基于GSM/GPRS的特種電動車監(jiān)控系統(tǒng)

李　輝，晏　菁，黃佩俐

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

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基于GSM/GPRS的特種電動車監(jiān)控系統(tǒng)

李輝，晏菁，黃佩俐

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

摘要：針對特種電動車對遠(yuǎn)程管理與調(diào)度的需要，設(shè)計了一種無線智能車載監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)使用GPS模塊與高性能鋰電池組管理IC對車輛位置與電池狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，并將此類重要信息利用GSM/GPRS通信模塊定時傳送給監(jiān)控中心；同時接收監(jiān)控中心的指令以完成對車輛的管控。試驗證明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)^大范圍的車輛實現(xiàn)低成本智能化監(jiān)控，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：特種電動車；AVR MCU；GSM/GPRS模塊；GPS模塊；LTC6802

0引言

隨著污染的加劇和國家對節(jié)能減排的日益重視，鋰電動車已經(jīng)成為解決環(huán)境問題的重要途徑。特種電動車包括清潔車和觀光車等車型；區(qū)別于燃油車，這類車輛需要對動力鋰電池組進(jìn)行實時的監(jiān)測，以避免電池的非正常工作狀態(tài)。除電池狀態(tài)數(shù)據(jù)以外，車輛位置等信息也需要定時上傳監(jiān)控中心供管理調(diào)度使用。目前這類車輛監(jiān)控技術(shù)還是相對落后，主要以對講機(jī)為主，存在自動化程度低，通信距離受限，過于依賴人員素質(zhì)等局限性；一旦遇到突發(fā)情況往往措手不及，陷入混亂。如節(jié)假日景區(qū)觀光車的監(jiān)控調(diào)度與突發(fā)故障處理就是一個亟待解決的問題。

無線通信和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，以及衛(wèi)星定位系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為高性能低成本的遠(yuǎn)程智能車輛監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。本文使用專用GSM/GPRS通信模塊與GPS定位模塊，以及高性能鋰電池組管理IC設(shè)計了一種智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可將電池狀態(tài)、位置信息等重要信息利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)定時傳送給監(jiān)控中心，并同時接收監(jiān)控中心的指令，完成對車輛的管理與調(diào)度。

1總體設(shè)計方案

鋰電池由于其理化特性，需要必備的保護(hù)裝置以防止過充電和過放電；同時還需根據(jù)具體使用要求，配置合理的輔助性功能，如：過溫保護(hù)、休眠控制和電量估算等[1]，所以區(qū)別于普通燃油汽車，鋰電動車監(jiān)控系統(tǒng)必須具備對鋰電池組的監(jiān)測控制能力。因此本遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的具體工作原理如下：主控MCU監(jiān)控鋰電池組的電量電流等工作狀態(tài)，同時利用GPS接收模塊實時測量自身的位置，并將電池狀態(tài)、位置信息以及其他重要信息利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)定時傳送給監(jiān)控中心。另一方面MCU通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)接收監(jiān)控中心的指令，完成對車輛的管理與調(diào)度。整個遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以分為鋰電池管理、無線數(shù)傳、GPS定位以及電源管理4個子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　電動車監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)使用的主控單元為AVR 8bit高性能低功耗MCU Atmega128。該MCU采用RISC結(jié)構(gòu)，擁有4 K SRAM和128 K可編程Flash，工作于16 MHz時速度高達(dá)16 MIPS；同時外設(shè)資源也十分豐富，除了一般單片機(jī)所共有的定時器/計數(shù)器等常用模塊之外，還集成了控制外設(shè)所需的可編程PWM、多路ADC和SPI接口，能夠以盡可能簡潔的外圍電路滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求；而多達(dá)6種休眠模式的靈活設(shè)置更有利于移動式系統(tǒng)的開發(fā)[2]。

2子系統(tǒng)設(shè)計

2.1鋰電管理模塊

鋰電管理模塊首先必須具備保護(hù)功能以防止過充和過放電；輔助功能包括過溫保護(hù)、電量估算和數(shù)據(jù)通信等。這其中每節(jié)電池單體的電壓值是最重要的參數(shù)，這是因為電池充放電狀態(tài)與電池端電壓緊密相關(guān)；在充放電過程中必須精確檢測電池的端電壓才能防止過充過放。在電池數(shù)量較多的電池組中，沿著電池串聯(lián)的方向?qū)a(chǎn)生很高的共模電壓；這使得電池電壓檢測面臨很大的挑戰(zhàn)，常用的檢測方法有：電阻分壓法、飛度電容法和差分放大法等[3]。這些方法都存在功耗大、外部器件過多和采樣誤差大等缺點。尤其在串聯(lián)電池數(shù)量很大的情況下這些方法更是難以滿足要求；而且很難進(jìn)行系統(tǒng)容量擴(kuò)展，降低了電源管理系統(tǒng)的通用性和靈活性[4]。本設(shè)計采用凌特公司的多電池組監(jiān)控IC LTC6802，能夠在輸入共模電壓高達(dá)60 V的條件下測量多達(dá)12節(jié)串接電池的電壓，在-40～85°C的范圍內(nèi)對單體的測量精度為1.5 mV；并且對每個電池單元均可進(jìn)行欠壓和過壓監(jiān)測。該器件的專有設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)多片級聯(lián)，無需使用光耦合器就能擴(kuò)展更多的電池單元[5]。

LTC6802有2組串行口，其中高邊端口用來和上級LTC6802的低邊端口級聯(lián)通信，低邊端口是一個帶數(shù)據(jù)差錯檢驗功能的串行口，可與MCU的SPI口直接相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具體電路可參考文獻(xiàn)[5]。

2.2GPS定位模塊

GPS定位通過國產(chǎn)北斗/GPS雙系統(tǒng)芯片UM220-III實現(xiàn)。UM220-III是UM220系列的第三代產(chǎn)品，是目前市場上尺寸最小的完全國產(chǎn)化的北斗/GPS模塊。該模塊采用GNSS多系統(tǒng)融合及卡爾曼濾波等優(yōu)化算法，在各種復(fù)雜環(huán)境下均能保持出色的捕獲跟蹤能力，水平定位精度優(yōu)于2.5 m CEP；通過動態(tài)調(diào)整工作狀態(tài)進(jìn)行部分休眠以確保超低功耗運行(小于120 mW)，適于便攜應(yīng)用；支持I2C、SPI等多種接口與NMEA0183數(shù)據(jù)格式，可以以較少的外圍電路與多種MCU接口構(gòu)成完整的定位接收機(jī)。因此UM220-III在車輛監(jiān)控/導(dǎo)航、手持設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6]，具體的電路如圖2所示。

圖2　GPS信號接收電路

2.3通信模塊

通信模塊是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著遙測遙控與數(shù)據(jù)通信的重任，即：通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)可靠的接收監(jiān)控中心的指令，供主控MCU分析使用；另一方面，將GPS模塊提供的定位數(shù)據(jù)與鋰電池狀態(tài)等重要信息同樣利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)控中心以實現(xiàn)對車輛的監(jiān)測與控制、調(diào)度。

本設(shè)計采用的通訊模塊為SIMcom公司的高性能GSM/GPRS通信芯片SIM900A。為了方便二次開發(fā)，SIM900A可利用串口與SIM卡和MCU方便地建立通訊，從而快捷地接入GSM/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)車載終端向控制中心的數(shù)據(jù)傳輸以及控制中心對終端的指令遙控，具體電路可參考文獻(xiàn)[7]。

SIM900A采用單電源供電，范圍在3.2～4.8 V之間，推薦電壓為4.0 V，模塊射頻發(fā)射時會導(dǎo)致電壓跌落，這時電流峰值會達(dá)到2 A以上，因此電源供電能力盡可能達(dá)到2 A。PCB布局時VBAT腳上的旁路電容盡量放在附近，為了減少電源線走線阻抗，電源線應(yīng)盡量寬而短。SIM900A支持1.8/3.0 V的SIM卡。SIM_DATA腳應(yīng)并聯(lián)pF級電容防止高頻干擾；PCB布局時卡座應(yīng)盡量靠近模塊，以免走線過長導(dǎo)致無法識別。對于射頻部分設(shè)計則需要考慮預(yù)留Π型網(wǎng)絡(luò)，以便后續(xù)天線匹配調(diào)試[8]。射頻走線應(yīng)遵循短而直的原則，盡量走直線或弧線，RF線下方需有完整的參考地；而線寬則需結(jié)合板厚、材質(zhì)等估算，以保證50Ω的特性阻抗[9]。

2.4電源管理

整個系統(tǒng)的供電都由電動車的電池組提供。由于特種電動車的電池組一般輸出都在40 V以上，超過了普通DC-DC的輸入范圍，所以需要選用高壓DC-DC，并且綜合主要IC所需的電流電壓來設(shè)計電源管理模塊。整個系統(tǒng)各個模塊所需的電壓電流如下：MCU Atmega128L，3.3 V，<100 mA；GPS UM220-III，3.3 V，<100 mA；SIM900A，5 V，1.5 A；LTC6802直接從鋰電池組取電，所以整個系統(tǒng)的電源管理方案為首先利用高壓降壓DC-DC LTM8027從電池組得到5 V，4 A的低壓大電流輸出，再將5 V變壓為3.3 V供MCU和GPS使用。LTM8027為寬輸入范圍(4.5~60 V)降壓型DC/DC，支持2.5~24 V的輸出電壓和100～500 kHz的開關(guān)頻率范圍，輸出電流可達(dá)4 A，停機(jī)時電流僅有9 μA。封裝中內(nèi)置了開關(guān)控制器與大部分支持元件，外圍僅需大容量的輸入輸出濾波電容便可實現(xiàn)完整的設(shè)計[10]。從5~3.3 V的轉(zhuǎn)換器件則有很多，這里選擇LM1117，具體的電源管理電路參考文獻(xiàn)[10]所示。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計

本電動車監(jiān)控系統(tǒng)的軟件可以分為GSM/GPRS數(shù)據(jù)通信、GPS數(shù)據(jù)上傳、鋰電池監(jiān)測等主要模塊，如圖3(a)所示。各程序模塊之間采用中斷優(yōu)先級的方式加以調(diào)度管理。基于電動車監(jiān)控終端的工作特點，優(yōu)先級的次序為：鋰電池監(jiān)測管理>GSM短信通信(或GPRS數(shù)據(jù)通信)>GPS數(shù)據(jù)上傳。所有這些任務(wù)模塊都是基于uc/os操作系統(tǒng)平臺。uc/os是一種免費公開源碼、結(jié)構(gòu)小巧和具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)，其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能，最小內(nèi)核可編譯至2 k，尤其適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良以及可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點[11]。

SIM900A在正常情況下與監(jiān)控中心通過GSM短信服務(wù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，此時GPRS功能處于關(guān)閉狀態(tài)以降低功耗；只有當(dāng)監(jiān)控中心以GSM短信方式發(fā)出GPRS數(shù)傳指令時，SIM900A才啟動相應(yīng)的GPRS通信功能，接收監(jiān)控中心的控制指令，并定時上傳鋰電池狀態(tài)、車輛位置以及其他重要信息[12]，具體的程序流程如圖3(b)所示。

圖3　軟件流程圖

4結(jié)束語

本文設(shè)計的基于微處理器和通信、定位和電池管理模塊的電動車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)實驗證明工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)﹄姵貭顩r、位置等重要參數(shù)進(jìn)行采集與數(shù)傳。相比于傳統(tǒng)的人工監(jiān)控，該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：① 克服了人力監(jiān)控可靠性差，隨意性強(qiáng)等缺點；② 利用了現(xiàn)有的GSM/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，無需搭建專門的無線中繼站，成本低廉；③ 基于移動基站的數(shù)據(jù)傳輸能夠以較低的輻射功率覆蓋很大的范圍，使得整個系統(tǒng)的功耗較低，從而有效延長了鋰電池組的使用時間。因此本特種電動車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用與推廣前景。

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Special EV Monitoring System Based on GSM/GPRS

LI Hui,YAN jing,HUANG Pei-li

(School of Physics and Electronic Information,Anhui Normal University,Wuhu Anhui 241000,China)

Abstract：A wireless intelligent vehicle-mounted monitoring system is designed to satisfy the requirement of long-distance management and dispatch of special EVs.The system monitors the position and battery status of EV by using GPS module and high-performance lithium battery management IC,and sends these kinds of important information to the monitoring centre by using GSM/GPRS module.The commands from the monitoring centre are received to control the EVs at the same time.The experiment results show that the system works stably and reliably,can implement low-cost intelligent monitoring for EVs in an extended area,and it has excellent application prospect.

Key words：special EV;AVR MCU;GSM/GPRS module;GPS module;LTC6802

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)02-70-3

作者簡介：李輝(1978—)，男，講師，博士，主要研究方向：智能儀器、弱信號檢測。晏菁(1979—)，女，講師，主要研究方向：自控技術(shù)。

基金項目：安徽師范大學(xué)2015年創(chuàng)新基金

收稿日期：2015-11-18

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.18

引用格式：李輝，晏菁，黃佩俐.基于GSM/GPRS的特種電動車監(jiān)控系統(tǒng)[J].無線電通信技術(shù),2016,42(2):70-72,98.