高速公路沿線供電線路故障短信息報警電路設(shè)計研究

曹德林,于 彤

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015)

1 應(yīng)用背景及意義

高速公路沿線機(jī)電設(shè)備供電距離較長,供電線路若出現(xiàn)短路、斷路等問題,將直接影響機(jī)電設(shè)備正常運行。因此,第一時間排除故障,恢復(fù)供電是日常維護(hù)工作的重中之重。維護(hù)中,可以通過傳感器采集故障信號、信息傳輸、監(jiān)控室PC機(jī)接收故障信息三個步驟完成報警過程,進(jìn)而做出命令指示。研究通過對移動通信模塊進(jìn)行開發(fā),設(shè)計出一套短信息報警電路解決上述信息傳輸問題。該電路在2G、3G、4G、5G制式下均可實現(xiàn)短信息傳輸,在移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域較為寬闊的情況下,可以實現(xiàn)快速高效的信息傳輸。實際應(yīng)用中,維修人員只需隨身攜帶移動電話即可接收故障信息,實現(xiàn)實時監(jiān)控。

2 短信息業(yè)務(wù)實現(xiàn)

移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)交換,推動著數(shù)字化、大數(shù)據(jù)技術(shù)快速向前發(fā)展。短信息業(yè)務(wù)作為無線數(shù)字通信系統(tǒng)基礎(chǔ)業(yè)務(wù),主要依靠通信系統(tǒng)基本架構(gòu)、接口標(biāo)準(zhǔn)、AT指令集應(yīng)用來實現(xiàn)。

2.1 通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及接口標(biāo)準(zhǔn)

GSM作為一個覆蓋范圍很大的系統(tǒng),其構(gòu)成包括基本結(jié)構(gòu)和不同的接口標(biāo)準(zhǔn)。GSM通信網(wǎng)主體結(jié)構(gòu)見圖1,GSM接口標(biāo)準(zhǔn)見圖2,相關(guān)英文簡寫解釋見表1。

圖1 GSM系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖2 GSM通信系統(tǒng)中的接口

設(shè)計相關(guān)產(chǎn)品時,需要考慮通用性,上述各部件接口的連接須嚴(yán)格執(zhí)行接口標(biāo)準(zhǔn)要求。GSM通信系統(tǒng)采用的接口標(biāo)準(zhǔn)是公用陸地移動通信網(wǎng)(PLMN),利用7號信令支持PLMN接口完成數(shù)據(jù)的傳送。

2.2 基于無線通信網(wǎng)絡(luò)下的短信息業(yè)務(wù)

短信息業(yè)務(wù)SMS (Short Message Service)采用SMSC(短消息服務(wù)中心)的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,保證短信息可以被暫時留存,并且可以完成雙向通信功能,連續(xù)工作時間達(dá)24h。當(dāng)接收端用戶重新開始正常運行時,SMSC會立即將短消息發(fā)送給接收端用戶,發(fā)送成功后,會返回發(fā)送端一個確認(rèn)收到的信號。

2.3 AT指令在短信息業(yè)務(wù)方面的應(yīng)用

短信業(yè)務(wù)的實現(xiàn)主要依靠外圍設(shè)備通過AT指令集的控制。其中,AT指令集是GSM通信模塊實現(xiàn)通信及相關(guān)功能的指令語言,可實現(xiàn)外部設(shè)備與GSM通信模塊的通信連接,部分AT指令集見表2。此項功能由歐洲通信技術(shù)委員會(ETSI)提出,經(jīng)過漫長發(fā)展并融入GSM07.05標(biāo)準(zhǔn)和GSM07.07標(biāo)準(zhǔn)[1],形成了目前功能比較完備的AT指令集。一條功能完整的AT指令以AT開頭,以回車結(jié)尾,并且在完成一條AT指令時,系統(tǒng)會返回一條指令表示已經(jīng)完成。當(dāng)遇到有人撥號、線路無信號等特殊情況時,模塊也會給出提示信息,要求做進(jìn)一步指示。

表2 部分AT指令集

3 通信模塊的采用與外部電路設(shè)計

該設(shè)計中,GSM通信模塊采用SIM900A通信模塊,其他通信模塊外部電路設(shè)計思路相同,注意接口設(shè)計即可。SIM900A通信模塊具有體積小、成本低、能耗低的優(yōu)點,可以實現(xiàn)短信息業(yè)務(wù)、電話服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù),預(yù)留引腳接口還可實現(xiàn)功能擴(kuò)展。

3.1 通信模塊基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)組成

GSM通信模塊主要包括GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、GSM基帶處理器、閃存、ZIF連接器、天線接口六大部分。其中,GSM基帶處理器是整個模塊的“心臟”,其主要功能是處理GSM終端內(nèi)的短信、語音及數(shù)據(jù)信號,并且涵蓋了移動蜂窩系統(tǒng)射頻設(shè)備中的全部模擬和數(shù)字功能。在不需任何額外硬件電路的條件下,可支持FR、HR及EFR語音信道編碼[2]。

SIM900A模塊基本參數(shù):

(1)電源:3.2～4.8V;

(2)傳輸類型:聲音和數(shù)據(jù);

(3)數(shù)據(jù)傳輸率:9600bps或19200bps;

(4)頻率范圍:雙波段900MHz和1800MHz;

(5)數(shù)據(jù)接口:標(biāo)準(zhǔn)RS232雙向傳輸或紅外接口。

3.2 通信模塊外部電路設(shè)計

SIM900A采用單電源供電,供電接口為3個VBAT引腳,供電電壓范圍在3.2～4.8V。由于SIM900A通信模塊工作時產(chǎn)生的電流可達(dá)2A,故電源供電能力不能低于2A,需做必要的穩(wěn)壓濾波設(shè)計。模塊全部GND引腳接地,并對引腳net LED、VRTC、NRESET、VDD EXT、TXD-O、RXD-I、RI、PWRKEY、SIM-VDD、SIM-DATA、SIM-CLK、SIM-RST做了必要的外部電路擴(kuò)展設(shè)計,詳見表3。其中與SIM相關(guān)的引腳需要引出并連接到SIM卡槽上,SIM900A模塊電源與卡槽電源引腳連接,復(fù)位引腳對應(yīng)連接且中間接22k歐姆電阻,時鐘引腳對應(yīng)連接且中間接22k歐姆電阻,SIM900A模塊數(shù)據(jù)引腳與卡槽數(shù)據(jù)I/O口引腳連接。

表3 SIM900A部分引腳及其描述

4 通信接口硬件的設(shè)計

SIM900A通信模塊可與PC機(jī)、單片機(jī)、PLC實現(xiàn)通信的前提是通信接口電平一致且串口波特率一致。對于單片機(jī)和通信模塊SIM900A而言,二者引出的數(shù)據(jù)接口電平是5V TTL,若對通信距離有一定要求,則需要進(jìn)行串口轉(zhuǎn)化。

4.1 單片機(jī)與通信模塊的接口設(shè)計

下位機(jī)中,單片機(jī)接收傳感器采集故障信號,進(jìn)而與SIM900A模塊建立通信聯(lián)系。單片機(jī)和通信模塊SIM900A的TTL接口電平是5V。考慮到通信距離較近,在電路設(shè)計時直接將兩芯片建立了物理連接,即單片機(jī)引腳TXD接GSM模塊的引腳RXD,單片機(jī)的引腳RXD接通信模塊的引腳TXD,GND對應(yīng)連接即可。此外,兩模塊也保留了RS232接口,目的是方便日后產(chǎn)品功能升級,并防止實際設(shè)計中因二者距離增大而影響通信功能的實現(xiàn)。其中,完成接口轉(zhuǎn)換的芯片是美信公司生產(chǎn)的MAX232芯片,該芯片的主要功能是將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平[3]。

4.2 PC上位機(jī)與通信模塊的接口設(shè)計

PC上位機(jī)與SIM900A通過AT握手指令建立通信聯(lián)系后,即可實現(xiàn)故障信息的接收,或在接收號碼設(shè)計中添加責(zé)任人、維修人員電話號碼也可實現(xiàn)故障信息的接收。PC上位機(jī)與GSM通信模塊實現(xiàn)通信的方法有兩種,一是可以將USB接口轉(zhuǎn)化為TTL電平接口;二是可以將USB接口轉(zhuǎn)換成RS232接口。考慮到RS232接口適配性較強(qiáng),設(shè)計保留第二種方案。該方案可以通過兩個步驟實現(xiàn),首先將USB接口轉(zhuǎn)換成TTL電平接口,再將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232接口即可完成轉(zhuǎn)換。其中,TTL電平轉(zhuǎn)換RS232采用MAX232芯片實現(xiàn),而USB接口轉(zhuǎn)換TTL接口采用CP2102芯片。

5 結(jié)論

文章兼顧經(jīng)濟(jì)安全、高效快捷的應(yīng)用需求,對通信模塊進(jìn)行功能開發(fā),設(shè)計出一套遠(yuǎn)程短信息報警電路,對實際工作中涉及的單片機(jī)、PC機(jī)接口問題進(jìn)行設(shè)計和規(guī)范。該電路設(shè)計致力于解決高速公路沿線供電故障報警問題,通過無線通信系統(tǒng)將故障信息回傳至控制室和責(zé)任人,可在第一時間提供故障解決方案。