基于GSM的汽車衡稱重數(shù)據(jù)遠程采集系統(tǒng)設(shè)計

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輛的稱重計算。目前國內(nèi)用于稱重數(shù)據(jù)的主要采集方式有人工抄表、RS232/RS485、局域網(wǎng)、CAN總線和ADSL技術(shù)等幾種[1~5]。在實際運行中，由于磅房各節(jié)點的分散性，人工抄表不僅浪費人力，而且各汽車衡稱重數(shù)據(jù)統(tǒng)計等后續(xù)處理工作煩瑣、容易出錯，同時也給不法者以可乘之機；RS232/RS485傳輸需要布線，系統(tǒng)抗干擾差，實時性和糾錯能力弱，對于分布偏遠的磅房和控制中心布線困難；局域網(wǎng)傳輸雖不用布線，但受黑客攻擊易造成系統(tǒng)崩潰，存在信息丟失的風(fēng)險；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，簡稱SMS)成熟完善、覆蓋面廣、功能強，在國內(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SMS進行數(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)的新型汽車衡稱重數(shù)據(jù)遠程采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可高效、可靠地實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集及管理中心對汽車遠程調(diào)度，對提高工作效率，降低人為因素具有重要意義。

1 系統(tǒng)組成及原理

汽車衡稱重數(shù)據(jù)遠程采集系統(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 汽車衡稱重數(shù)據(jù)遠程采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

智能控制器采用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)協(xié)調(diào)控制射頻卡系統(tǒng)、汽車衡系統(tǒng)、I/O控制、道閘系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等工作順序，能自動完成稱重。射頻卡系統(tǒng)配置2臺非接觸式遠距離讀卡器，在駕駛員不出駕駛室的情況下，讀取車輛的IC卡信息，即可進入磅房稱重；道閘系統(tǒng)配備左右2臺帶地感線圈道閘，控制車輛的進入；I/O控制系統(tǒng)讀取紅外光電開關(guān)信號，判定車輛是否完全上磅；汽車衡系統(tǒng)根據(jù)接口協(xié)議，將稱重數(shù)據(jù)傳輸至智能控制器；然后智能控制器將稱重數(shù)據(jù)和IC卡信息以短消息編碼發(fā)送至數(shù)據(jù)庫管理中心。視頻系統(tǒng)由一臺數(shù)據(jù)錄像機、視頻卡和左右兩臺攝像機組成，完成車牌的抓拍和稱重車輛的錄像[6]。

管理中心由稱重上位機和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成。稱重上位機完成遠程稱重數(shù)據(jù)接收和控制命令的發(fā)送以及報表打印。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供稱重計量數(shù)據(jù)的存取、查詢服務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 智能控制器

FPGA全部控制邏輯由硬件完成，具有時鐘頻率高，內(nèi)部延時小，運行速度快、IO接口多等特點，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，可以有效控制存儲器訪問、自動道閘、信號燈等功能模塊的控制邏輯順序，連接GSM無線通訊模塊實現(xiàn)與管理中心遠程通信。射頻讀卡器選用韓國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 電子汽車衡

SCS系列電子汽車衡由秤臺、連接裝置、傳感器、接線盒、纜線、稱重顯示控制器，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、無奇偶校驗、1個停止位。FPGA檢測到UART的通信起始位后，允許接收串行稱重數(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，故需通過接口芯片MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換。

2.3 GSM模塊

數(shù)據(jù)傳送采用西門子公司的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RXD、TXD和GND引腳與FPGA芯片實現(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AT指令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，其主要操作是通過AT+CMGS和AT+CMGR指令分別進行短信發(fā)送和讀取。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件設(shè)計分為兩部分：稱重數(shù)據(jù)采集終端和管理中心。采集終端負責(zé)汽車衡稱重數(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)計等。

3.1 稱重數(shù)據(jù)采集終端程序設(shè)計

3.1.1 智能控制器程序

數(shù)據(jù)采集過程由狀態(tài)機(ASM)實現(xiàn)，該系統(tǒng)工作過程如下：射頻卡讀卡器讀取車輛非接觸式IC卡信息通過RS-232串口上傳至FPGA。當(dāng)駕駛員無卡時，讀卡器報警并語音提示去射頻卡管理中心辦卡并注冊。有卡時，控制系統(tǒng)工作在自動運行方式，自動道閘初始為落下狀態(tài)，當(dāng)持有非接觸式IC卡的車輛開到汽車衡入口時，自動識別系統(tǒng)首先對IC卡進行驗證，判斷是否注冊。如為非注冊IC卡則語音提示到射頻卡管理中心注冊。如果已注冊，則信號燈綠燈點亮，自動道閘升起，需計量的車輛可以開到衡上進行計量。當(dāng)車輛完全上磅，信號燈紅燈點亮、自動道閘落下，以阻擋后面車輛入，計量并采集數(shù)據(jù)，同時大屏幕顯示稱量數(shù)據(jù)，控制器完成各種數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送。車輛開下汽車衡，紅綠信號燈熄滅，至此稱量過程完成，可以進行下一次的稱量，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、報表匯總，信息調(diào)度。數(shù)據(jù)傳輸過程中為消除干擾，保證數(shù)據(jù)交換的可靠性和有效性，每個磅房采集終端GSM模塊的SIM卡與稱重數(shù)據(jù)一并打包并發(fā)送，存儲到管理中心數(shù)據(jù)庫。同時，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，開機后系統(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

管理中心由稱重上位機和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器構(gòu)成。稱重上位機完成遠程稱重數(shù)據(jù)采集、指令傳輸和報表打印。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供稱重計量數(shù)據(jù)的存取、查詢服務(wù)。質(zhì)檢部門、銷售部門、調(diào)度部門通過訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及時統(tǒng)計、匯總報表、作出調(diào)度。部門領(lǐng)導(dǎo)可通過管理中心通信終端發(fā)布控制信息，靈活控制采集現(xiàn)場。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控件實現(xiàn)，在本系統(tǒng)中串口通訊采用中斷的方式來實現(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

設(shè)計的基于GSM汽車衡稱重數(shù)據(jù)遠程采集系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)的人工采集、有線傳輸和局域網(wǎng)等方式傳輸?shù)南拗疲瑢崿F(xiàn)了管理中心通過通信協(xié)議對多點無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(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，具有較好的實用價值和應(yīng)用前景，對實現(xiàn)磅房無人職守具有重要意義。今后，在信息數(shù)據(jù)海量存儲及系統(tǒng)可靠性方面還需要進一步研究完善。

[1]丁方莉.過磅房計算機計量管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].銅陵財經(jīng)?？茖W(xué)校學(xué)報.2001,2:61-62.

[2]彭金利,侯青春,張稚玲.地磅銷售智能卡網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,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)的電子汽車衡微機稱重系統(tǒng)[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量,2009,1:38-39.

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

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

[6]張樂,魯仁全,徐生林.車輛衡自動稱重系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(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.