基于GPRS與485總線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制裝置設(shè)計(jì)

李勝永，季 禹，張 悅

(江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通，226010)

1 引言

文獻(xiàn)[1]中利用船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)江海大橋主橋墩實(shí)施了主動(dòng)防撞警示系統(tǒng)，通過GPS獲取大橋主橋墩的物理位置，數(shù)據(jù)處理單元將大橋橋墩物理位置發(fā)送到船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，過往船只通過雷達(dá)圖像即可自動(dòng)獲取大橋橋墩標(biāo)識(shí)和具體位置，輔助船舶安全通過大橋主通航孔，如圖1所示。

由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，主動(dòng)防撞效果好，包括蘇通大橋在內(nèi)的國內(nèi)大型橋梁部分進(jìn)行了主動(dòng)防撞系統(tǒng)安裝。運(yùn)行效果良好，大幅降低了橋梁防撞風(fēng)險(xiǎn)。隨著系統(tǒng)數(shù)量的增加，部分設(shè)計(jì)橋梁監(jiān)控安全數(shù)據(jù)均孤立存在各個(gè)孤島系統(tǒng)內(nèi)，如船舶通過警戒線次數(shù)、時(shí)間、通過量，船舶行進(jìn)路徑等眾多航道關(guān)鍵數(shù)據(jù)。上述數(shù)據(jù)對(duì)航道通航周期性預(yù)測工作特別重要，屬于航道和橋梁管理部分的核心數(shù)據(jù)，如何獲取是系統(tǒng)研發(fā)改進(jìn)的方向。

圖1 大橋主動(dòng)防撞系統(tǒng)原理圖

2 總體方案

在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過圖1中RS485對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，獲取警報(bào)次數(shù)、時(shí)間、主通航孔通過量，通過GPRS[2]模塊將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取并上傳到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，由后臺(tái)上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取[3-4]，對(duì)船舶行進(jìn)路徑進(jìn)行記錄，并可對(duì)航道內(nèi)船舶管理進(jìn)行周期性預(yù)測[5-6]，配合智能化航標(biāo)的使用可以提升船舶通航可靠性，如圖2所示。也可通過后期開發(fā)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理單元遠(yuǎn)程管理功能，如圖3所示。

圖2 基于GPRS與485總線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)

圖3 可以遠(yuǎn)程管理的主動(dòng)防撞系統(tǒng)原理圖

3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置硬件設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)包含前段的MAX485自適配電路和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制器，處理器采用超強(qiáng)抗干擾、高速、超低功耗的STC8F2K16S2。處理器控制GA6-B GPRS模塊，用于串口GPRS服務(wù)，接受AT控制指令，也可用串口復(fù)用，如圖4所示。MAX485電路作為前端電平轉(zhuǎn)換電路雙向與主動(dòng)防撞系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理單元交換數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制器是此次設(shè)計(jì)的最核心的裝置，用于控制信息生成和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理；GPRS模塊用于實(shí)現(xiàn)和外界的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)圖2的系統(tǒng)功能。

圖4 硬件設(shè)計(jì)整體方案

3.1 MAX485電路設(shè)計(jì)

485通信方式歷史沿革時(shí)間長，技術(shù)完善，采用平衡發(fā)送和差動(dòng)接收方式通信，抗干擾能力強(qiáng)。由于主動(dòng)防撞系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集控制模塊安裝位置相同，一般都在各大橋管理處的機(jī)房，干擾源多，環(huán)境噪音高。電路設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注抗干擾措施，首先進(jìn)行電源隔離，使用DC-DC產(chǎn)生一組與控制模塊處理器相隔離的電源V485，用于向MAX485收發(fā)器提供電源。其次在TTL電平輸入輸出及控制端進(jìn)行了光耦隔離，隔絕了干擾源進(jìn)入總線機(jī)會(huì)。但是，光耦的飽和需要時(shí)間。因此，這里采用了2501型高速光耦，同時(shí)將R2、R1配對(duì)組合進(jìn)行了優(yōu)化實(shí)驗(yàn)(其它分支皆同)，根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選取了具體數(shù)值。最后在485總線短進(jìn)行了穩(wěn)壓管D1、D3穩(wěn)壓吸收回路進(jìn)行了雜波抑制，如圖5所示。

圖5 光電隔離MAX485抗干擾電路

3.2 GA6-B GPRS模塊電路連接設(shè)計(jì)

GA6-B是一個(gè)4頻的GSM/GPRS模塊，工作的頻段為：EGSM 900MHz、 GSM850MHz和DCS 1800, PCS1900。GA6-B支持GPRS multi-slot class 10/ class 8和 GPRS 編碼格式CS-1, CS-2, CS-3和CS-4。

GA6-B采用單電源供電，VBAT的電壓輸入范圍從3.5V 到4.2V ，官方推薦電壓為4.0V(VBAT) 。模塊發(fā)射的突發(fā)會(huì)導(dǎo)致電壓跌落，這時(shí)電流的峰值最高會(huì)達(dá)到2A。因此，電源的供流能力不能小于2A。 電路設(shè)計(jì)中靠近VBAT使用一個(gè)旁路電容，推薦使用100μF 、低ESR的電容。也可以使用100 μF 鉭電容(低 ESR)和一個(gè)(1μF～10μF) 的陶瓷電容并聯(lián)來降低成本，PCB布板時(shí)，電容應(yīng)盡可能靠近模塊的VBAT引腳。和控制器連接是直接將MCU的串口和GA6-B的數(shù)據(jù)傳輸接口連接，同485總線不同的是，這里不需要進(jìn)行任何干擾措施，二者在同一個(gè)工作環(huán)境內(nèi)，且在同一個(gè)電磁環(huán)境下，且屬于串行通信?？刂破鱉CU和GA6-B使用不同的電源連接。電路如圖6所示：

圖6 和MCU的連接關(guān)系圖

4 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集控制模塊對(duì)主動(dòng)防撞系統(tǒng)處理單元中數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過485總線傳送給數(shù)據(jù)采集控制器MCU，MCU通過驅(qū)動(dòng)控制GA6-B GPRS模塊進(jìn)行云數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到主動(dòng)防撞系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)計(jì)目的。數(shù)據(jù)采集控制模塊的工作流程如圖7所示。

圖7 模塊工作流程

4.1 組網(wǎng)方案

上位機(jī)云服務(wù)中心采用APN專線，所有點(diǎn)都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP 客戶中心通過一條2M APN專線接入移動(dòng)公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進(jìn)行廣域連接，在GGSN與移動(dòng)公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請(qǐng)?jiān)揂PN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡才能進(jìn)入專網(wǎng)APN，防止其他非法用戶的進(jìn)入。

用戶在內(nèi)部建立RADIUS服務(wù)器，作為內(nèi)部用戶接入的遠(yuǎn)程認(rèn)證服務(wù)器(或在APN路由器內(nèi)，啟用路由器本地認(rèn)證功能)。只有通過認(rèn)證的用戶才允許接入，用以保證用戶內(nèi)部安全。用戶在內(nèi)部建立DHCP服務(wù)器(或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能)，為通過認(rèn)證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。移動(dòng)終端和服務(wù)器平臺(tái)之間采用端到端加密，避免信息在整個(gè)傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進(jìn)行隔離，并在防火墻上進(jìn)行IP地址和端口過濾。 此種方案無論實(shí)時(shí)性，安全性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點(diǎn)比較多、實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。

4.2 MCU控制程序設(shè)計(jì)

GA6-B GPRS模塊網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)時(shí)間6S，因此在程序設(shè)計(jì)中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)等待。

Uart1Init(); //串口初始化

Timer0Init();//TIM0初始化

EA = 1; //開啟總中斷

for(i = 0;i < STABLE_TIMES;i++)//等待網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定

{

delay_ms(50);

}

GPRS在入網(wǎng)連接后連接狀態(tài)接收也是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在硬件電路中通過上拉電阻設(shè)定了485網(wǎng)絡(luò)的初始狀態(tài)，用于抗干擾措施和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，因此在查詢服務(wù)器連接狀態(tài)的程序中需要返回狀態(tài)甄別，程序如下：

nt send_data_to_server(char *server_IP_and_port,char *content)

{

ret = UART1_Send_AT_Command("AT+CIPSTATUS","CONNECT OK",3,50*2);//查詢連接狀態(tài)

if(ret == 1)//說明服務(wù)器處于連接狀態(tài)

{

ret = UART1_Send_AT_Command("AT+CIPSEND",">",3,50);//開發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)

if(ret == 0)

{

return AT_CIPSEND_ERROR;

}

UART1_SendString(content);

ret = UART1_Send_AT_Command_END(end_char,"SEND OK",1,250);//發(fā)送結(jié)束符，等待返回ok,等待5S發(fā)一次，因?yàn)榘l(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間可能較長

if(ret == 0)

{

return END_CHAR_ERROR;

}

return 1;

}

5 結(jié)語

本文提出了一種遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集控制裝置，利用485串口轉(zhuǎn)GPRS無線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和主動(dòng)防撞系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控，可以適應(yīng)跨區(qū)域，遠(yuǎn)距離進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集，方便了有關(guān)管理部門進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，具有較高應(yīng)用價(jià)值。