的终端经纬度信息,将终端位置等信息显示在地图上。
(4)轨迹回放功能。系统将终端的信息存储在数据库中,在需要的时候可以回放。
3 车载终端硬件系统设计
根据车载终端所要实现的功能,车载终端硬件系统设计如图2所示。整个硬件系统由主机、单片机控制器、JTAG接口、GPRS通讯模块、GPS定位模块、LED等部分组成。其中最主要和核心部分是单片机、GPS模块和GPRS模块。
图2 车载终端硬件连接框图
3.1 硬件设备选型
(1)GPRS模块
目前市场上出现的GPRS数据传输模块由多家公司生产的产品,如SIMENS的 MC55和 TC35,爱立信的GM47和GM48,Wavecom的WM 02系列,SIMCOM的SIM100和SIM10,Motorola的G18和G20等,这些模块的功能和用法差别不大,并且提供的命令接口符合GSM 07.05和GSM 07.07规范。本系统对GPRS模块的性能、价格、功耗以及开发的方便性等方面进行考虑,选择MC55作为车载终端的无线通讯模块。
MC55是一款内嵌了 TCP/IP协议栈的 3频GSM/GPRS(900,1 800和1 900 MHz,GPRSClass10)模块,可快速安全可靠地实现数据传输。该模块自带两个RS232串口(串口0和串口1),可同时与PC机、单片机通信。
(2)GPS模块
GPS模块用于接收GPS卫星的定位信息,实时解算出移动车辆的位置坐标。目前,国际上通用的民用GPS信号,均来自美国军方全球卫星定位系统的民用频段。GPS模块的生产厂商比较多,其中具有代表性的厂商及型号如美国Nav Man公司的jupiter J21,中国台湾SIRF公司的GPS50/52等。本系统设计时选用Nav Man公司的Jupiter J21 GPSOEM板作为本次设计的GPS模块。
Jupiter J21 GPSOEM板是一个具有12个并行通道的单板接收制信号,如报警装置传来的信号等。由此对CPU机,可跟踪所有可视范围内的GPS卫星,并进行解产生中断信号,进行相应的处理,并将该信息发至码和信号处理。它提供一个标准的串行接口用来监控中心与单片机、PC机进行通讯。
(3)单片机
本系统的控制核心是C8051F020单片机,这是一款由Cygnal公司推出的高性能高速单片机,是集成度很高的混和信号系统级的芯片。它具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核,但与80C51系列单片机在结构上的区别有:系统时钟多样并控制灵活;有基于JTAG口的系统调功能;内部特殊功能寄存器数量很多;外部引脚采用交叉开关配置等。由于该系列的单片机性能十分优越 ,故本系统采用此款单片机做控制核心。
3.2 车载终端硬件连接
3.2.1 GPRS模块供电电源
MC55的工作电压输入端VBATT+,电压幅度为3.3~5.5 V,V typ=4.2 V,最大电流 I max≤2A@GSM天线回波损耗(return loss)≥6 dB。必须注意:最低工作电压不能低于3.3 V,否则电压将会跌落,从而导致MC55停止工作。由于VBATT+引脚的峰值电流为2 A,一个GSM发射脉冲(transmission burst)可能引起相当大的电压跌落。因此,在任何时候,必须保证VBATT+的电压不能低于3.3 V,而且电压跌落差值不能超过400 mV。为了达到上述要求,本设计采取开关电源+低压差线性稳压器的两级电源供电方案。
3.2.2 单片机与GPRS模块连接
(1)GPRS模块的开机和关机
MC55模块上电时,必须将其IGT引脚电平拉低至低电平至少100 ms,模块才能开机;关机时必须将其EMEROFF引脚拉低至低电平,且维持至少3.2 s,模块才能关机。本设计利用了单片机的I/O口驱动上述两个引脚,可方便的产生MC55模块的开机和关机时序电平。
(2)单片机与GPRS模块之间的通信
GPRS模块与微控制器之间是通过串口1进行通信的,通信速率最快可以达到115 200 b/s。模块与控制器间的通信协议是AT命令集,其中大部分命令是符合协议“AT command for GSM Mobie Equipment(ME)(GSM 07.07 version 6.4.0 Release 1997)”的 ,但也有一些SIMENS自己定义的AT命令。除了串口发送(TX)、串口接收(RX)之外,微控制器与GPRS模块之间还有一些硬件握手信号,如DTR、CTS 、DCD等。为了简化微控制器的控制,硬件设计时没有使用硬件握手信号。
3.2.3 主机与GPRS模块通信电路
GPRS模块与主机之间是通过串口0进行通信的,通信速率最快可以达到115 200 b/s。数据通信电路以TI公司的MAX232芯片为核心,实现电平转换及串口通信功能。在MAX232与MC55模块相应引脚连接时,要注意发送、接收引脚连接正确。MAX232还需要连接4个0.1μF的电容配合,才能完成电平转换功能。
3.2.4 SIM卡接口电路
MC55模块集成了一个与ISO 7816-3 IC Card标准兼容的SIM接口。为了适合外部的SIM接口,该接口连接到主接口。在GSM 11.11为SIM卡预留5个引脚的基础上,MC55为SIM 卡接口预留了6个引脚,所添加的CCIN引脚用来检测SIM卡支架中是否插有SIM卡。当插入SIM卡,该引脚置为高电平,系统方可进入正常工作状态。但是目前移动运营商所提供的SIM卡均无CCIN引脚,所以在设计电路时将引脚CCIN与CCVCC相连。
3.2.5 LED接口电路
MC55的SYNC引脚可以用来输出1个同步信号(synchronization signal),也可以用来控制1个LED灯的输出状态。SYNC端通过1个3极管或门电路来控制LED。一个简单的电路接法是SYNC端通过1电阻接到NPN型3极管(如9013)的基极,射极直接接地,集电极通过1个限流电阻接到LED的负端,LED的正端接VCC。LED的工作模式完全类同于同步信号,显示的是MC55的工作状态:
(1)LED灯灭,表示 TC35电源关闭,处于休眠、报警或单纯的充电模式。
(2)600 ms亮/600 ms灭,表示未插入SIM 卡,或者个人身份未登记/已注销,或者网络正在搜寻中,或者正在进行用户身份鉴定,或者网络注册正在进行中。
(3)75 ms亮/3 s灭,表示网络注册成功(控制通道和用户交换信息完成),无来电。
(4)LED灯亮,依据不同的呼叫类型:声音呼叫,数据呼叫,在建立或者完毕时的状态。
3.3 初始化设置
硬件连接完成后,在进行GPRS上网操作之前,主机首先要对GPRS模块进行一定的设置。主要的设置工作有:
(1)设置通信波特率,可以使用AT+IPR=115 200命令,把波特率设为115 200 b/s或其他合适的波特率,默认的通信速度为9 600 b/s。
(2)设置接入网关,通过 AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”命令设置 GPRS接入网关为移动梦网。
(3)测试 GPRS服务是否开通,使用 AT+CGACT=1,1命令激活GPRS功能。如果返回OK,则GPRS连接成功,如果返回 ERROR,则意味着GPRS连接失败。这时应检查SIM卡的GPRS业务是否已经开通,GPRS模块天线是否安装正确等。
4 车载终端软件设计
4.1 单片机控制GPRS模块
通过单片机与MC55模块串口1之间的通信以及单片机的定时功能,可以对MC55进行控制,使其能够长时间的正常工作。单片机与MC55通信时,单片机串口设置成模式1(9600,N,8,1),依次将AT+xxx以ASCII码形式输出到串口,接收MC55的数据采用中断方式。控制软件流程如图3所示。
4.2 主机拨号连接Internet网
系统上电、初始化设置完成后,主机可以通过对GPRS模块拨“*99***1#”登录到GGSN上动态分配到Internet网的IP地址。其间GPRS模块与网关的通信要符合点对点协议(PPP),其中身份验证时用户名、密码都为空。使用PPP协议登录之后,就可以通过GGSN 接上Internet了(图4)。
GPRS模块在拨号,首先要与GPRS网关进行通信链路的协商,即协商点到点的各种链路参数配置。协商过程遵守 LCP(Link Control Protocol)、PAP(Pass-word Authentication Protocol)和IPCP(Internet Protocol Control Protocol)等协议。其中LCP协议用于建立、构造、测试链路连接;PAP协议用于处理密码验证部分;IPCP协议用于设置网络协议环境,并分配IP地址。协商机制用有限状态机的模型来实现。一旦协商完成,链路已经创建,IP地址已经分配就可以按协商的标准进行IP报文的传输了。
图3 单片机控制软件流程图
图4 主机拨号软件流程图
PPP协商过程大致描述如下:在拨号成功连接后,GGSN首先会返回一个PAP REQ数据帧。主机发送一个空 LCP REQ帧,以强迫进行协议协商阶段。随后,GGSN发送LCP设置帧,主机拒绝所有的设置并请求验证模式。GGSN选择CHAP或PAP方式验证,主机只接受PAP方式。然后,进行PAP验证用户名和密码过程,在GPRS中用户名与密码都为空,如果成功,GGSN会返回IPCP报文分配动态IP地址。此时,就完成了与GGSN的协商过程。协商过程的状态转换如图5所示。
图5 PPP协商过程流程
4 结束语
本文给出了一种基于GPRS模块MC55实现的客车远程无线监测系统的设计,介绍了车载终端硬件设计方案以及单片机、主机软件的实现方法 。单片机的实时控制充分利用了GPRS模块 MC55的双串口优势,保证了系统的可靠运行。设计的监测系统已在现场运行过程中取得良好效果,对安装本系统的车辆长期跟踪监测表明,GPRS上线率在90%以上,获得了用户一致好评与认可。随着远程安全监测在铁路应用中发挥越来越重要的作用,该系统将有更广阔的应用前景。
[1] 秦大兴,刘 建,郑喜凤.基于GPRS模块MC35i的监测系统设计[J].仪表技术与传感器,2007(2):20-22.
[2] 陈 慧,霍家道.基于TC35设计的车辆监控系统[J].应用科技,2003,30(12):35-37.