曾 飛

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

0 引言

電子汽車(chē)衡(地磅)是設(shè)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(chē)輛的稱(chēng)重計(jì)算。目前國(guó)內(nèi)用于稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)的主要采集方式有人工抄表、RS232/RS485、局域網(wǎng)、CAN總線(xiàn)和ADSL技術(shù)等幾種[1~5]。在實(shí)際運(yùn)行中，由于磅房各節(jié)點(diǎn)的分散性，人工抄表不僅浪費(fèi)人力，而且各汽車(chē)衡稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等后續(xù)處理工作煩瑣、容易出錯(cuò)，同時(shí)也給不法者以可乘之機(jī)；RS232/RS485傳輸需要布線(xiàn)，系統(tǒng)抗干擾差，實(shí)時(shí)性和糾錯(cuò)能力弱，對(duì)于分布偏遠(yuǎn)的磅房和控制中心布線(xiàn)困難；局域網(wǎng)傳輸雖不用布線(xiàn)，但受黑客攻擊易造成系統(tǒng)崩潰，存在信息丟失的風(fēng)險(xiǎn)；ADSL技術(shù)需要在本地交換中心局和主要交換局安裝新型設(shè)備，成本較高。

GSM(global system for mobile communication)網(wǎng)絡(luò)的短消息業(yè)務(wù)功能(short message service，簡(jiǎn)稱(chēng)SMS)成熟完善、覆蓋面廣、功能強(qiáng)，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。SMS功能可發(fā)送文本文件，GSM終端設(shè)備之間能通過(guò)SMS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。利用此功能，本文提出了一種基于GSM短消息業(yè)務(wù)的新型汽車(chē)衡稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可高效、可靠地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及管理中心對(duì)汽車(chē)遠(yuǎn)程調(diào)度，對(duì)提高工作效率，降低人為因素具有重要意義。

1 系統(tǒng)組成及原理

汽車(chē)衡稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端和管理中心2部分組成。數(shù)據(jù)采集終端包含智能控制器、汽車(chē)衡系統(tǒng)、射頻卡系統(tǒng)、I/O控制、道閘系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)和GSM通信模塊，如圖1所示。

圖1 汽車(chē)衡稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

智能控制器采用FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)協(xié)調(diào)控制射頻卡系統(tǒng)、汽車(chē)衡系統(tǒng)、I/O控制、道閘系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等工作順序，能自動(dòng)完成稱(chēng)重。射頻卡系統(tǒng)配置2臺(tái)非接觸式遠(yuǎn)距離讀卡器，在駕駛員不出駕駛室的情況下，讀取車(chē)輛的IC卡信息，即可進(jìn)入磅房稱(chēng)重；道閘系統(tǒng)配備左右2臺(tái)帶地感線(xiàn)圈道閘，控制車(chē)輛的進(jìn)入；I/O控制系統(tǒng)讀取紅外光電開(kāi)關(guān)信號(hào)，判定車(chē)輛是否完全上磅；汽車(chē)衡系統(tǒng)根據(jù)接口協(xié)議，將稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)傳輸至智能控制器；然后智能控制器將稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)和IC卡信息以短消息編碼發(fā)送至數(shù)據(jù)庫(kù)管理中心。視頻系統(tǒng)由一臺(tái)數(shù)據(jù)錄像機(jī)、視頻卡和左右兩臺(tái)攝像機(jī)組成，完成車(chē)牌的抓拍和稱(chēng)重車(chē)輛的錄像[6]。

管理中心由稱(chēng)重上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成。稱(chēng)重上位機(jī)完成遠(yuǎn)程稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)接收和控制命令的發(fā)送以及報(bào)表打印。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器提供稱(chēng)重計(jì)量數(shù)據(jù)的存取、查詢(xún)服務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能控制器

FPGA全部控制邏輯由硬件完成，具有時(shí)鐘頻率高，內(nèi)部延時(shí)小，運(yùn)行速度快、IO接口多等特點(diǎn)，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(tǒng)中，采用XILINX公司的XC2S30型FPGA作為系統(tǒng)的核心控制部分，可以有效控制存儲(chǔ)器訪問(wèn)、自動(dòng)道閘、信號(hào)燈等功能模塊的控制邏輯順序，連接GSM無(wú)線(xiàn)通訊模塊實(shí)現(xiàn)與管理中心遠(yuǎn)程通信。射頻讀卡器選用韓國(guó)3Logic公司的TRH031M芯片[8]。數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 電子汽車(chē)衡

SCS系列電子汽車(chē)衡由秤臺(tái)、連接裝置、傳感器、接線(xiàn)盒、纜線(xiàn)、稱(chēng)重顯示控制器，限位裝置構(gòu)成。重量數(shù)據(jù)接口可采用標(biāo)準(zhǔn)串行輸出RS-232，串口設(shè)置如下：數(shù)據(jù)位7位、無(wú)奇偶校驗(yàn)、1個(gè)停止位。FPGA檢測(cè)到UART的通信起始位后，允許接收串行稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)。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(guò)接口芯片MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

2.3 GSM模塊

數(shù)據(jù)傳送采用西門(mén)子公司的GSM/GPRS雙模模塊MC35i。MC35i支持標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，通信波特率支持300bps~230400kps，通過(guò)RXD、TXD和GND引腳與FPGA芯片實(shí)現(xiàn)串口通信。MC35i接口支持AT指令集，支持Text和PDU格式的SMS，通過(guò)AT指令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，其主要操作是通過(guò)AT+CMGS和AT+CMGR指令分別進(jìn)行短信發(fā)送和讀取。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為兩部分：稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)采集終端和管理中心。采集終端負(fù)責(zé)汽車(chē)衡稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)的采集與處理：1）FPGA協(xié)調(diào)控制射頻卡系統(tǒng)、汽車(chē)衡系統(tǒng)、I/O控制、道閘系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等邏輯順序；2）FPGA與GSM模塊MC35i的串口通信。管理中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收、調(diào)度指令發(fā)送、系統(tǒng)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。

3.1 稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)采集終端程序設(shè)計(jì)

3.1.1 智能控制器程序

數(shù)據(jù)采集過(guò)程由狀態(tài)機(jī)(ASM)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)工作過(guò)程如下：射頻卡讀卡器讀取車(chē)輛非接觸式IC卡信息通過(guò)RS-232串口上傳至FPGA。當(dāng)駕駛員無(wú)卡時(shí)，讀卡器報(bào)警并語(yǔ)音提示去射頻卡管理中心辦卡并注冊(cè)。有卡時(shí)，控制系統(tǒng)工作在自動(dòng)運(yùn)行方式，自動(dòng)道閘初始為落下?tīng)顟B(tài)，當(dāng)持有非接觸式IC卡的車(chē)輛開(kāi)到汽車(chē)衡入口時(shí)，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)首先對(duì)IC卡進(jìn)行驗(yàn)證，判斷是否注冊(cè)。如為非注冊(cè)IC卡則語(yǔ)音提示到射頻卡管理中心注冊(cè)。如果已注冊(cè)，則信號(hào)燈綠燈點(diǎn)亮，自動(dòng)道閘升起，需計(jì)量的車(chē)輛可以開(kāi)到衡上進(jìn)行計(jì)量。當(dāng)車(chē)輛完全上磅，信號(hào)燈紅燈點(diǎn)亮、自動(dòng)道閘落下，以阻擋后面車(chē)輛入，計(jì)量并采集數(shù)據(jù)，同時(shí)大屏幕顯示稱(chēng)量數(shù)據(jù)，控制器完成各種數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送。車(chē)輛開(kāi)下汽車(chē)衡，紅綠信號(hào)燈熄滅，至此稱(chēng)量過(guò)程完成，可以進(jìn)行下一次的稱(chēng)量，圖3是系統(tǒng)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(guò)串口發(fā)送相應(yīng)AT指令完成模塊初始化、接收短消息、發(fā)送短消息操作，完成磅房數(shù)據(jù)查詢(xún)、報(bào)表匯總，信息調(diào)度。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中為消除干擾，保證數(shù)據(jù)交換的可靠性和有效性，每個(gè)磅房采集終端GSM模塊的SIM卡與稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)一并打包并發(fā)送，存儲(chǔ)到管理中心數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，管理中心設(shè)置短消息格式：操作功能(4位)+ID(8位)+相關(guān)消息內(nèi)容(可調(diào))。GSM通信流程圖如圖4所示，開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)首先初始化，不斷與事先設(shè)置好的服務(wù)器IP建立網(wǎng)絡(luò)連接。一旦連接成功，就按照管理中心系統(tǒng)設(shè)置的模式開(kāi)始數(shù)據(jù)采集并打包封裝傳送至管理中心；如果接收到結(jié)束采集的命令，即刻斷網(wǎng)進(jìn)入等待連接狀態(tài)。

圖4 通信流程圖GSM

3.2 管理中心數(shù)據(jù)接收程序

管理中心由稱(chēng)重上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器構(gòu)成。稱(chēng)重上位機(jī)完成遠(yuǎn)程稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)采集、指令傳輸和報(bào)表打印。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器提供稱(chēng)重計(jì)量數(shù)據(jù)的存取、查詢(xún)服務(wù)。質(zhì)檢部門(mén)、銷(xiāo)售部門(mén)、調(diào)度部門(mén)通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及時(shí)統(tǒng)計(jì)、匯總報(bào)表、作出調(diào)度。部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)可通過(guò)管理中心通信終端發(fā)布控制信息，靈活控制采集現(xiàn)場(chǎng)。管理中心數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送是利用VC++6.0軟件中的MSComm控件實(shí)現(xiàn)，在本系統(tǒng)中串口通訊采用中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),管理中心數(shù)據(jù)接收軟件流程圖如圖5所示。

圖5 管理中心數(shù)據(jù)接收軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于GSM汽車(chē)衡稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)的人工采集、有線(xiàn)傳輸和局域網(wǎng)等方式傳輸?shù)南拗疲瑢?shí)現(xiàn)了管理中心通過(guò)通信協(xié)議對(duì)多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與管理，極大地降低了建設(shè)成本，防止了徇私舞弊現(xiàn)象發(fā)生，具有較好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景，對(duì)實(shí)現(xiàn)磅房無(wú)人職守具有重要意義。今后，在信息數(shù)據(jù)海量存儲(chǔ)及系統(tǒng)可靠性方面還需要進(jìn)一步研究完善。

[1]丁方莉.過(guò)磅房計(jì)算機(jī)計(jì)量管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].銅陵財(cái)經(jīng)專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào).2001,2:61-62.

[2]彭金利,侯青春,張稚玲.地磅銷(xiāo)售智能卡網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,11(26):152-154.

[3]劉尹霞,訾貴昌,葛菁.基于非接觸式IC卡技術(shù)的電子汽車(chē)衡微機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量,2009,1:38-39.

[4]張榮才,茅忠明,稽朝暉.基于CAN總線(xiàn)的煤礦地磅房監(jiān)控系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化,2003,6:46-48.

[5]譚威.基于網(wǎng)絡(luò)的電子汽車(chē)衡計(jì)量管理系統(tǒng)[D].遼寧科技大學(xué),2007.

[6]張樂(lè),魯仁全,徐生林.車(chē)輛衡自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2010,44(7):1414-1417.

[7]馬游春,王文杰,李錦明.基于FPGA和UART接口的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].火力與指揮控制,2010,35(9):134-139.

[8]Joeair Jiang,Chwanlu Tseng,Furning Lu,et al.A GSM-based remote wireless automatic monitoring system for field information:a case study for ecological monitoring of the oriental fruit fly,Bactrocera dorsalis (Hendel)[J].Computers and Electronics in Agriculture,2008,62(2):243-259.