基于GPRS無線傳輸?shù)匿撥墏麚p傳輸方法設(shè)計與研究

殷 娜

(蘭州交通大學(xué)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育中心，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

在鐵路鋼軌探傷領(lǐng)域，現(xiàn)有的鋼軌探傷裝置為了檢測鋼軌的傷損狀況，一般配備有多個探頭從多個角度對工件進(jìn)行檢測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)工件的傷損情況后，探傷裝置可以通過A型顯示或者B型顯示等方式向用戶實時報告?zhèn)麚p詳細(xì)信息?？墒?，在野外探傷時，現(xiàn)場工作人員遇到一些特殊的傷損情況，根據(jù)他們掌握的探傷經(jīng)驗無法進(jìn)行判斷或者不確定自己的判斷結(jié)果時，現(xiàn)場探傷就無法進(jìn)行下去。此時如果有一些經(jīng)驗豐富的探傷專家在遠(yuǎn)程協(xié)助現(xiàn)場探傷人員對傷損進(jìn)行判斷，則可以大大提高鋼軌探傷的工作效率。所以如何與遠(yuǎn)程協(xié)助中心進(jìn)行信息溝通與數(shù)據(jù)交互成為目前鋼軌探傷界亟待解決的問題。

遠(yuǎn)程協(xié)助是指管理人員在異地通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或者通信網(wǎng)絡(luò)，連接需要被控制的遠(yuǎn)程終端，并將被控制終端的數(shù)據(jù)顯示到自己的計算機(jī)上，進(jìn)而實現(xiàn)雙方的交互功能。所以，一種帶有無線傳輸?shù)匿撥墏麚p信息傳輸方法可以解決目前鋼軌探傷界面臨的上述問題。

GPRS(General Packet Radio Service)是通用無線分組業(yè)務(wù)的簡稱，是2.5代移動通信系統(tǒng)，不但覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)傳輸速率高，還具有通信質(zhì)量高永遠(yuǎn)在線等優(yōu)點;它集合了現(xiàn)在GSM的數(shù)據(jù)分組交換和短信息服務(wù)，可以直接與Internet互通［1］。結(jié)合這些特點，在鋼軌傷損檢測的應(yīng)用方面，可以通過GPRS將鋼軌傷損數(shù)據(jù)無線傳輸轉(zhuǎn)換到Internet傳輸［2］，從而實現(xiàn)野外現(xiàn)場探傷與遠(yuǎn)程協(xié)助中心的信息傳輸與信息交互功能，提高探傷工人的作業(yè)效率，并為傷損信息的保存提供一種新的途徑。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)方案主要由3大部分組成，分別是數(shù)據(jù)終端設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程協(xié)助中心。

1)數(shù)據(jù)終端設(shè)備:鋼軌探傷裝置，主要負(fù)責(zé)鋼軌傷損信息的采集和判斷、傷損報警、數(shù)據(jù)保存、無線數(shù)據(jù)發(fā)送等功能;

2)傳輸網(wǎng)絡(luò):由GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸和Internet互聯(lián)網(wǎng)傳輸實現(xiàn);

3)遠(yuǎn)程協(xié)助中心:由一臺可以登錄Internet的服務(wù)器和若干臺客戶端組成，主要負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)收發(fā)、傷損信息核實和傷損數(shù)據(jù)保存等功能，協(xié)助探傷工人順利完成探傷任務(wù)［3-4］。

基于無線傳輸?shù)匿撥墏麚p信息傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鋼軌探傷裝置硬件總體設(shè)計框圖

由于探傷裝置的設(shè)計更為復(fù)雜，圖2給出包含無線傳輸模塊的鋼軌探傷裝置總體設(shè)計框圖。圖2中，UART接口連接無線傳輸模塊(GPRS模塊)與核心控制器(CPU)［5-8］，CPU 經(jīng)過總線與傷損檢測模塊、顯示模塊和接口模塊等相連，GPRS模塊經(jīng)由天線與遠(yuǎn)程協(xié)助中心通信。整個通信鏈路的工作過程如下:鋼軌探傷裝置的模擬發(fā)射模塊發(fā)送超聲波信號，經(jīng)過工件后返回到模擬接收模塊，并傳送至數(shù)字信號處理模塊進(jìn)行傷損檢測;數(shù)字信號處理模塊對回波信號進(jìn)行數(shù)字濾波、傷損判斷等處理后，把傷損信息通過LCD顯示給探傷工人;如果探傷工人對檢測結(jié)果不太確定，可以向遠(yuǎn)程協(xié)助中心發(fā)出建立連接請求;此時由CPU通過串行接口把數(shù)據(jù)發(fā)送至無線傳輸模塊，無線傳輸模塊通過GPRS連接，與無線網(wǎng)絡(luò)交換中心進(jìn)行用戶身份識別，建立無線傳輸通信鏈路;此時，遠(yuǎn)程協(xié)助中心通過Internet骨干網(wǎng)撥通對方IP地址，與GPRS無線數(shù)據(jù)中心建立無縫連接通路，從而實現(xiàn)現(xiàn)場探傷人員與遠(yuǎn)程協(xié)助中心之間的數(shù)據(jù)交互。

2 探傷裝置GPRS數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計

鋼軌探傷裝置的硬件模塊主要包括中央處理器模塊、無線傳輸模塊、模擬收發(fā)模塊、信號處理模塊、傳感器模塊、顯示模塊、接口模塊等。

2.1.1 嵌入式微處理器

系統(tǒng)選用三星公司為嵌入式終端設(shè)備提供的低功耗、高集成度的微處理器 S3C6410，它是基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，最高頻率可以達(dá)到533 MHz，片上主要集成有通用的輸入/輸出接口117個，外部中斷源24個，脈寬調(diào)制PWM計時器4個以及1個內(nèi)時鐘，3通道的串行通信UART，4通道的同步動態(tài)存儲SDRAM控制器，1個LCD控制器以及帶有日歷功能的實時時鐘RTC，SD記憶卡接口等［9-13］。本處理器可以方便地為鋼軌探傷擴(kuò)展所需外圍設(shè)備，如按鍵、LCD、Audio、SD存儲卡、SDRAM、SRAM等。

2.1.2 無線傳輸模塊

系統(tǒng)選用華為GTM900-C作為無線傳輸模塊，它是一款2頻段GSM/GPRS無線模塊。它支持命令集AT(Attention)，通過串行通信UART接口與外部中央處理器CPU進(jìn)行通信，主要實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等功能，在高速數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程信息服務(wù)等方面有著廣泛的應(yīng)用。GTM900-C與外界的接口主要包括:

1)串行通信UART接口。

2)智能SIM卡接口。

3)后備電池RTC Backup接口。

4)音頻Audio接口。

5)天線接口。

考慮到鋼軌探傷的實際需求，即探傷工人在探傷過程中，與遠(yuǎn)程協(xié)助中心的信息交互僅有數(shù)據(jù)傳輸，語音業(yè)務(wù)可通過目前非常成熟的無線終端設(shè)備(PDA、手機(jī)等)交互實現(xiàn)。所以本方案僅采用GTM900-C的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)在物理連接上通過UART接口實現(xiàn)CPU與無線傳輸模塊的通信。該模塊的硬件連接電路原理如圖3所示。

圖3 GTM900-C硬件連接電路原理圖

1)UART接口。

GTM900-C的RS232接口由嵌入式處理器S3C6410的串行通信UART接口驅(qū)動，此時，鋼軌探傷裝置作為DTE(數(shù)字終端設(shè)備)，無線傳輸模塊作為DCE(數(shù)字電路設(shè)備)，在數(shù)字終端設(shè)備DTE和數(shù)字電路設(shè)備DCE之間實現(xiàn)的各種功能由一套AT命令完成，因此AT命令可以看作是DTE和DCE之間的軟件接口。

UART接口主要有如下的功能特性:

①串行通信UART接口可支持3.00 V的輸入和輸出電平;

②UART接口的信號除了RXD0和TXD0是高電平有效之外，其余信號均為低電平有效;

③UART接口有512 byte的發(fā)送和接收 FIFO(First in First Out)，支持可編程的數(shù)據(jù)寬度、數(shù)據(jù)停止位，奇/偶校驗等;

④UART接口工作的最大速率為115200 bit/s，默認(rèn)支持9600 kbit/s。

GTM900-C的UART接口各管腳定義如表1所示。

表1 GTM900-C的串行通信UART接口各管腳定義

根據(jù)鋼軌探傷的實際需求，本方案選用UART_TXD0和UART_RXD0作為實際使用的串行接口。

2)SIM卡接口。

GTM900-C的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支持EGSM900/GSM1800雙頻設(shè)置，射頻接口采用GSC射頻連接器，天線采用EGSM900/GSM1800雙頻段天線。

GPRS模塊可支持外部的智能SIM卡，可直接與SIM卡連接，GPRS模塊可以自動檢測識別并適應(yīng)SIM卡類型。

3)天線接口。

GTM900-C提供的天線接口為GSC射頻連接器，通過電纜可以將外接天線連接到GSC射頻連接器上。該連接器由HRS公司提供，器件編碼為U.FLR-SMT-1(10)。

2.2 軟件設(shè)計

根據(jù)鋼軌探傷裝置應(yīng)用需求，系統(tǒng)軟件主要包括傷損信息采集與判斷、無線鏈路建立與數(shù)據(jù)發(fā)送、系統(tǒng)控制和LCD顯示等。下面主要對傷損信息采集與判斷、無線鏈路建立與數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)行闡述。

2.2.1 傷損信息的采集與判斷

核心處理器控制超聲波探頭發(fā)射超聲波信號，并把接收到的模擬信號經(jīng)過信號處理后進(jìn)行A/D采樣;采樣后的信號經(jīng)過數(shù)字濾波、深度判斷、傷損檢測后，保存到外部SRAM中;當(dāng)需要把數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程協(xié)助中心時，對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，發(fā)送至無線傳輸模塊。

2.2.2 無線鏈路建立與數(shù)據(jù)發(fā)送

無線傳輸模塊的軟件部分主要功能是建立與遠(yuǎn)程中心的數(shù)據(jù)鏈路，并把按一定協(xié)議封裝的傷損信息發(fā)送至遠(yuǎn)程終端，從而實現(xiàn)現(xiàn)場探傷與遠(yuǎn)程中心信息交互的功能。

CPU與無線傳輸模塊數(shù)據(jù)通信之前，首先應(yīng)進(jìn)行硬件初始化操作，然后開始PPP(Point to Point Protocol)協(xié)商，登錄無線網(wǎng)絡(luò)，封裝傷損信息，傳輸數(shù)據(jù)，結(jié)束處理任務(wù)。無線傳輸模塊軟件流程如圖4所示。

圖4 無線傳輸模塊軟件流程圖

1)串口初始化和GPRS模塊初始化:串口初始化主要調(diào)用init_uart(void)函數(shù)實現(xiàn)，主要設(shè)定串口的傳輸速率、停止位、校驗位等;GPRS模塊的初始化用于配置無線網(wǎng)絡(luò)、啟動任務(wù)配置，并按照模塊的優(yōu)先級，啟動相應(yīng)中斷操作。

2)PPP協(xié)商:啟動串口和GPRS模塊后，系統(tǒng)需向GPRS基站發(fā)送請求服務(wù)，進(jìn)行PPP協(xié)商;成功建立通信鏈路后，可以從串口接收到反饋信息［5-8］。

3)數(shù)據(jù)發(fā)送:根據(jù)要求，首先應(yīng)對傷損數(shù)據(jù)進(jìn)行封包，為了更好地檢測鋼軌傷損信息，本系統(tǒng)配備了8個探頭，每一探頭的重復(fù)頻率為400Hz，規(guī)定每個探頭重復(fù)檢測20次，封包一次，傷損數(shù)據(jù)包的封包格式如圖5所示。并把封裝好的傷損信息按照AT指令要求轉(zhuǎn)換為運營商指定的數(shù)據(jù)格式，開始數(shù)據(jù)傳輸，這一過程主要通過void gprs_send_cmd(char*string)函數(shù)將指令發(fā)送至GPRS模塊。當(dāng)對方接收完畢后，可以從遠(yuǎn)程中心接收到反饋信息，最后斷開連接。

圖5 每一通道重復(fù)選通20次傷損數(shù)據(jù)封包格式

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心接收GPRS傷損數(shù)據(jù)的實現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計

遠(yuǎn)程協(xié)助中心的數(shù)據(jù)接入是通過Internet骨干網(wǎng)連接GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，由于無線運營商的GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet是無縫對接，所以遠(yuǎn)程中心只需一臺服務(wù)器通過ADSL撥號方式登錄Internet，即可實現(xiàn)雙方的通信功能。在登錄Internet時，這種方法獲取的IP地址一般是動態(tài)的，用戶可以在運營商服務(wù)中心申請固定的IP地址;在使用過程中，可以在DTU(數(shù)據(jù)終端設(shè)備)中進(jìn)行配置，再通過域名解析的方法，實現(xiàn)地址互通。采用這種方案，可以防止在Internet傳輸過程中泄露用戶信息，也不必?fù)?dān)心DUT掉線后再次動態(tài)分配IP地址而與終端無法連接的問題。另外，在遠(yuǎn)程協(xié)助中心，如果有若干探傷工人需查看傷損信息，可以把服務(wù)器通過路由器連接若干臺終端PC，從而實現(xiàn)集群式信息服務(wù)［14-17］。

3.2 軟件實現(xiàn)

遠(yuǎn)程協(xié)助中心的軟件功能是從Internet接收GPRS數(shù)據(jù)包，并根據(jù)約定好的協(xié)議，一層層解析數(shù)據(jù)包，最終把傷損信息顯示到工作人員面前。其中，與GPRS通信的功能可以使用Socket編程技術(shù)實現(xiàn)。另外，該軟件還需具備保存?zhèn)麚p信息的功能。遠(yuǎn)程中心接收TCP/UDP數(shù)據(jù)的經(jīng)過解析后的傷損信息如圖6所示。

圖6 TCP/UDP數(shù)據(jù)經(jīng)過解析后的傷損數(shù)據(jù)格式

根據(jù)以上搭建好的硬件系統(tǒng)，并把相應(yīng)的軟件代碼下載至CPU，啟動GPRS調(diào)試服務(wù)軟件準(zhǔn)備測試。對無線收發(fā)數(shù)據(jù)分別應(yīng)進(jìn)行可靠性和完備性測試，考慮到無線傳輸?shù)目煽啃允苤朴谥苓叚h(huán)境、地形、基站分布等因素影響，本實驗只從數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐陚湫?準(zhǔn)確率)方面考察整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。實驗分別采用TCP和UDP協(xié)議進(jìn)行測試，在相同的實驗條件下，分別測試200次的測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 無線數(shù)據(jù)傳輸測試結(jié)果

由以上實驗數(shù)據(jù)看出，在GPRS模塊正常工作情況下，無線模塊可以把封裝好的傷損數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程終端，并經(jīng)過終端服務(wù)軟件解析，正確顯示原始數(shù)據(jù);系統(tǒng)通信質(zhì)量較好，其數(shù)據(jù)丟包率和吞吐率等性能指標(biāo)滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

本文在介紹鋼軌探傷和GPRS無線傳輸理論的基礎(chǔ)上，通過搭建整個軟硬件系統(tǒng)，可以實現(xiàn)現(xiàn)場探傷與遠(yuǎn)程協(xié)助中心實時的信息交互，從而提高了探傷工人的作業(yè)效率，也為遠(yuǎn)程協(xié)助中心的業(yè)務(wù)監(jiān)督和信息保存提供了一個新的渠道。本方案對鋼軌探傷業(yè)是一個較好的應(yīng)用類技術(shù)創(chuàng)新，相信隨著無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，GPRS業(yè)務(wù)會更廣泛地應(yīng)用到鋼軌探傷中。

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