基于GSM的高速公路能見度檢測系統設計

CHENG Quan, FAN Yu

1 概述

高速公路是20世紀30年代在西方國家開始出現的為汽車運輸提供特別服務的交通基礎設施，是國家的重要資源，對于促進國家經濟增長、提高人民生活質量、維護國家安全等都具有重要價值。高速公路的發展不僅是經濟的需要，也是人類文明和現代生活的組成部分。高速公路的正常運行是高速公路發揮作用的首要條件，但是由于天氣原因引起的大雨、大霧等使道路能見度降低的情況嚴重影響著高速公路的正常運行。因此高速公路能見度檢測及信息報告是高速公路信息的重要組成部分和發展的必然方向。

2 能見度介紹

大氣能見度(Visibility)是反映大氣透明度的一個指標，一般定義為具有正常視力的人在當時的天氣條件下還能夠看清楚目標輪廓的最大地面水平距離。影響能見度的因子主要有大氣透明度、燈光強度和視覺感閾。大氣能見度和當時的天氣情況密切相關。當出現降雨、霧、霾、沙塵暴等天氣過程時，大氣透明度較低，因此能見度較差。 測量大氣能見度一般可用目測的方法，也可以使用大氣透射儀、激光能見度自動測量儀等測量儀器測量。激光能見度自動測量儀是通過激光測量大氣消光系數的方法來推算能見度，相對而言，較為客觀和準確，該系統檢測端我們選用激光能見度測量儀。

根據柯西密德（Koschmieder）定律，對以水平天空為背景的黑體目標物，目標物和背景視亮度對比可以表示為：

式中：ε-視覺對比閾值；

σ-大氣水平消光系數；

r-目標物和觀測者之間的距離；

ν-能見度。

激光能見度測量儀將檢測到的信號利用上式經處理后送至控制器的數據采集板，經單片機取樣和計算得到大氣能見度值，并通過GSM網絡傳送到控制中心。

3 系統總體方案及構成

GSM (Global system mobile) 全球數字移動系統是目前國內覆蓋最廣、系統可靠性最高、話機擁有量最大的數字移動蜂窩通訊系統。當前中國移動GSM網是國內第一大網, 依托具有強大數字移動蜂窩通信技術的GSM網作為能見度信息的無線傳輸網絡可確保傳輸通道的可靠性。而短消息方式是GSM的一種便捷的數據通信方式。

系統主要構成原理如圖1所示：

圖1 系統構成原理框圖

射頻天線起到信號的調制與解調功能,實現外部射頻信號與內部基帶處理器之間的信號轉換。GSM基帶處理器實現協議處理,用來處理外部系統通過串口發送過來的AT指令。Flash卡用來暫存產生和接收的短信信息。Zip 插座為用戶應用接口部分,有40個引腳, 8個標準的RS232信號接口引腳,實現與執行前端單片機的通訊， 6個SIM卡連接引腳。

本文提出并設計了基于GSM 網絡的高速公路能見度檢測系統，系統通過GSM 模塊連接整個GSM 網絡，再通過GSM 網絡進行信息傳遞，整個系統具有高可靠性，高穩定性的特點。該系統主要有能見度檢測系統、單片機系統和GSM模塊幾部分組成。能見度檢測系統把檢測到的數據傳送給單片機,單片機通過電路以19200b/s的速率和GSM網絡專用模塊TC35i相連接然后發送出去。單片機控制系統在上電后完成初始化即進入待命狀態, TC35i模塊處于發送狀態與控制中心之間建立通信協議；由于采集數據的執行前端時時刻刻都在進行數據采集,在處理數據時不可能將每次檢測到的數據均以短消息的形式發送給主站設備,在檢測系統中利用單片機程序設定檢測信號的下限,當信號引發下限時,立即通知GSM引擎發送短信信息,然后將信息傳送給控制中心。

4 單片機與TC35i模塊接口設計

TC35i的數據通信接口為RS - 232串行接口,工作在CMOS電平(2.65 V) ,使用/TXD和/RXD兩個引腳與單片機通信,支持標準的AT命令集。 單片機可以通過正確的AT指令對TC35i模塊進行初始化和短消息的接收發送控制。 對短消息的控制共有3種模式: Block模式、PDU模式和Text模式。 文本模式和PDU 模式實質上是指短信息數據的編碼格式,編碼得到的字符串表面上由“0～9”、“A～F”這些字符組成。PDU 編碼得到的字符串不僅包含可顯示的短信息本身, 還包含很多其它信息。PDU模式可采用的編碼方式有三種: 7-bit編碼、8-bit編碼和UCS-2編碼。7-bit編碼只能發送ASCII字符,8-bit編碼通常用于傳送數據信息, UCS-2編碼用于發送Unicode字符。

GSM引擎模塊提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07規范。GSM07.07中定義的AT Command接口，提供了一種移動平臺與數據終端設備之間的通用接口；GSM07.05對短消息作了詳細的規定。在短消息模塊收到網絡發來的短消息時，能夠通過串口發送指示消息，數據終端設備可以向GSM模塊發送各種命令。

在AT89C52單片機和GSM模塊的連接過程中首先要對GSM模塊的通信速率和工作模式進行設定程序如下：

START：CLR P1.0; /IGT=0

LCALL DL100MS ; 延時100毫秒

SETB P1.0; /IGT=1; 啟動TC35i模塊

MOV PCON, #80H;

MOV TH1, #0FBH; 18.432MHZ晶振;時，設置串口為19200波特率

MOV TL1, #0FBH

MOV SCON,#50H; 串口8位無校驗

SETB TR1

RET

設置TC35i模塊為PDU工作模式

CMGF：MOV 40H, #41H ; A

MOV 41H, #54H ; T

MOV 42H, #2BH ; +

MOV 43H, #43H ; C

MOV 44H, #4DH ; M

MOV 45H, #47H ; G

MOV 46H, #46H ; F

MOV 47H, #3DH ; =

MOV 48H, #30H ; 0

MOV 49H, #0DH ; CR

MOV R2, #0AH ;發送10個字符

MOV R0, #40H

CMGF1：MOV A, @R0

MOV SBUF, A

JNB TI, $

CLR TI

INC R0

DJNZ R2, CMGF1

RET

該程序經實際應用在GSM模塊與AT89C52單片機進行通信過程中性能良好沒有出現過數據丟失的現象。TC35i的接口電平一般是3V左右，單片機系統的工作電壓一般為2.7～5.5V，范圍較寬，為保證數據傳輸的正確，需在接口加電平限制電路；在調試過程中系統不能接收已正確發送的短消息主要是由于PDU中PID字節的設置，使得收到的信息要存入SIM卡而SIM卡已滿，故不再接收信息，改變PID的設置即可實現數據的接收。

5 結論

將GSM通訊引入高速公路監測領域采用無線方式傳輸無需架線，投資少，施工快、維護量小；數據傳送準確，抗干擾能力強；易于同監控單元集成構成監測終端，非常適合對高速公路能見度的監測要求。

[1] 李廣弟.單片機基礎[M].北京:北京航空航天大學出版社,1999,172-191.

[2] 李朝青.PC機及單片機數據通信技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.

[3] 李建華.RS-232和調制解調器高級通信編成[M].北京:人民郵電出版社,2001.

[4] 《GSM AT 命令手冊》 http://www.cnaye.com