紀志敏, 李 杰, 胡陳君, 張澤宇, 高詩堯

(1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西 太原 030051；2.四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司,四川 成都 610000)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展及城市化進程的推進，建筑物數(shù)量不斷增加，且分布復雜、密度高、類型多[1～3]。除此之外，人員密集及大量易燃物體的存放導致一旦發(fā)生火災，極易在短時間內(nèi)迅速發(fā)展為重大火災，同時伴隨巨大的人員傷亡以及財產(chǎn)損失[4,5]。目前火災的發(fā)生頻次與災害程度呈現(xiàn)不斷加劇的態(tài)勢，火災現(xiàn)場環(huán)境也越來越復雜，越來越多的消防救援人員因無法得到實時信息得不到及時的保護而犧牲[6]。

消防員在進入火災和坍塌建筑等危險工作地時很難獲取其運動狀態(tài)及生命體征，而且事故現(xiàn)場環(huán)境相對比較復雜，常用的通信方法,如ZigBee，Wi-Fi，Bluetooth等物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)在沒有網(wǎng)絡的地方很難發(fā)揮效用。

針對上述情況,本文提出基于測控系統(tǒng)的全球移動通信系統(tǒng)(global system for mobile communication,GSM)無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計，主要功能是消防員身上的定位及測量裝置將其所在位置的定位信息以及自身的生命體征參數(shù)發(fā)送到地面接收終端，這些信息通過GSM網(wǎng)絡的短訊服務(short messaging service,SMS)平臺以短消息的形式進行傳輸，現(xiàn)場指揮員通過接收終端接收到的信息了解消防員的運動狀態(tài)及生命體征，進而做出科學有效的指揮[7]。目前，GSM基站幾乎覆蓋國內(nèi)大部分區(qū)域，不會出現(xiàn)信號丟失的情況，通過射頻信號進行通信不會增加多余的線纜連接，試驗驗證這一設(shè)計能夠有效傳輸數(shù)據(jù)，進而達到保障救援人員的生命安全，提高救援效率的目的。

1 方案總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由電源模塊、前端采集模塊、測量與定位模塊、主控模塊、通信模塊構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖

系統(tǒng)的參數(shù)傳輸設(shè)計在硬件上，主要與電源管理模塊、以現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)為核心的主控模塊和通信模塊密切相關(guān)。軟件方面主要按照既定協(xié)議接收位置姿態(tài)及生命體征等信息，并對其進行數(shù)據(jù)處理用以實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)。設(shè)計簡單、可靠，具有低成本、低功耗、小體積等一系列優(yōu)點。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電源管理模塊

電源模塊主要為各個模塊供電，保證各個模塊的正常工作。根據(jù)各模塊的工作電壓，選擇合適的電源芯片。系統(tǒng)采用7.4 V鋰電池供電。主控模塊FPGA內(nèi)核供電電壓為1.2 V，I/O口、配置芯片XCF04S與晶振供電需3.3 V，故而電源芯片選擇REG104—5將供電電壓7.4 V轉(zhuǎn)換為5 V,再由線性穩(wěn)壓芯片TPS650250轉(zhuǎn)換成1.2 V和3.3 V給主控模塊供電。供電原理圖如圖2所示。

圖2 主控模塊供電原理

GSM通信模塊的工作電壓為3.8 V，但其在發(fā)射射頻信號的瞬間電流可達到1.5 A，功率較大，為保證電流驅(qū)動能力，防止影響其他模塊的正常工作，利用線性穩(wěn)壓芯片LM317對其進行隔離供電。

2.2 FPGA主控模塊

整個系統(tǒng)以FPGA為主控芯片,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集處理、緩存、與GSM模塊之間的串口傳輸以及與地面接收終端的交互等工作。所選FPGA芯片應具備低功耗、小體積、高集成度的特點。本系統(tǒng)選用的XILINX Spartan-Ⅵ系列的XC6SLX9芯片，內(nèi)置9 152個邏輯單元，11 440個寄存器，576 kB的Block RAM，可供用戶自由配置的I/O口共102個，可配置多種接口協(xié)議，休眠掉電模式可實現(xiàn)零功耗，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計需求，且功率低、體積小，是目前性價比較高的FPGA芯片[8～10]。相比于傳統(tǒng)的單片機控制而言，F(xiàn)PGA控制更穩(wěn)定，更適合應用于通信領(lǐng)域。

FPGA模塊包括時鐘部分，F(xiàn)PGA控制芯片XC6SLX9和其配置芯片XCF04S及其外圍電路。主時鐘采用20 MHz晶振；為設(shè)計簡便，F(xiàn)PGA配置模式為主串模式。此模式下FPGA可重復配置，在調(diào)試階段具有很大的靈活性，縮短了設(shè)計周期[11,12]。

2.3 通信模塊

GSM模塊本身具有SMS短信接收發(fā)送、語音通話及通用分組無線業(yè)務(general packet radio service,GPRS)數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡進行通信的所有基本功能[13,14]。在系統(tǒng)設(shè)計中這一模塊主要工作為接收FPGA傳來的短消息內(nèi)容，并通過運營商基站向地面接收設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)?？紤]到對移動、聯(lián)通、電信三大運營商的兼容性以及數(shù)據(jù)傳輸速率，系統(tǒng)選用SIMCom 公司的SIM7600CE集成芯片。芯片支持最大上行速率50 Mbps和最大下行速率150 Mbps，集成了主流的工業(yè)標準接口，具有強大的擴展能力[15]。

通信模塊的硬件電路設(shè)計除供電設(shè)計之外，還包括USIM卡電路設(shè)計以及電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計兩部分。在設(shè)計USIM卡電路時，USIM卡的電源線、地線、復位線、時鐘線和數(shù)據(jù)I/O口必須與SIM7600CE芯片相連，此外為了保護USIM卡，使用ST公司的靜電保護芯片5W6-ESDA6V1。具體的原理圖如圖3所示。

圖3 USIM卡接口電路設(shè)計原理

電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計選擇UART串口傳輸，但由于SIM7600CE的串口電平較低，為1.8 V，低于正常串口通信的電平值，因此,與FPGA通信過程中使用電平轉(zhuǎn)換芯片TXB0108PWR來進行電平對接;同時為了減緩信號脈沖與高頻噪聲，保護芯片，在電平轉(zhuǎn)換芯片兩端串入通過22Ω電阻。模塊在使用時用戶可以通過程序控制和硬件設(shè)計兩種方式實現(xiàn)模塊開機，但本次設(shè)計為使用方便采用硬件設(shè)計方法實現(xiàn)這一功能，即PWRKEY引腳通過0 Ω電阻連接到地拉低電平使模塊開機。

3 軟件控制設(shè)計

GSM模塊通過AT指令輸出，由FPGA判讀命令實現(xiàn)系統(tǒng)主控模塊與發(fā)送模塊、發(fā)送模塊與接收終端之間的通信交互。系統(tǒng)上電，各個模塊復位完成進入工作狀態(tài)后，對測量定位模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行采集緩存，F(xiàn)PGA傳輸相應的數(shù)據(jù),經(jīng)由GSM模塊發(fā)送到地面接收終端。

3.1 協(xié)議指令解析

AT指令集是應用于設(shè)備與設(shè)備之間的通信，且每行命令都以大寫字母“AT”作為開頭，回車換行結(jié)尾的指令集合。一般包括三種：測試命令、查詢命令、設(shè)置命令。程序中需要配置的相關(guān)指令如下：

1)AT：握手指令；

2)AT+CMGF=1：設(shè)置為txt文本模式；

3)AT+CSCS="GSM"：設(shè)置為"GSM"缺省字符集；

4)AT+CMGS="1553600XXXX"：設(shè)置為接收號碼。

SMS功能常用.txt和協(xié)議數(shù)據(jù)單元(protocol data unit,PDU)模式。使用.txt模式收發(fā)短信代碼簡單,比較容易實現(xiàn)，但有個不可忽視的缺點就是無法收發(fā)中文短信，設(shè)計需求中不涉及中文發(fā)送，所以這個限制可以不予考慮；而PDU模式支持中英文短信，編碼相對比較靈活，但是在收發(fā)短信時需要短信中心號碼的地址長度、號碼類型、號碼[16]。對于移動和聯(lián)通而言，兩種模式都可以實現(xiàn)收發(fā)短信的功能，但是區(qū)別于移動、聯(lián)通，電信的網(wǎng)絡制式是EVDO/CDMA1X，沒有短信中心號碼，無法兼容PDU模式，所以采用.txt文本編碼模式，可以同時兼容三大運營商，應用更加廣泛。在“GSM”缺省字符集下，最多可以發(fā)送180個字節(jié)的英文字符[17,18]，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議要求。

3.2 數(shù)據(jù)編幀

系統(tǒng)上電后各個模塊在復位之后都開始工作，F(xiàn)PGA將慣性傳感器數(shù)據(jù)、心率血氧集成傳感器、溫度傳感器、GPS數(shù)據(jù)和氣壓計數(shù)據(jù)按照協(xié)議進行編幀處理；同時為確保接收端在判斷接收數(shù)據(jù)的準確性將幀頭加“EB 98”，再加兩個字節(jié)的幀計數(shù)，根據(jù)該字節(jié)累加的情況，方便數(shù)據(jù)處理時進行數(shù)據(jù)連續(xù)性的判斷。除此之外，在幀尾處加1個字節(jié)校驗和，即前面所有數(shù)據(jù)和的低八位，如果GSM模塊處理數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)校驗錯誤，則視為無效數(shù)據(jù)，直接放棄對該幀數(shù)據(jù)的處理。具體數(shù)據(jù)格式見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)編幀格式

3.3 數(shù)據(jù)接收及發(fā)送

1)數(shù)據(jù)接收：SIM7600CE芯片支持多種接口，但此次設(shè)計選擇較為簡單靈活的通用異步收發(fā)器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)串口傳輸，同時也滿足數(shù)據(jù)傳輸速率要求。通信模塊先通過串口接收消防員的位置、運動狀態(tài)及生理參數(shù)等數(shù)據(jù)，主控模塊FPGA以500 Hz的傳輸頻率向通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，故而設(shè)置其發(fā)送波特率與GSM通信模塊的接收波特率為460 800 bps，并在接收數(shù)據(jù)時判斷數(shù)據(jù)幀頭“EB 98”、字節(jié)數(shù)以及校驗和正確與否。

2)數(shù)據(jù)發(fā)送：發(fā)送短信采用的是.txt文本模式下的GSM缺省字符集，所以,在FPGA內(nèi)進行程序設(shè)計時不需要將接收到的字符串轉(zhuǎn)化為ASCII碼字符串。但是由于每條指令發(fā)送之后會有反饋應答的存在，因此在每條指令與數(shù)據(jù)之間中間必須留有足夠的時間間隔，否則短信無法發(fā)送。通過了解芯片手冊可知該應答時間小于等于0.1 s。具體發(fā)送流程如圖5所示。

圖5 短消息發(fā)送流程圖

為了能夠有效監(jiān)測消防員的運動狀態(tài)及位置速度信息，程序設(shè)計時通過判斷主控模塊發(fā)出的信號來控制改變短信發(fā)送頻率。程序通過設(shè)計分頻計數(shù)器得到周期為1 s的時鐘信號，然后在主程序中調(diào)用該時鐘信號分別得到10和1 min計時達到發(fā)送頻率變化的要求。短消息發(fā)送主要分為兩個階段，分別為事故現(xiàn)場外待命階段和進入現(xiàn)場后。待命階段的消防員處于危險的可能性較低，但也不能完全忽視，所以設(shè)置發(fā)送頻率為10 min；進入事故現(xiàn)場開始救援工作后由于環(huán)境復雜，消防員處于危險環(huán)境下，其運動狀態(tài)及生命體征變化較快需要高頻率實時發(fā)送信息監(jiān)測狀態(tài)，故將發(fā)送頻率設(shè)置為1 min。根據(jù)以上設(shè)計要求設(shè)置模塊串口發(fā)送波特率為115 200 bps，滿足傳輸速率要求。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

為了驗證設(shè)計的發(fā)送成功率以及數(shù)據(jù)傳輸前后的一致性，對系統(tǒng)進行了大量的板卡級測試以及系統(tǒng)測試。測試時地面接收終端的相關(guān)指令需要兼容移動、聯(lián)通和電信三大運行商，以防更換不同的運營商SIM卡后無法使用。程序內(nèi)接收手機號碼必須與安裝在接收終端的SIM卡一致，系統(tǒng)與終端之間通過GSM通信模塊建立TCP連接完成數(shù)據(jù)傳輸。由于系統(tǒng)外殼結(jié)構(gòu)材料特殊，會屏蔽射頻信號，需要將GSM天線通過穿墻器置于系統(tǒng)外以便接收信號，否則SIM卡信號失鎖，短信無法發(fā)送成功。在進行板卡測試時通過計算機串口提供一幀正確的數(shù)據(jù)2 ms一次定時發(fā)給板卡的接收端，通過分析解碼之后的信息來判斷板卡運行狀態(tài)，并進行傳輸前后數(shù)據(jù)對比。

系統(tǒng)集成之后分別進行了靜態(tài)測試和動態(tài)測試，基本驗證了功能的完整性。如圖6所示為某次實驗以籃球場為實驗場地繞行一周的運動軌跡圖。由圖可以看到目標移動軌跡基本連續(xù)，數(shù)據(jù)傳輸過程基本沒有出現(xiàn)因信號失鎖而通信中斷的現(xiàn)象。

圖6 運動軌跡

接收終端存儲下來的部分實驗原始數(shù)據(jù)如圖7所示，主要是心率血氧傳感器數(shù)據(jù)、溫度傳感器數(shù)據(jù)以及壓力傳感器數(shù)據(jù)。經(jīng)分析所有數(shù)據(jù)基本符合實驗環(huán)境下的已知理論值，數(shù)據(jù)傳輸過程基本沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，錯幀等現(xiàn)象。

圖7 部分實驗原始數(shù)據(jù)

實驗測試驗證系統(tǒng)工作傳輸過程中的誤碼率非常低，地面接收終端接收成功率達到90 %以上，能夠在模擬環(huán)境下進行高精度定位和有效數(shù)據(jù)回傳。除此之外也驗證了系統(tǒng)在灌封情況下進行了沖擊試驗、低氣壓試驗、隨機振動試驗、高低溫試驗等環(huán)境試驗之后依舊可正常穩(wěn)定工作，證明其可靠性及可行性。

5 結(jié) 論

本文主要從總體方案設(shè)計、硬件電路及軟件控制三方面詳細介紹了一種基于SIM7600CE的智慧消防參數(shù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)將GSM通信技術(shù)與導航定位技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)位置姿態(tài)等數(shù)據(jù)實時傳輸處理。通過實驗驗證，系統(tǒng)能夠?qū)⑾嚓P(guān)信息實時回傳至地面接收終端，達到實時監(jiān)測消防救援人員在復雜作業(yè)環(huán)境下的位置信息、運動狀態(tài)及生命體征等參數(shù)的目的，為其生命安全保駕護航。這一設(shè)計為因無法及時獲取救援人員位置及生理信息而導致其無法安全撤離火災現(xiàn)場的問題提供了一種解決辦法，且其可應用范圍很廣，可以推廣應用于無人機、車載等場景需求。