摘 要：按照石化公司的要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的遠(yuǎn)程車載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)槽罐車槽罐儲(chǔ)液溫度及其地理位置信息。車載終端采用虛擬IP無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及GPS衛(wèi)星定位技術(shù)。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心設(shè)計(jì)了基于UDP協(xié)議的GPRS數(shù)據(jù)接收軟件并采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程車載信息的現(xiàn)場(chǎng)采集與異地接收。最后給出了系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。

關(guān)鍵詞：GPRS網(wǎng)絡(luò)； GPS； 數(shù)據(jù)庫(kù)； 車載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：

TN711-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)19

-0124

-04

Embedded Remote Vehicle-mounted Monitoring System Based on GPRS Wireless Network

ZHANG Le， ZHOU Yan

(School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China)

Abstract： According to the request of Petrochemical Corporation， a remote vehicle-mounted monitoring system based on GPRS wireless network and embedded operation system uC/OS-Ⅱ was designed to monitor stock solution temperature and position of oil tank on the train. The vehicle-mounted terminal adopted virtual IP wireless network technique and GPS satellite positioning technique. The data monitoring center designed GPRS data receiving software based on UDP protocol and used Access database chaining technique to realize on-site data gathering and data receiving at another place successfully. In the end， the operation result of this system is proposed.

Keywords： GPRS network; GPS; database; vehicle-mounted monitoring system

收稿日期：2011-04-06

0 引 言

隨著后PC時(shí)代的到來(lái)，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越普遍，而基于GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也在諸多工業(yè)工程領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用［1］。本文將闡述基于GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的嵌入式遠(yuǎn)程車載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于槽罐車槽罐儲(chǔ)液溫度以及地理位置信息的異地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，其目的在于使石化公司及時(shí)掌握運(yùn)輸途中的儲(chǔ)罐的溫度隨時(shí)間、地點(diǎn)的變化狀況，為防止儲(chǔ)罐因溫度超限引發(fā)危險(xiǎn)而起到預(yù)警作用，確保儲(chǔ)罐鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?。本文重點(diǎn)介紹其系統(tǒng)構(gòu)成與車載GPS衛(wèi)星定位技術(shù)以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案與構(gòu)成

整個(gè)車載系統(tǒng)可以分為車載終端和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心兩個(gè)部分，如圖1所示。車載終端的核心是三星公司推出的16/32位RISC微處理器S3C2440A。它有三個(gè)串口，其中串口1接GPRS無(wú)線發(fā)射模塊，串口2接GPS衛(wèi)星定位模塊，由其自帶的A/D轉(zhuǎn)換接口來(lái)完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化。采集完成的定位數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心將接收到的數(shù)據(jù)存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，以供查詢和參考。

2 車載終端數(shù)據(jù)采集模塊與GPRS無(wú)線發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)

2.1 車載終端數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

車載終端數(shù)據(jù)采集模塊包括槽罐儲(chǔ)液溫度與GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的采集。其電路原理圖如圖2所示。圖中左端為溫度采集原理圖，使用溫度變送器可以將槽罐儲(chǔ)液溫度轉(zhuǎn)化為0~40 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出，電流經(jīng)過(guò)變阻器后就可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒〢RM微處理器處理的模擬電壓，電壓值范圍應(yīng)控制在0~3.3 V。圖2右端為GPS數(shù)據(jù)采集原理圖，GPS接收機(jī)采用臺(tái)灣鼎天國(guó)際最新推出的GPS導(dǎo)航模塊REB-1315。

模塊的供電電壓為直流3.3 V，由直流5 V通過(guò)LM1117芯片轉(zhuǎn)化后得到。19腳GPS_RF_IN為GPS信號(hào)輸入端，接GPS接收天線，并由模塊自身的17腳RF_VOUT信號(hào)為其提供偏置電壓，來(lái)保證天線的正常工作。4腳TXA為模塊的串口發(fā)送信號(hào)，它是模塊主要的數(shù)據(jù)傳輸通道，被用來(lái)輸出定位數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)利用其得到定位信息。由于REB-1315模塊的輸出為TTL電平，故使用MAX232將信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為RS 232電平。為了方便，這里使用DB9的1腳為模塊提供5 V的直流輸入電壓。當(dāng)模塊GPS天線接好并上電正常工作后，GPS定位數(shù)據(jù)就會(huì)連續(xù)不斷地從4腳輸出。圖2右側(cè)為A/D采集接口，溫度變送器標(biāo)準(zhǔn)輸出為0~40 mA，經(jīng)過(guò)變阻器將其轉(zhuǎn)化為0~3.3 V的模擬電壓后送到S3C2440A的模擬通道AIN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2.2 GPRS無(wú)線發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)

車載終端的GPRS模塊采用華為EM310模塊，基于EM310模塊的GPRS無(wú)線發(fā)射模塊的電路原理圖如圖3所示。模塊的供電電壓為3.8 V，1~6管腳為SIM卡控制接口，13管腳為網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)指示接口，串口0用于和MCU進(jìn)行通信。

3 車載終端的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件編寫語(yǔ)言為C語(yǔ)言，借助ARM Developer Suite v1.2集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯和調(diào)試。這是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)，終端需要同時(shí)完成溫度采集、GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的采集和GPRS數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送工作，為了滿足系統(tǒng)需要，采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度。操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

操作系統(tǒng)一開始要完成對(duì)車載終端硬件電路板的初始化工作，然后是初始化μC/OS-Ⅱ。μC/OS-Ⅱ是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘有著非常嚴(yán)格的要求，所以接下來(lái)要初始化系統(tǒng)的時(shí)基。為保證操作系統(tǒng)的可移植性與完整性，這里將串口初始化和中斷等初始化工作放在初始化任務(wù)MainTask中來(lái)完成。最后啟動(dòng)操作系統(tǒng)。車載終端的溫度采集、GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)采集和GPRS數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送，作為三個(gè)獨(dú)立而緊密連接的任務(wù)在MainTask中建立，且這三個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)依次降低。主任務(wù)MainTask的設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示，先初始化時(shí)鐘節(jié)拍，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)當(dāng)中的所有任務(wù)都是在時(shí)鐘節(jié)拍的作用下準(zhǔn)確執(zhí)行的。然后建立內(nèi)存分區(qū)以及串口消息隊(duì)列，最后建立并執(zhí)行多任務(wù)。這里利用了μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的消息郵箱機(jī)制，把A/D采集結(jié)果和GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)依次投遞到消息隊(duì)列當(dāng)中，在GPRS任務(wù)執(zhí)行時(shí)再?gòu)南?duì)列中將它們分別取出來(lái)發(fā)送。

圖3 GPRS無(wú)線發(fā)射模塊的電路原理圖

圖4 多任務(wù)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖

圖5 主任務(wù)MainTask的設(shè)計(jì)流程圖

由于A/D采集比較容易，所以以下僅介紹GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的采集以及GPRS數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送過(guò)程。

3.1 GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的采集過(guò)程

GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)采集包括GPS定位信息的提取、解析和消息投遞，包含GPS數(shù)據(jù)處理的全部的步驟和方法。程序流程圖如圖6所示。

圖6 GPS數(shù)據(jù)處理函數(shù)流程圖

GPS定位信息的提取、解析和消息投遞工作放在while(1)循環(huán)中進(jìn)行。在投遞定位信息前需要判斷是否解析到＄GPGGA數(shù)據(jù)幀。GPS數(shù)據(jù)處理函數(shù)GPSproc()的代碼如下：

void GPSproc()//GPS數(shù)據(jù)處理函數(shù)

{

char cmd_str［1024］;//數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)

while (1)

{

GPSINFO info;//存放解析結(jié)果的結(jié)構(gòu)體

gps_recv_cmd(cmd_str);//GPS定位信息提取

GPSReceive(info， cmd_str， str_len(cmd_str));//GPS定位信息解析

if(info.bIsGPGGA ==1)

TRACE_MSG(info);//投遞定位信息至消息隊(duì)列

OSTimeDly(OS_TICKS_PER_SEC);

}

}

程序先將定位信息提取到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，然后對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并存放到定義好的結(jié)構(gòu)體當(dāng)中，該結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)成員包括時(shí)間、經(jīng)度和緯度以及＄GPGGA數(shù)據(jù)幀標(biāo)志，如果解析到了＄GPGGA數(shù)據(jù)幀，則進(jìn)行消息投遞工作。對(duì)于GPS定位信息解析函數(shù)void GPS Receive(GPSINFO *info， UInt8* pStream， UInt8 len)，它是得到定位數(shù)據(jù)最關(guān)鍵的一步，這里需要特別說(shuō)明，其工作流程圖如圖7所示。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性以及準(zhǔn)確性，需要對(duì)每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行異或校驗(yàn)，如果異或校驗(yàn)正確，則開始提取并處理數(shù)據(jù)幀當(dāng)中的有效字段。

圖7 GPS定位信息解析函數(shù)流程圖

3.2 GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案

車載數(shù)據(jù)異地遠(yuǎn)程無(wú)線發(fā)送的關(guān)鍵是GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通道的建立。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，可以利用公網(wǎng)靜態(tài)IP，動(dòng)態(tài)域名解析，短消息通訊，APN專線接入等組網(wǎng)方案。但公網(wǎng)靜態(tài)IP需要相當(dāng)一部分的使用費(fèi)用，不利于系統(tǒng)開發(fā)成本的降低［5］。動(dòng)態(tài)域名解析方案的穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器，也需要一定的開發(fā)費(fèi)用。短消息通訊容易收到干擾且不具有實(shí)時(shí)性。APN專線接入方案通常適用于安全性要求較高、監(jiān)控點(diǎn)較多和實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，但這一技術(shù)使用起來(lái)較為復(fù)雜。

鑒于此，本系統(tǒng)采用虛擬IP技術(shù)，它是一種類似于電子郵件的技術(shù)，適于需要公網(wǎng)靜態(tài)IP的場(chǎng)合，其組網(wǎng)方便，通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器，可以在不同網(wǎng)段內(nèi)任意轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 基于虛擬IP的GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

GPRS模塊使用SIM卡登錄到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，位于主站的計(jì)算機(jī)也接入到互聯(lián)網(wǎng)。給GPRS模塊和主站計(jì)算機(jī)分配地位等價(jià)的虛擬IP地址(這里分別為10.1.90.0和10.1.90.1)。對(duì)于遠(yuǎn)程虛擬IP服務(wù)器，可以自己搭建，也可以由商業(yè)公司提供，由于它能夠在不同網(wǎng)段內(nèi)任意接收數(shù)據(jù)和提供下載服務(wù)，因此它是具有公網(wǎng)靜態(tài)IP的，為了統(tǒng)一起來(lái)，它也被分配了自己的虛擬IP地址，同時(shí)它還被設(shè)定了對(duì)應(yīng)的端口號(hào)(這里為7002)。在應(yīng)用時(shí)，車載GPRS模塊將先采集到的數(shù)據(jù)按照UDP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到服務(wù)器，然后服務(wù)器將會(huì)解析這一數(shù)據(jù)報(bào)并將其轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)IP地址，主站也就是監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上運(yùn)行有遵從UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)接收軟件，這樣就實(shí)現(xiàn)了車載數(shù)據(jù)向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的發(fā)送。UDP數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)見表1。如果編號(hào)為10.1.90.1的終端發(fā)送字符串ABCD，服務(wù)密碼為123456，

則這一數(shù)據(jù)報(bào)為：0A015A000A015A01313233343536000441424344。若發(fā)送內(nèi)容包含有漢字，則其為GB2312漢字編碼。

表1 UDP數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)

目標(biāo)虛擬IP本地虛擬IP服務(wù)密碼數(shù)據(jù)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)內(nèi)容

3.3 GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的操作

要使GPRS模塊建立網(wǎng)絡(luò)連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送是通過(guò)向控制串口發(fā)送一系列AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于EM310模塊，其主要使用的AT指令如下：

AT+CGDCONT=1，″IP″，″CMNET″//配置APN

AT%ETCPIP//初始化TCPIP

AT%IPOPEN=″UDP″，″221.231.140.197″，7002//打開鏈接并使用UDP協(xié)議

AT%IPSEND=″0A015A000A015A01313233343536000-441424344″//發(fā)送數(shù)據(jù)

在μC/OS-Ⅱ的GPRS任務(wù)中，上述的AT指令被寫到C語(yǔ)言代碼中，也即寫入到串口打印操作語(yǔ)句中，為了使GPRS模塊硬件更好的響應(yīng)命令，需要在每條指令后延遲數(shù)秒。所發(fā)送的數(shù)據(jù)是從消息隊(duì)列當(dāng)中取出來(lái)的。

4 系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果

車載終端使用嵌入式集成開發(fā)軟件ADS 1.2，采用C語(yǔ)言編寫。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)接收軟件使用MFC設(shè)計(jì)，同時(shí)還使用了ADO技術(shù)，能將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)處理及時(shí)存放到本地Access數(shù)據(jù)庫(kù)，并且還能供工作人員隨時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)信息。

圖9為數(shù)據(jù)中心接收軟件接收遠(yuǎn)程GPRS數(shù)據(jù)的情況，圖10為數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢結(jié)果?？梢钥吹?，本系統(tǒng)在測(cè)試運(yùn)行時(shí)得到了良好的效果。

圖9 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心接收到的GPRS數(shù)據(jù)

圖10 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)查詢結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)雖然針對(duì)石化企業(yè)的槽罐車的監(jiān)控開展研究工作，但其技術(shù)方案及形成的技術(shù)成果將可推廣至其他行業(yè)的產(chǎn)品運(yùn)輸、工農(nóng)業(yè)裝備運(yùn)行狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等諸多領(lǐng)域，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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