基于SIM7600CE的智慧消防傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

紀(jì)志敏, 李 杰, 胡陳君, 張澤宇, 高詩(shī)堯

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及城市化進(jìn)程的推進(jìn)，建筑物數(shù)量不斷增加，且分布復(fù)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(dǎo)致一旦發(fā)生火災(zāi)，極易在短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)展為重大火災(zāi)，同時(shí)伴隨巨大的人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失[4,5]。目前火災(zāi)的發(fā)生頻次與災(zāi)害程度呈現(xiàn)不斷加劇的態(tài)勢(shì)，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越多的消防救援人員因無(wú)法得到實(shí)時(shí)信息得不到及時(shí)的保護(hù)而犧牲[6]。

消防員在進(jìn)入火災(zāi)和坍塌建筑等危險(xiǎn)工作地時(shí)很難獲取其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及生命體征，而且事故現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜，常用的通信方法,如ZigBee，Wi-Fi，Bluetooth等物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)在沒有網(wǎng)絡(luò)的地方很難發(fā)揮效用。

針對(duì)上述情況,本文提出基于測(cè)控系統(tǒng)的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(global system for mobile communication,GSM)無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要功能是消防員身上的定位及測(cè)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(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)的短訊服務(wù)(short messaging service,SMS)平臺(tái)以短消息的形式進(jìn)行傳輸，現(xiàn)場(chǎng)指揮員通過(guò)接收終端接收到的信息了解消防員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及生命體征，進(jìn)而做出科學(xué)有效的指揮[7]。目前，GSM基站幾乎覆蓋國(guó)內(nèi)大部分區(qū)域，不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)丟失的情況，通過(guò)射頻信號(hào)進(jìn)行通信不會(huì)增加多余的線纜連接，試驗(yàn)驗(yàn)證這一設(shè)計(jì)能夠有效傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)而達(dá)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(jì)

系統(tǒng)主要由電源模塊、前端采集模塊、測(cè)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(jì)框圖

系統(tǒng)的參數(shù)傳輸設(shè)計(jì)在硬件上，主要與電源管理模塊、以現(xiàn)場(chǎng)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(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠，具有低成本、低功耗、小體積等一系列優(yōu)點(diǎn)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源管理模塊

電源模塊主要為各個(gè)模塊供電，保證各個(gè)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(hào)的瞬間電流可達(dá)到1.5 A，功率較大，為保證電流驅(qū)動(dòng)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(duì)其進(jìn)行隔離供電。

2.2 FPGA主控模塊

整個(gè)系統(tǒng)以FPGA為主控芯片,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)具備低功耗、小體積、高集成度的特點(diǎn)。本系統(tǒng)選用的XILINX Spartan-Ⅵ系列的XC6SLX9芯片，內(nèi)置9 152個(gè)邏輯單元，11 440個(gè)寄存器，576 kB的Block RAM，可供用戶自由配置的I/O口共102個(gè)，可配置多種接口協(xié)議，休眠掉電模式可實(shí)現(xiàn)零功耗，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，且功率低、體積小，是目前性價(jià)比較高的FPGA芯片[8～10]。相比于傳統(tǒng)的單片機(jī)控制而言，F(xiàn)PGA控制更穩(wěn)定，更適合應(yīng)用于通信領(lǐng)域。

FPGA模塊包括時(shí)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(shí)鐘采用20 MHz晶振；為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，F(xiàn)PGA配置模式為主串模式。此模式下FPGA可重復(fù)配置，在調(diào)試階段具有很大的靈活性，縮短了設(shè)計(jì)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(yǔ)音通話及通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有基本功能[13,14]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中這一模塊主要工作為接收FPGA傳來(lái)的短消息內(nèi)容，并通過(guò)運(yùn)營(yíng)商基站向地面接收設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)?？紤]到對(duì)移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營(yíng)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(biāo)準(zhǔn)接口，具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力[15]。

通信模塊的硬件電路設(shè)計(jì)除供電設(shè)計(jì)之外，還包括USIM卡電路設(shè)計(jì)以及電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)兩部分。在設(shè)計(jì)USIM卡電路時(shí)，USIM卡的電源線、地線、復(fù)位線、時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)I/O口必須與SIM7600CE芯片相連，此外為了保護(hù)USIM卡，使用ST公司的靜電保護(hù)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(jì)原理

電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)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(guò)程中使用電平轉(zhuǎn)換芯片TXB0108PWR來(lái)進(jìn)行電平對(duì)接;同時(shí)為了減緩信號(hào)脈沖與高頻噪聲，保護(hù)芯片，在電平轉(zhuǎn)換芯片兩端串入通過(guò)22Ω電阻。模塊在使用時(shí)用戶可以通過(guò)程序控制和硬件設(shè)計(jì)兩種方式實(shí)現(xiàn)模塊開機(jī)，但本次設(shè)計(jì)為使用方便采用硬件設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)這一功能，即PWRKEY引腳通過(guò)0 Ω電阻連接到地拉低電平使模塊開機(jī)。

3 軟件控制設(shè)計(jì)

GSM模塊通過(guò)AT指令輸出，由FPGA判讀命令實(shí)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(gè)模塊復(fù)位完成進(jìn)入工作狀態(tài)后，對(duì)測(cè)量定位模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集緩存，F(xiàn)PGA傳輸相應(yīng)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(yīng)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(cè)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(hào)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(jiǎn)單,比較容易實(shí)現(xiàn)，但有個(gè)不可忽視的缺點(diǎn)就是無(wú)法收發(fā)中文短信，設(shè)計(jì)需求中不涉及中文發(fā)送，所以這個(gè)限制可以不予考慮；而PDU模式支持中英文短信，編碼相對(duì)比較靈活，但是在收發(fā)短信時(shí)需要短信中心號(hào)碼的地址長(zhǎng)度、號(hào)碼類型、號(hào)碼[16]。對(duì)于移動(dòng)和聯(lián)通而言，兩種模式都可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)短信的功能，但是區(qū)別于移動(dòng)、聯(lián)通，電信的網(wǎng)絡(luò)制式是EVDO/CDMA1X，沒有短信中心號(hào)碼，無(wú)法兼容PDU模式，所以采用.txt文本編碼模式，可以同時(shí)兼容三大運(yùn)營(yíng)商，應(yīng)用更加廣泛。在“GSM”缺省字符集下，最多可以發(fā)送180個(gè)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(gè)模塊在復(fù)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(jì)數(shù)據(jù)按照協(xié)議進(jìn)行編幀處理；同時(shí)為確保接收端在判斷接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將幀頭加“EB 98”，再加兩個(gè)字節(jié)的幀計(jì)數(shù)，根據(jù)該字節(jié)累加的情況，方便數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)連續(xù)性的判斷。除此之外，在幀尾處加1個(gè)字節(jié)校驗(yàn)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(shí)發(fā)現(xiàn)校驗(yàn)錯(cuò)誤，則視為無(wú)效數(shù)據(jù)，直接放棄對(duì)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(jì)選擇較為簡(jiǎn)單靈活的通用異步收發(fā)器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)串口傳輸，同時(shí)也滿足數(shù)據(jù)傳輸速率要求。通信模塊先通過(guò)串口接收消防員的位置、運(yùn)動(dòng)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(shí)判斷數(shù)據(jù)幀頭“EB 98”、字節(jié)數(shù)以及校驗(yàn)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(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)有反饋應(yīng)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(shí)間間隔，否則短信無(wú)法發(fā)送。通過(guò)了解芯片手冊(cè)可知該應(yīng)答時(shí)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(cè)消防員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及位置速度信息，程序設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)判斷主控模塊發(fā)出的信號(hào)來(lái)控制改變短信發(fā)送頻率。程序通過(guò)設(shè)計(jì)分頻計(jì)數(shù)器得到周期為1 s的時(shí)鐘信號(hào)，然后在主程序中調(diào)用該時(shí)鐘信號(hào)分別得到10和1 min計(jì)時(shí)達(dá)到發(fā)送頻率變化的要求。短消息發(fā)送主要分為兩個(gè)階段，分別為事故現(xiàn)場(chǎng)外待命階段和進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)后。待命階段的消防員處于危險(xiǎn)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(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)開始救援工作后由于環(huán)境復(fù)雜，消防員處于危險(xiǎn)環(huán)境下，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及生命體征變化較快需要高頻率實(shí)時(shí)發(fā)送信息監(jiān)測(cè)狀態(tài)，故將發(fā)送頻率設(shè)置為1 min。根據(jù)以上設(shè)計(jì)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(cè)試與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的發(fā)送成功率以及數(shù)據(jù)傳輸前后的一致性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的板卡級(jí)測(cè)試以及系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試時(shí)地面接收終端的相關(guān)指令需要兼容移動(dòng)、聯(lián)通和電信三大運(yùn)行商，以防更換不同的運(yùn)營(yíng)商SIM卡后無(wú)法使用。程序內(nèi)接收手機(jī)號(hào)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(guò)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(huì)屏蔽射頻信號(hào)，需要將GSM天線通過(guò)穿墻器置于系統(tǒng)外以便接收信號(hào)，否則SIM卡信號(hào)失鎖，短信無(wú)法發(fā)送成功。在進(jìn)行板卡測(cè)試時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)串口提供一幀正確的數(shù)據(jù)2 ms一次定時(shí)發(fā)給板卡的接收端，通過(guò)分析解碼之后的信息來(lái)判斷板卡運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行傳輸前后數(shù)據(jù)對(duì)比。

系統(tǒng)集成之后分別進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試，基本驗(yàn)證了功能的完整性。如圖6所示為某次實(shí)驗(yàn)以籃球場(chǎng)為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地繞行一周的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。由圖可以看到目標(biāo)移動(dòng)軌跡基本連續(xù)，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程基本沒有出現(xiàn)因信號(hào)失鎖而通信中斷的現(xiàn)象。

圖6 運(yùn)動(dòng)軌跡

接收終端存儲(chǔ)下來(lái)的部分實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境下的已知理論值，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程基本沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，錯(cuò)幀等現(xiàn)象。

圖7 部分實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)工作傳輸過(guò)程中的誤碼率非常低，地面接收終端接收成功率達(dá)到90 %以上，能夠在模擬環(huán)境下進(jìn)行高精度定位和有效數(shù)據(jù)回傳。除此之外也驗(yàn)證了系統(tǒng)在灌封情況下進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)、低氣壓試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn)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(jì)、硬件電路及軟件控制三方面詳細(xì)介紹了一種基于SIM7600CE的智慧消防參數(shù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)將GSM通信技術(shù)與導(dǎo)航定位技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)位置姿態(tài)等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸處理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠?qū)⑾嚓P(guān)信息實(shí)時(shí)回傳至地面接收終端，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消防救援人員在復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下的位置信息、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及生命體征等參數(shù)的目的，為其生命安全保駕護(hù)航。這一設(shè)計(jì)為因無(wú)法及時(shí)獲取救援人員位置及生理信息而導(dǎo)致其無(wú)法安全撤離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的問題提供了一種解決辦法，且其可應(yīng)用范圍很廣，可以推廣應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、車載等場(chǎng)景需求。