基于SIM7600CE的智慧消防传输系统设计*

纪志敏, 李 杰, 胡陈君, 张泽宇, 高诗尧

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原 030051；2.四川航天烽火伺服控制技术有限公司,四川 成都 610000)

0 引 言

随着我国经济的不断发展及城市化进程的推进，建筑物数量不断增加，且分布复杂、密度高、类型多[1～3]。除此之外，人员密集及大量易燃物体的存放导致一旦发生火灾，极易在短时间内迅速发展为重大火灾，同时伴随巨大的人员伤亡以及财产损失[4,5]。目前火灾的发生频次与灾害程度呈现不断加剧的态势，火灾现场环境也越来越复杂，越来越多的消防救援人员因无法得到实时信息得不到及时的保护而牺牲[6]。

消防员在进入火灾和坍塌建筑等危险工作地时很难获取其运动状态及生命体征，而且事故现场环境相对比较复杂，常用的通信方法,如ZigBee，Wi-Fi，Bluetooth等物联网无线通信技术在没有网络的地方很难发挥效用。

针对上述情况,本文提出基于测控系统的全球移动通信系统(global system for mobile communication,GSM)无线传输系统设计，主要功能是消防员身上的定位及测量装置将其所在位置的定位信息以及自身的生命体征参数发送到地面接收终端，这些信息通过GSM网络的短讯服务(short messaging service,SMS)平台以短消息的形式进行传输，现场指挥员通过接收终端接收到的信息了解消防员的运动状态及生命体征，进而做出科学有效的指挥[7]。目前，GSM基站几乎覆盖国内大部分区域，不会出现信号丢失的情况，通过射频信号进行通信不会增加多余的线缆连接，试验验证这一设计能够有效传输数据，进而达到保障救援人员的生命安全，提高救援效率的目的。

1 方案总体设计

系统主要由电源模块、前端采集模块、测量与定位模块、主控模块、通信模块构成，如图1所示。

图1 系统总体结构设计框图

系统的参数传输设计在硬件上，主要与电源管理模块、以现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)为核心的主控模块和通信模块密切相关。软件方面主要按照既定协议接收位置姿态及生命体征等信息，并对其进行数据处理用以实时监测系统运行状态。设计简单、可靠，具有低成本、低功耗、小体积等一系列优点。

2 硬件电路设计

2.1 电源管理模块

电源模块主要为各个模块供电，保证各个模块的正常工作。根据各模块的工作电压，选择合适的电源芯片。系统采用7.4 V锂电池供电。主控模块FPGA内核供电电压为1.2 V，I/O口、配置芯片XCF04S与晶振供电需3.3 V，故而电源芯片选择REG104—5将供电电压7.4 V转换为5 V,再由线性稳压芯片TPS650250转换成1.2 V和3.3 V给主控模块供电。供电原理图如图2所示。

图2 主控模块供电原理

GSM通信模块的工作电压为3.8 V，但其在发射射频信号的瞬间电流可达到1.5 A，功率较大，为保证电流驱动能力，防止影响其他模块的正常工作，利用线性稳压芯片LM317对其进行隔离供电。

2.2 FPGA主控模块

整个系统以FPGA为主控芯片,实现对数据的采集处理、缓存、与GSM模块之间的串口传输以及与地面接收终端的交互等工作。所选FPGA芯片应具备低功耗、小体积、高集成度的特点。本系统选用的XILINX Spartan-Ⅵ系列的XC6SLX9芯片，内置9 152个逻辑单元，11 440个寄存器，576 kB的Block RAM，可供用户自由配置的I/O口共102个，可配置多种接口协议，休眠掉电模式可实现零功耗，完全满足系统设计需求，且功率低、体积小，是目前性价比较高的FPGA芯片[8～10]。相比于传统的单片机控制而言，FPGA控制更稳定，更适合应用于通信领域。

FPGA模块包括时钟部分，FPGA控制芯片XC6SLX9和其配置芯片XCF04S及其外围电路。主时钟采用20 MHz晶振；为设计简便，FPGA配置模式为主串模式。此模式下FPGA可重复配置，在调试阶段具有很大的灵活性，缩短了设计周期[11,12]。

2.3 通信模块

GSM模块本身具有SMS短信接收发送、语音通话及通用分组无线业务(general packet radio service,GPRS)数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能[13,14]。在系统设计中这一模块主要工作为接收FPGA传来的短消息内容，并通过运营商基站向地面接收设备发送数据。考虑到对移动、联通、电信三大运营商的兼容性以及数据传输速率，系统选用SIMCom 公司的SIM7600CE集成芯片。芯片支持最大上行速率50 Mbps和最大下行速率150 Mbps，集成了主流的工业标准接口，具有强大的扩展能力[15]。

通信模块的硬件电路设计除供电设计之外，还包括USIM卡电路设计以及电平转换电路设计两部分。在设计USIM卡电路时，USIM卡的电源线、地线、复位线、时钟线和数据I/O口必须与SIM7600CE芯片相连，此外为了保护USIM卡，使用ST公司的静电保护芯片5W6-ESDA6V1。具体的原理图如图3所示。

图3 USIM卡接口电路设计原理

电平转换电路设计选择UART串口传输，但由于SIM7600CE的串口电平较低，为1.8 V，低于正常串口通信的电平值，因此,与FPGA通信过程中使用电平转换芯片TXB0108PWR来进行电平对接;同时为了减缓信号脉冲与高频噪声，保护芯片，在电平转换芯片两端串入通过22Ω电阻。模块在使用时用户可以通过程序控制和硬件设计两种方式实现模块开机，但本次设计为使用方便采用硬件设计方法实现这一功能，即PWRKEY引脚通过0 Ω电阻连接到地拉低电平使模块开机。

3 软件控制设计

GSM模块通过AT指令输出，由FPGA判读命令实现系统主控模块与发送模块、发送模块与接收终端之间的通信交互。系统上电，各个模块复位完成进入工作状态后，对测量定位模块的相关数据信息进行采集缓存，FPGA传输相应的数据,经由GSM模块发送到地面接收终端。

3.1 协议指令解析

AT指令集是应用于设备与设备之间的通信，且每行命令都以大写字母“AT”作为开头，回车换行结尾的指令集合。一般包括三种：测试命令、查询命令、设置命令。程序中需要配置的相关指令如下：

1)AT：握手指令；

2)AT+CMGF=1：设置为txt文本模式；

3)AT+CSCS="GSM"：设置为"GSM"缺省字符集；

4)AT+CMGS="1553600XXXX"：设置为接收号码。

SMS功能常用.txt和协议数据单元(protocol data unit,PDU)模式。使用.txt模式收发短信代码简单,比较容易实现，但有个不可忽视的缺点就是无法收发中文短信，设计需求中不涉及中文发送，所以这个限制可以不予考虑；而PDU模式支持中英文短信，编码相对比较灵活，但是在收发短信时需要短信中心号码的地址长度、号码类型、号码[16]。对于移动和联通而言，两种模式都可以实现收发短信的功能，但是区别于移动、联通，电信的网络制式是EVDO/CDMA1X，没有短信中心号码，无法兼容PDU模式，所以采用.txt文本编码模式，可以同时兼容三大运营商，应用更加广泛。在“GSM”缺省字符集下，最多可以发送180个字节的英文字符[17,18]，满足系统数据传输协议要求。

3.2 数据编帧

系统上电后各个模块在复位之后都开始工作，FPGA将惯性传感器数据、心率血氧集成传感器、温度传感器、GPS数据和气压计数据按照协议进行编帧处理；同时为确保接收端在判断接收数据的准确性将帧头加“EB 98”，再加两个字节的帧计数，根据该字节累加的情况，方便数据处理时进行数据连续性的判断。除此之外，在帧尾处加1个字节校验和，即前面所有数据和的低八位，如果GSM模块处理数据时发现校验错误，则视为无效数据，直接放弃对该帧数据的处理。具体数据格式见图4。

图4 数据编帧格式

3.3 数据接收及发送

1)数据接收：SIM7600CE芯片支持多种接口，但此次设计选择较为简单灵活的通用异步收发器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)串口传输，同时也满足数据传输速率要求。通信模块先通过串口接收消防员的位置、运动状态及生理参数等数据，主控模块FPGA以500 Hz的传输频率向通信模块发送数据，故而设置其发送波特率与GSM通信模块的接收波特率为460 800 bps，并在接收数据时判断数据帧头“EB 98”、字节数以及校验和正确与否。

2)数据发送：发送短信采用的是.txt文本模式下的GSM缺省字符集，所以,在FPGA内进行程序设计时不需要将接收到的字符串转化为ASCII码字符串。但是由于每条指令发送之后会有反馈应答的存在，因此在每条指令与数据之间中间必须留有足够的时间间隔，否则短信无法发送。通过了解芯片手册可知该应答时间小于等于0.1 s。具体发送流程如图5所示。

图5 短消息发送流程图

为了能够有效监测消防员的运动状态及位置速度信息，程序设计时通过判断主控模块发出的信号来控制改变短信发送频率。程序通过设计分频计数器得到周期为1 s的时钟信号，然后在主程序中调用该时钟信号分别得到10和1 min计时达到发送频率变化的要求。短消息发送主要分为两个阶段，分别为事故现场外待命阶段和进入现场后。待命阶段的消防员处于危险的可能性较低，但也不能完全忽视，所以设置发送频率为10 min；进入事故现场开始救援工作后由于环境复杂，消防员处于危险环境下，其运动状态及生命体征变化较快需要高频率实时发送信息监测状态，故将发送频率设置为1 min。根据以上设计要求设置模块串口发送波特率为115 200 bps，满足传输速率要求。

4 系统测试与结果分析

为了验证设计的发送成功率以及数据传输前后的一致性，对系统进行了大量的板卡级测试以及系统测试。测试时地面接收终端的相关指令需要兼容移动、联通和电信三大运行商，以防更换不同的运营商SIM卡后无法使用。程序内接收手机号码必须与安装在接收终端的SIM卡一致，系统与终端之间通过GSM通信模块建立TCP连接完成数据传输。由于系统外壳结构材料特殊，会屏蔽射频信号，需要将GSM天线通过穿墙器置于系统外以便接收信号，否则SIM卡信号失锁，短信无法发送成功。在进行板卡测试时通过计算机串口提供一帧正确的数据2 ms一次定时发给板卡的接收端，通过分析解码之后的信息来判断板卡运行状态，并进行传输前后数据对比。

系统集成之后分别进行了静态测试和动态测试，基本验证了功能的完整性。如图6所示为某次实验以篮球场为实验场地绕行一周的运动轨迹图。由图可以看到目标移动轨迹基本连续，数据传输过程基本没有出现因信号失锁而通信中断的现象。

图6 运动轨迹

接收终端存储下来的部分实验原始数据如图7所示，主要是心率血氧传感器数据、温度传感器数据以及压力传感器数据。经分析所有数据基本符合实验环境下的已知理论值，数据传输过程基本没有出现数据丢失，错帧等现象。

图7 部分实验原始数据

实验测试验证系统工作传输过程中的误码率非常低，地面接收终端接收成功率达到90 %以上，能够在模拟环境下进行高精度定位和有效数据回传。除此之外也验证了系统在灌封情况下进行了冲击试验、低气压试验、随机振动试验、高低温试验等环境试验之后依旧可正常稳定工作，证明其可靠性及可行性。

5 结 论

本文主要从总体方案设计、硬件电路及软件控制三方面详细介绍了一种基于SIM7600CE的智慧消防参数传输系统设计。系统将GSM通信技术与导航定位技术相结合实现位置姿态等数据实时传输处理。通过实验验证，系统能够将相关信息实时回传至地面接收终端，达到实时监测消防救援人员在复杂作业环境下的位置信息、运动状态及生命体征等参数的目的，为其生命安全保驾护航。这一设计为因无法及时获取救援人员位置及生理信息而导致其无法安全撤离火灾现场的问题提供了一种解决办法，且其可应用范围很广，可以推广应用于无人机、车载等场景需求。