交通道路設(shè)備的無(wú)線巡查系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳建峰

摘要：隨著生活質(zhì)量的提高，為了能讓人們出行能夠更加方便，外面的道路會(huì)越來(lái)越多，路邊的交通燈、公交站亭、廣告牌等設(shè)備也會(huì)隨之增多。設(shè)備之多，有些會(huì)發(fā)生故障是難以避免的。由于設(shè)備都放在室外，要維修人員漫無(wú)目的去檢查哪個(gè)設(shè)備是否發(fā)生故障時(shí)一件很繁瑣的事情。交通道路巡查系統(tǒng)是利用裝在室外設(shè)備里的發(fā)射機(jī)，把設(shè)備的情況通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)送出來(lái)。當(dāng)在路上行走巡查車?yán)锏慕邮諜C(jī)收到無(wú)線信息后會(huì)先做統(tǒng)計(jì)，再把數(shù)據(jù)上傳給服務(wù)器。后臺(tái)管理人員可以通過(guò)服務(wù)器的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)安排維修人員到點(diǎn)維修，減輕了維修人員的工作量

關(guān)鍵詞：交通；無(wú)線

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）12-0246-02

1 系統(tǒng)架構(gòu)

無(wú)線巡查器主要是由發(fā)射機(jī)與接收機(jī)兩部分組成。

發(fā)射機(jī)放置于室外交通道路的設(shè)備上，電源由鋰電池提供。當(dāng)設(shè)備正常工作時(shí)，設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)鋰電池進(jìn)行充電；當(dāng)設(shè)備燒壞或者其他原因無(wú)法正常工作，設(shè)備停止對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。設(shè)備電源經(jīng)過(guò)AC-DC轉(zhuǎn)換接到MCU的AD轉(zhuǎn)換端，MCU通過(guò)檢測(cè)AC-DC是否有輸出電流，從而判斷設(shè)備是否發(fā)生了故障。發(fā)射機(jī)把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)定時(shí)存入MCU的FLASH中，每隔一段時(shí)間把這些數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線信號(hào)向外發(fā)送。

接收機(jī)放置于巡查車上。巡查車在道路上行走，接收機(jī)接收由設(shè)備中發(fā)射機(jī)發(fā)出的無(wú)線數(shù)據(jù)。接收機(jī)通過(guò)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理（添加位置信息，接收時(shí)間等），存入MCU的FLASH中。

對(duì)于接收機(jī)收集的數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS的方式把數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器。

2 硬件組成

2.1 發(fā)射機(jī)

發(fā)射機(jī)的硬件主要組成：電源模塊，無(wú)線發(fā)送模塊，如下圖所示。MCU采用的是STM32F103C8芯片（以下簡(jiǎn)稱STM32）。

2.2 電源模塊

電源模塊由AC-DC轉(zhuǎn)換模塊與鋰電池充電模塊組成。

戶外設(shè)備提供的一般是220V交流電，鋰電池充電模塊輸入電壓一般為5V，因此由設(shè)備到發(fā)射機(jī)之間需要一個(gè)AC-DC隔離電源模塊，可以選取輸入為100-240V AC/50-60Hz，輸出為5V DC/3W的電源模塊。

鋰電池充電模塊可選取TP4065模塊。TP4056是一款單節(jié)鋰離子電池充電器。其采用恒定電流/恒定電壓線性的充電方式。由于采用了內(nèi)部PMOSFET架構(gòu)，加上防倒充電路，所以不需要外部隔離二極管。熱反饋可對(duì)充電電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以便在大功率操作或高環(huán)境溫度條件下對(duì)芯片溫度加以限制。充電電壓固定于4.2V，而充電電流可通過(guò)一個(gè)電阻器進(jìn)行外部設(shè)置。當(dāng)充電電流在達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值1/10時(shí)，TP4056將自動(dòng)終止充電循環(huán)。當(dāng)輸入電壓被拿掉時(shí)，TP4056自動(dòng)進(jìn)入一個(gè)低電流狀態(tài)，將電池漏電流降至2uA以下。

2.3 無(wú)線發(fā)送模塊

由于433MHz和2.4GHz頻段都可以無(wú)需申請(qǐng)免費(fèi)使用，一般的無(wú)線通信都選用這兩個(gè)頻段。

433MHz方案和2.4GHz方案技術(shù)性能具體比較：

433MHz方案的主要特點(diǎn)是：

1） 采用的是窄帶調(diào)幅技術(shù)，一般在5-25KHz；

2）采用單頻點(diǎn)工作，不能有效抵抗因遮擋而產(chǎn)生的多徑效應(yīng)，造成通信不可靠，系統(tǒng)不穩(wěn)定；

3）對(duì)講機(jī)，車載通信設(shè)備，業(yè)余通信設(shè)備等都集中在這里，因而頻道非常擁擠，環(huán)境干擾非常大；

4）頻點(diǎn)飄移問(wèn)題嚴(yán)重；

5）功耗大，發(fā)射機(jī)和天線體積龐大等。

2.4 GHz方案的主要特點(diǎn)

GHz方案的主要特點(diǎn)是：

1）微功率：發(fā)射功率低，是節(jié)能、環(huán)保產(chǎn)品；

2）從2400MHz到2483.5MHz，總共83.5MHz帶寬的整個(gè)頻段范圍，它可以容許多個(gè)不同通信系統(tǒng)的多個(gè)不同信道共同使用；

3）采用先進(jìn)的直序擴(kuò)頻技術(shù)，其抗干擾能力強(qiáng)、抗多徑衰落能力強(qiáng)、與一般非直序擴(kuò)頻通信技術(shù)相比，對(duì)環(huán)境噪聲的要求要低得多、通信質(zhì)量好等。

由于戶外環(huán)境比較復(fù)雜，發(fā)射機(jī)要求通信可靠性、系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，而且要符合低功耗設(shè)計(jì)，因而發(fā)射機(jī)無(wú)線通信選取2.4GHz頻段。無(wú)線發(fā)送模塊可選取SI24R1模塊。

Si24R1是專為了低功耗無(wú)線場(chǎng)合設(shè)計(jì)，集成嵌入式ARQ基帶協(xié)議引擎的無(wú)線收發(fā)芯片，采用的是GFSK/FSK數(shù)字調(diào)制與解調(diào)技術(shù)。Si24R1針對(duì)低功耗應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行了優(yōu)化，在關(guān)斷模式下，所有寄存器值與FIFO值保持不變，關(guān)斷電流小于0.7uA；在待機(jī)模式下，時(shí)鐘保持工作，電流小于15uA。Si24R1采用的是SPI接口，MCU操作方便，并且與很少的外圍無(wú)源器件既可以組成一個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)。2.4G無(wú)線模塊電路如下：

2.5 接收機(jī)

接收機(jī)的硬件主要組成：電源模塊，GPS模塊，GPRS模塊，無(wú)線接收模塊，如下圖所示。MCU采用的是STM32F103C8芯片（以下簡(jiǎn)稱STM32）。

1）電源模塊：車載電源提供的是12V電壓，接收機(jī)需要的工作電壓是5V。因此由設(shè)備到發(fā)射機(jī)之間需要電源轉(zhuǎn)換模塊。由于接收機(jī)上有GPS模塊、GPRS模塊、2.4G接收模塊等，電源需要提供大約1A的工作電流，可采用典型的LM2596電源轉(zhuǎn)換電路。

2）GPS模塊：GPS模塊可為接收機(jī)提供位置與UTC時(shí)間。GPS模塊可選取VK1612。VK1612采用 KDS 0.5PPM高精度TCXO，內(nèi)建LNA，低噪聲信號(hào)放大器，內(nèi)建 RTC 晶體，豐富的設(shè)置衛(wèi)星質(zhì)量控制及防止飄逸軟體設(shè)置，支持 AssistNow Online 和 AssistNow Offline 等 A-GPS 服務(wù)。

3）GPRS模塊：GPRS模塊是用于接收機(jī)與服務(wù)器交互數(shù)據(jù)。GPRS模塊可選取MG323。MG323模塊是華為推出的一款4頻段的GPRS模塊，工作頻段支持4頻：GSM850/900/1800/1900MH，接收靈敏度高，工作溫度范圍廣，傳輸速率快，采用GSM 標(biāo)準(zhǔn)AT 命令，內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議，支持GPRS業(yè)務(wù)等。

4）無(wú)線接收模塊：見(jiàn)2.3無(wú)線發(fā)送模塊。

3 數(shù)據(jù)處理

1）發(fā)射機(jī)監(jiān)測(cè)記錄存儲(chǔ)：發(fā)射機(jī)需要做的是監(jiān)測(cè)戶外設(shè)備的工作情況。由于STM32的FLASH空間與擦寫壽命都有限，不能一直在擦寫數(shù)據(jù)，所以要在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)向STM32的FLASH寫監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)。每次寫記錄數(shù)據(jù)的內(nèi)容是當(dāng)前時(shí)間與設(shè)備的工作狀態(tài)。發(fā)射機(jī)FLASH存儲(chǔ)格式如下表。

2）接收機(jī)監(jiān)測(cè)記錄存儲(chǔ)：當(dāng)無(wú)線接收模塊接收到數(shù)據(jù)，會(huì)馬上存入緩沖區(qū)中，并提示STM32。STM32讀取緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)，首先判斷FLASH中已經(jīng)存有該監(jiān)測(cè)記錄，如果已存在，直接丟棄；如果不存在，就讀取當(dāng)前GPS的位置信息與時(shí)間，與監(jiān)測(cè)記錄一并存入FLASH中。接收機(jī)FLASH存儲(chǔ)格式如下：

3）無(wú)線數(shù)據(jù)幀格式：為了提高無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，采用?shù)據(jù)幀方式發(fā)送數(shù)據(jù)，具體格式如下：

① 幀頭幀尾為數(shù)據(jù)幀開始與結(jié)束的標(biāo)志；

② 設(shè)備號(hào)是唯一的，是每個(gè)獨(dú)立設(shè)備的身份象征；

③ 幀號(hào)代表當(dāng)前發(fā)送的是第幾幀的數(shù)據(jù)；

④ 設(shè)備狀態(tài)：0x01：設(shè)備工作正常；0x00：設(shè)備工作異常；

⑤ 為了保證無(wú)線通信數(shù)據(jù)的可靠性，需要對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC計(jì)算。

4）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議：接收機(jī)通過(guò)GPRS與服務(wù)器建立SOCKET連接。它們之間的數(shù)據(jù)交互采用問(wèn)答的方式，通過(guò)通信協(xié)議完成的。通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如下：

① 幀頭幀尾為數(shù)據(jù)幀開始與結(jié)束的標(biāo)志；

② 流水號(hào)連續(xù)，表示監(jiān)測(cè)記錄沒(méi)有丟失；

③ 命令字是識(shí)別該數(shù)據(jù)幀代表哪種命令；

④ CRC校驗(yàn)是為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

接收機(jī)與服務(wù)器之間的通信協(xié)議中有2條命令：分別記錄上傳命令與記錄查詢指令。

記錄上傳命令是利用GPRS的網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間，接收機(jī)把FLASH中的監(jiān)測(cè)記錄上傳到服務(wù)器；由于GPRS網(wǎng)絡(luò)原因，可能會(huì)是導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸丟失，這時(shí)服務(wù)器可以通過(guò)記錄查詢指令要求接收機(jī)重新發(fā)送丟失了的監(jiān)測(cè)記錄。

5）工作流程：

4 總結(jié)

交通道路巡查系統(tǒng)是利用2.4G與GPRS無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)室外設(shè)備上的發(fā)射機(jī)與巡查車上的接收機(jī)，把室外設(shè)備信息進(jìn)行收集與統(tǒng)計(jì)并上傳服務(wù)器。通過(guò)查看統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，能準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)，使得維修人員工作更有效率、維修更加方便。

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