基于GSM的汽車衡稱重數據遠程采集系統設計

曾 飛

（1.南通大學 杏林學院， 南通 226019；2.南通大學 電氣工程學院，南通 226019）

0 引言

電子汽車衡(地磅)是設置在地面上的大磅秤，一般用于煤礦、化工、冶金、建材、港口、碼頭等大宗載重貨物車輛的稱重計算。目前國內用于稱重數據的主要采集方式有人工抄表、RS232/RS485、局域網、CAN總線和ADSL技術等幾種[1~5]。在實際運行中，由于磅房各節點的分散性，人工抄表不僅浪費人力，而且各汽車衡稱重數據統計等后續處理工作煩瑣、容易出錯，同時也給不法者以可乘之機；RS232/RS485傳輸需要布線，系統抗干擾差，實時性和糾錯能力弱，對于分布偏遠的磅房和控制中心布線困難；局域網傳輸雖不用布線，但受黑客攻擊易造成系統崩潰，存在信息丟失的風險；ADSL技術需要在本地交換中心局和主要交換局安裝新型設備，成本較高。

GSM(global system for mobile communication)網絡的短消息業務功能(short message service，簡稱SMS)成熟完善、覆蓋面廣、功能強，在國內已經得到廣泛應用。SMS功能可發送文本文件，GSM終端設備之間能通過SMS進行數據傳輸。利用此功能，本文提出了一種基于GSM短消息業務的新型汽車衡稱重數據遠程采集系統，該系統可高效、可靠地實現遠程數據采集及管理中心對汽車遠程調度，對提高工作效率，降低人為因素具有重要意義。

1 系統組成及原理

汽車衡稱重數據遠程采集系統主要由數據采集終端和管理中心2部分組成。數據采集終端包含智能控制器、汽車衡系統、射頻卡系統、I/O控制、道閘系統、視頻系統和GSM通信模塊，如圖1所示。

圖1 汽車衡稱重數據遠程采集系統結構圖

智能控制器采用FPGA(現場可編程門陣列)協調控制射頻卡系統、汽車衡系統、I/O控制、道閘系統、視頻系統等工作順序，能自動完成稱重。射頻卡系統配置2臺非接觸式遠距離讀卡器，在駕駛員不出駕駛室的情況下，讀取車輛的IC卡信息，即可進入磅房稱重；道閘系統配備左右2臺帶地感線圈道閘，控制車輛的進入；I/O控制系統讀取紅外光電開關信號，判定車輛是否完全上磅；汽車衡系統根據接口協議，將稱重數據傳輸至智能控制器；然后智能控制器將稱重數據和IC卡信息以短消息編碼發送至數據庫管理中心。視頻系統由一臺數據錄像機、視頻卡和左右兩臺攝像機組成，完成車牌的抓拍和稱重車輛的錄像[6]。

管理中心由稱重上位機和數據庫服務器組成。稱重上位機完成遠程稱重數據接收和控制命令的發送以及報表打印。數據庫服務器提供稱重計量數據的存取、查詢服務。

2 系統硬件設計

2.1 智能控制器

FPGA全部控制邏輯由硬件完成，具有時鐘頻率高，內部延時小，運行速度快、IO接口多等特點，且組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路[7]。因此，在本系統中，采用XILINX公司的XC2S30型FPGA作為系統的核心控制部分，可以有效控制存儲器訪問、自動道閘、信號燈等功能模塊的控制邏輯順序，連接GSM無線通訊模塊實現與管理中心遠程通信。射頻讀卡器選用韓國3Logic公司的TRH031M芯片[8]。數據采集終端系統結構圖如圖2所示。

圖2 數據采集終端系統結構圖

2.2 電子汽車衡

SCS系列電子汽車衡由秤臺、連接裝置、傳感器、接線盒、纜線、稱重顯示控制器，限位裝置構成。重量數據接口可采用標準串行輸出RS-232，串口設置如下：數據位7位、無奇偶校驗、1個停止位。FPGA檢測到UART的通信起始位后，允許接收串行稱重數據。由于芯片工作電壓為2.7V~5.5V，RS-232接口工作電平12V~-12V，故需通過接口芯片MAX232芯片進行電平轉換。

2.3 GSM模塊

數據傳送采用西門子公司的GSM/GPRS雙模模塊MC35i。MC35i支持標準的RS-232接口，通信波特率支持300bps~230400kps，通過RXD、TXD和GND引腳與FPGA芯片實現串口通信。MC35i接口支持AT指令集，支持Text和PDU格式的SMS，通過AT指令可雙向傳輸指令和數據，其主要操作是通過AT+CMGS和AT+CMGR指令分別進行短信發送和讀取。

3 系統軟件設計

該系統軟件設計分為兩部分：稱重數據采集終端和管理中心。采集終端負責汽車衡稱重數據的采集與處理：1）FPGA協調控制射頻卡系統、汽車衡系統、I/O控制、道閘系統、視頻系統等邏輯順序；2）FPGA與GSM模塊MC35i的串口通信。管理中心負責數據接收、調度指令發送、系統設置、網絡連接和數據統計等。

3.1 稱重數據采集終端程序設計

3.1.1 智能控制器程序

數據采集過程由狀態機(ASM)實現，該系統工作過程如下：射頻卡讀卡器讀取車輛非接觸式IC卡信息通過RS-232串口上傳至FPGA。當駕駛員無卡時，讀卡器報警并語音提示去射頻卡管理中心辦卡并注冊。有卡時，控制系統工作在自動運行方式，自動道閘初始為落下狀態，當持有非接觸式IC卡的車輛開到汽車衡入口時，自動識別系統首先對IC卡進行驗證，判斷是否注冊。如為非注冊IC卡則語音提示到射頻卡管理中心注冊。如果已注冊，則信號燈綠燈點亮，自動道閘升起，需計量的車輛可以開到衡上進行計量。當車輛完全上磅，信號燈紅燈點亮、自動道閘落下，以阻擋后面車輛入，計量并采集數據，同時大屏幕顯示稱量數據，控制器完成各種數據的遠程發送。車輛開下汽車衡，紅綠信號燈熄滅，至此稱量過程完成，可以進行下一次的稱量，圖3是系統ASM圖。

圖3 ASM控制器圖

3.1.2 GSM通信程序

GSM模塊支持AT指令，管理中心通過串口發送相應AT指令完成模塊初始化、接收短消息、發送短消息操作，完成磅房數據查詢、報表匯總，信息調度。數據傳輸過程中為消除干擾，保證數據交換的可靠性和有效性，每個磅房采集終端GSM模塊的SIM卡與稱重數據一并打包并發送，存儲到管理中心數據庫。同時，管理中心設置短消息格式：操作功能(4位)+ID(8位)+相關消息內容(可調)。GSM通信流程圖如圖4所示，開機后系統首先初始化，不斷與事先設置好的服務器IP建立網絡連接。一旦連接成功，就按照管理中心系統設置的模式開始數據采集并打包封裝傳送至管理中心；如果接收到結束采集的命令，即刻斷網進入等待連接狀態。

圖4 通信流程圖GSM

3.2 管理中心數據接收程序

管理中心由稱重上位機和數據庫服務器構成。稱重上位機完成遠程稱重數據采集、指令傳輸和報表打印。數據庫服務器提供稱重計量數據的存取、查詢服務。質檢部門、銷售部門、調度部門通過訪問數據庫服務器及時統計、匯總報表、作出調度。部門領導可通過管理中心通信終端發布控制信息，靈活控制采集現場。管理中心數據的接收和發送是利用VC++6.0軟件中的MSComm控件實現，在本系統中串口通訊采用中斷的方式來實現,管理中心數據接收軟件流程圖如圖5所示。

圖5 管理中心數據接收軟件流程圖

4 結束語

設計的基于GSM汽車衡稱重數據遠程采集系統，克服了傳統的人工采集、有線傳輸和局域網等方式傳輸的限制，實現了管理中心通過通信協議對多點無線網絡節點的數據采集與管理，極大地降低了建設成本，防止了徇私舞弊現象發生，具有較好的實用價值和應用前景，對實現磅房無人職守具有重要意義。今后，在信息數據海量存儲及系統可靠性方面還需要進一步研究完善。

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