基于GPRS的客車遠程監控系統設計

張瑞芳,黃志平,劉 峰,陳朝發,周忠良

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081)

在鐵路快速發展戰略的形勢下,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、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測。基于GPRS的客車遠程監控系統正是利用GPRS無線數據傳輸技術,以GPS為車輛定位手段,通過車載終端和監控中心的信息交互,實現對運行車輛的有效監測。

1 GPRS技術及其特點

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業務的簡稱,是在GSM基礎上發展起來的一種分組交換的數據承載和傳輸方式。與原有GSM比較,GPRS在數據業務的承載和支持上具有非常明顯的優勢:通過多個GSM時隙的復用,支持的數據傳輸速率更高,理論峰值達115 k B/s;不同的網絡用戶共享同一組GPRS信道,但只有當某一個用戶需要發送或接收數據時才會占用信道資源。這樣,通過多用戶的業務復用,更有效地利用無線網絡信道資源,特別適合突發性、頻繁的小流量數據傳輸,也適用于偶爾的大數據量傳輸,很好地適應數據業務的突發性特點;與無線應用協議(WAP)技術不同,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據通信業務,GPRS的價格優勢比較明顯,而且用戶可以根據自己的需要,以月租、包月等多種形式進一步降低GPRS通信的費用。

使用GPRS實現遠程數據的傳送是非常經濟實用的,而且其傳送數據的特點正是車輛遠程監測數據的特性,因此,GPRS特別適合于車輛監測系統的使用。

2 系統構成和功能設計

2.1 系統總體構成

本系統由3部分組成:監控中心、數據傳輸網絡和車載終端。監控中心服務器必須可以連接到Internet,并具有固定的IP地址;數據傳輸網絡由GPRS網絡和Internet組成,是終端與監控中心之間的數據傳輸媒介;車載終端集成了GPRS通信模塊,具有接收和發送數據的功能,可以接收來自GPS衛星的定位信息,也可以向監控中心發送數據信息。

GPRS網絡是在GSM網絡基礎上,新增SGSN和GGSN節點而形成的移動分組數據網絡。因此GPRS的基本功能是在移動終端與計算機通信網絡的路由器之間提供分組傳遞業務。系統總體構成如圖1所示。

圖1 系統總體構架示意圖

2.2 系統工作原理

在本設計中,采用GPRS和Internet作為數據傳輸中介,實現車載終端與監控中心之間的數據傳輸。GPRS的基礎是以IP包的形式進行數據的傳輸,GPRS終端通過PPP(Point to Point Protocol)協議獲得動態分配的IP地址。建立連接后,在PPP協議的基礎上通過數據傳輸協議(TCP、UDP)實現與Internet上計算機的數據通訊。

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

2.3 系統的主要功能

2.3.1 車載終端主要功能

當監測系統工作時,系統主機定時通過無線GPRS接口向地面發送車輛狀態信息和GPS定位信息,信息內容還包括列車的車次、車廂號、車號、時間、監測項類型、監測項狀態。

車載終端由單片機、GPRS通信模塊、GPS模塊等組成,主要能夠實現如下幾種功能:

(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)數據接收和發送功能。車載終端中的GPRS模塊用于實現終端與監控中心之間的數據傳輸。終端可以將GPS定位信息、傳感器、報警信號等通過GPRS模塊發送給監控中心服務器。

2.3.2 監控中心系統功能

監控中心是數據處理的中心,負責系統中涉及到的所有數據信息的存儲、傳輸、查詢等操作和管理。由于本論文主要側重于車載終端的軟硬件實現和系統通訊的實現,因此只對監控中心軟件的功能作簡單的介紹。監控中心系統軟件主要功能有:

(1)數據庫管理。系統可以對終端用戶檔案、終端狀態信息、地理信息等多種信息進行管理。

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

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

(4)軌跡回放功能。系統將終端的信息存儲在數據庫中,在需要的時候可以回放。

3 車載終端硬件系統設計

根據車載終端所要實現的功能,車載終端硬件系統設計如圖2所示。整個硬件系統由主機、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 硬件設備選型

(1)GPRS模塊

目前市場上出現的GPRS數據傳輸模塊由多家公司生產的產品,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規范。本系統對GPRS模塊的性能、價格、功耗以及開發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是一款內嵌了 TCP/IP協議棧的 3頻GSM/GPRS(900,1 800和1 900 MHz,GPRSClass10)模塊,可快速安全可靠地實現數據傳輸。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星定位系統的民用頻段。GPS模塊的生產廠商比較多,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。本系統設計時選用Nav Man公司的Jupiter J21 GPSOEM板作為本次設計的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的GPS衛星,并進行解產生中斷信號,進行相應的處理,并將該信息發至碼和信號處理。它提供一個標準的串行接口用來監控中心與單片機、PC機進行通訊。

(3)單片機

本系統的控制核心是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級的芯片。它具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核,但與80C51系列單片機在結構上的區別有:系統時鐘多樣并控制靈活;有基于JTAG口的系統調功能;內部特殊功能寄存器數量很多;外部引腳采用交叉開關配置等。由于該系列的單片機性能十分優越 ,故本系統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,本設計采取開關電源+低壓差線性穩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,模塊才能關機。本設計利用了單片機的I/O口驅動上述兩個引腳,可方便的產生MC55模塊的開機和關機時序電平。

(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議是AT命令集,其中大部分命令是符合協議“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。數據通信電路以TI公司的MAX232芯片為核心,實現電平轉換及串口通信功能。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,系統方可進入正常工作狀態。但是目前移動運營商所提供的SIM卡均無CCIN引腳,所以在設計電路時將引腳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。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:

(1)LED燈滅,表示 TC35電源關閉,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,或者網絡正在搜尋中,或者正在進行用戶身份鑒定,或者網絡注冊正在進行中。

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

(4)LED燈亮,依據不同的呼叫類型:聲音呼叫,數據呼叫,在建立或者完畢時的狀態。

3.3 初始化設置

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

(1)設置通信波特率,可以使用AT+IPR=115 200命令,把波特率設為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)設置接入網關,通過 AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”命令設置 GPRS接入網關為移動夢網。

(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業務是否已經開通,GPRS模塊天線是否安裝正確等。

4 車載終端軟件設計

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的數據采用中斷方式。控制軟件流程如圖3所示。

4.2 主機撥號連接Internet網

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

GPRS模塊在撥號,首先要與GPRS網關進行通信鏈路的協商,即協商點到點的各種鏈路參數配置。協商過程遵守 LCP(Link Control Protocol)、PAP(Pass-word Authentication Protocol)和IPCP(Internet Protocol Control Protocol)等協議。其中LCP協議用于建立、構造、測試鏈路連接;PAP協議用于處理密碼驗證部分;IPCP協議用于設置網絡協議環境,并分配IP地址。協商機制用有限狀態機的模型來實現。一旦協商完成,鏈路已經創建,IP地址已經分配就可以按協商的標準進行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數據幀。主機發送一個空 LCP REQ幀,以強迫進行協議協商階段。隨后,GGSN發送LCP設置幀,主機拒絕所有的設置并請求驗證模式。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IP地址。此時,就完成了與GGSN的協商過程。協商過程的狀態轉換如圖5所示。

圖5 PPP協商過程流程

4 結束語

本文給出了一種基于GPRS模塊MC55實現的客車遠程無線監測系統的設計,介紹了車載終端硬件設計方案以及單片機、主機軟件的實現方法 。單片機的實時控制充分利用了GPRS模塊 MC55的雙串口優勢,保證了系統的可靠運行。設計的監測系統已在現場運行過程中取得良好效果,對安裝本系統的車輛長期跟蹤監測表明,GPRS上線率在90%以上,獲得了用戶一致好評與認可。隨著遠程安全監測在鐵路應用中發揮越來越重要的作用,該系統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的監測系統設計[J].儀表技術與傳感器,2007(2):20-22.

[2] 陳 慧,霍家道.基于TC35設計的車輛監控系統[J].應用科技,2003,30(12):35-37.