基于GPRS與485總線的遠程數據采集控制裝置設計

李勝永，季 禹，張 悅

(江蘇航運職業技術學院，江蘇南通，226010)

1 引言

文獻[1]中利用船載自動識別系統對江海大橋主橋墩實施了主動防撞警示系統，通過GPS獲取大橋主橋墩的物理位置，數據處理單元將大橋橋墩物理位置發送到船載自動識別系統，過往船只通過雷達圖像即可自動獲取大橋橋墩標識和具體位置，輔助船舶安全通過大橋主通航孔，如圖1所示。

由于該系統結構簡單，主動防撞效果好，包括蘇通大橋在內的國內大型橋梁部分進行了主動防撞系統安裝。運行效果良好，大幅降低了橋梁防撞風險。隨著系統數量的增加，部分設計橋梁監控安全數據均孤立存在各個孤島系統內，如船舶通過警戒線次數、時間、通過量，船舶行進路徑等眾多航道關鍵數據。上述數據對航道通航周期性預測工作特別重要，屬于航道和橋梁管理部分的核心數據，如何獲取是系統研發改進的方向。

圖1 大橋主動防撞系統原理圖

2 總體方案

在原有系統基礎上通過圖1中RS485對外進行數據輸出，獲取警報次數、時間、主通航孔通過量，通過GPRS[2]模塊將上述數據進行獲取并上傳到數據網絡，由后臺上位機進行數據獲取[3-4]，對船舶行進路徑進行記錄，并可對航道內船舶管理進行周期性預測[5-6]，配合智能化航標的使用可以提升船舶通航可靠性，如圖2所示。也可通過后期開發進行數據處理單元遠程管理功能，如圖3所示。

圖2 基于GPRS與485總線的遠程數據采集管理系統

圖3 可以遠程管理的主動防撞系統原理圖

3 遠程數據采集裝置硬件設計

電路設計包含前段的MAX485自適配電路和遠程數據采集控制器，處理器采用超強抗干擾、高速、超低功耗的STC8F2K16S2。處理器控制GA6-B GPRS模塊，用于串口GPRS服務，接受AT控制指令，也可用串口復用，如圖4所示。MAX485電路作為前端電平轉換電路雙向與主動防撞系統數據處理單元交換數據；遠程數據采集控制器是此次設計的最核心的裝置，用于控制信息生成和數據轉換處理；GPRS模塊用于實現和外界的數據通信，實現圖2的系統功能。

圖4 硬件設計整體方案

3.1 MAX485電路設計

485通信方式歷史沿革時間長，技術完善，采用平衡發送和差動接收方式通信，抗干擾能力強。由于主動防撞系統和數據采集控制模塊安裝位置相同，一般都在各大橋管理處的機房，干擾源多，環境噪音高。電路設計中重點關注抗干擾措施，首先進行電源隔離，使用DC-DC產生一組與控制模塊處理器相隔離的電源V485，用于向MAX485收發器提供電源。其次在TTL電平輸入輸出及控制端進行了光耦隔離，隔絕了干擾源進入總線機會。但是，光耦的飽和需要時間。因此，這里采用了2501型高速光耦，同時將R2、R1配對組合進行了優化實驗(其它分支皆同)，根據具體網絡環境選取了具體數值。最后在485總線短進行了穩壓管D1、D3穩壓吸收回路進行了雜波抑制，如圖5所示。

圖5 光電隔離MAX485抗干擾電路

3.2 GA6-B GPRS模塊電路連接設計

GA6-B是一個4頻的GSM/GPRS模塊，工作的頻段為：EGSM 900MHz、 GSM850MHz和DCS 1800, PCS1900。GA6-B支持GPRS multi-slot class 10/ class 8和 GPRS 編碼格式CS-1, CS-2, CS-3和CS-4。

GA6-B采用單電源供電，VBAT的電壓輸入范圍從3.5V 到4.2V ，官方推薦電壓為4.0V(VBAT) 。模塊發射的突發會導致電壓跌落，這時電流的峰值最高會達到2A。因此，電源的供流能力不能小于2A。 電路設計中靠近VBAT使用一個旁路電容，推薦使用100μF 、低ESR的電容。也可以使用100 μF 鉭電容(低 ESR)和一個(1μF～10μF) 的陶瓷電容并聯來降低成本，PCB布板時，電容應盡可能靠近模塊的VBAT引腳。和控制器連接是直接將MCU的串口和GA6-B的數據傳輸接口連接，同485總線不同的是，這里不需要進行任何干擾措施，二者在同一個工作環境內，且在同一個電磁環境下，且屬于串行通信。控制器MCU和GA6-B使用不同的電源連接。電路如圖6所示：

圖6 和MCU的連接關系圖

4 軟件設計

數據采集控制模塊對主動防撞系統處理單元中數據進行采集，通過485總線傳送給數據采集控制器MCU，MCU通過驅動控制GA6-B GPRS模塊進行云數據傳輸，達到主動防撞系統的監控設計目的。數據采集控制模塊的工作流程如圖7所示。

圖7 模塊工作流程

4.1 組網方案

上位機云服務中心采用APN專線，所有點都采用內網固定IP 客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡才能進入專網APN，防止其他非法用戶的進入。

用戶在內部建立RADIUS服務器，作為內部用戶接入的遠程認證服務器(或在APN路由器內，啟用路由器本地認證功能)。只有通過認證的用戶才允許接入，用以保證用戶內部安全。用戶在內部建立DHCP服務器(或在APN路由器內，啟用DHCP功能)，為通過認證的用戶分配用戶內部地址。移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。 此種方案無論實時性，安全性和穩定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數據點比較多、實時性要求較高的應用環境。

4.2 MCU控制程序設計

GA6-B GPRS模塊網絡注冊時間6S，因此在程序設計中進行網絡注冊等待。

Uart1Init(); //串口初始化

Timer0Init();//TIM0初始化

EA = 1; //開啟總中斷

for(i = 0;i < STABLE_TIMES;i++)//等待網絡穩定

{

delay_ms(50);

}

GPRS在入網連接后連接狀態接收也是程序設計的關鍵，在硬件電路中通過上拉電阻設定了485網絡的初始狀態，用于抗干擾措施和數據穩定性，因此在查詢服務器連接狀態的程序中需要返回狀態甄別，程序如下：

nt send_data_to_server(char *server_IP_and_port,char *content)

{

ret = UART1_Send_AT_Command("AT+CIPSTATUS","CONNECT OK",3,50*2);//查詢連接狀態

if(ret == 1)//說明服務器處于連接狀態

{

ret = UART1_Send_AT_Command("AT+CIPSEND",">",3,50);//開發發送數據

if(ret == 0)

{

return AT_CIPSEND_ERROR;

}

UART1_SendString(content);

ret = UART1_Send_AT_Command_END(end_char,"SEND OK",1,250);//發送結束符，等待返回ok,等待5S發一次，因為發送數據時間可能較長

if(ret == 0)

{

return END_CHAR_ERROR;

}

return 1;

}

5 結語

本文提出了一種遠程無線數據采集控制裝置，利用485串口轉GPRS無線，實現數據采集和主動防撞系統運行監控，可以適應跨區域，遠距離進行關鍵數據采集，方便了有關管理部門進行數據收集，具有較高應用價值。