基于北斗/GPS雙模定位技術的嵌入式無線車載監測系統研究

楊彩云

(國家鐵路局規劃與標準研究院，北京 100055)

隨著社會快速發展，定位系統越來越成熟，使用也越來越廣泛，而基于北斗和GPS的定位系統也在諸多領域有著廣泛應用，在工業環境惡劣的地理區域內，無線傳輸系統在GPS和北斗數據的傳輸中起了至關重要的作用，本文將闡述基于北斗和GPS雙重定位的無線網絡遠程車載監測系統，系統主要用于鐵路貨運槽罐車內部儲液溫度、壓力和地理位置信息的遠程監測；其目的在于保障鐵路液體貨物運輸安全，防止儲罐因溫度超限、壓力加大等可能引發危險，系統起到預警作用，確保鐵路儲罐運輸的安全。本文主要從系統構成、軟件實現和無線網絡遠程數據傳輸方法的軟件實現來介紹。

1 系統構成

系統主要由感知層、網絡層和應用層組成。感知層主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、液位計、北斗/GPS定位設備和車載監測單元；網絡層主要是指：車載監測單元的GPRS無線網絡系統；應用層主要是指：車載監測系統的中心控制平臺。如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 System diagram

車載監測單元的核心是STM32L152超低功耗32位CORTEX M3 控制器，車載監測單元的總體需求及設備端口資源需求歸納如下。

溫度、壓力：兩路模擬量輸入，分別實現油罐車罐體內壓力、溫度的采樣。信號輸入類型是4～20 mA模擬電流信號，另外有兩路預留。

閥門狀態監測：兩路數字量輸入信號，同時兩路預留。

車輛定位：一路GPS定位模塊通訊端口，一路北斗定位模塊通信端口。

無線傳輸：一路GPRS模塊通訊端口。

供電：采用電池供電，一次充電周期的使用時間為半年。

有3個串口，串口1與GPRS無線發射模塊連接，串口2和串口3與GPS和北斗衛星定位模塊連接。

通過客戶需求的詳細分析，制定了車載監測單元的軟件設計框圖，如圖2所示。

圖2 監測單元軟件模塊Fig.2 Software module of monitoring unit

2 定時中斷、低功耗處理以及外部中斷處理單元

2.1 定時中斷處理單元

定時中斷處理單元主要由采集、電源控制、數據處理和通信等模塊組成。

采集模塊主要是對溫度和壓力信息進行采集處理，采集電流量為4～20 mA，采集節點通過電壓量轉換成的電流量，經過計算公式，A= （25 ×D/ 4 096 - 4 ）×（M-N）/ 16 +N，其中D為AD采集數字量，M為量程最大值，N為量程最小值，STM32中AD為12位，因此量化值為4 096。模擬量濾波方法采用的是截尾均值法：采集n組數據，去掉最大值和最小值，n-2組數據再做平均，通過此種方法能有效的控制由硬件電路產生的擾動。

電源控制模塊是對電源電量進行智能控制，當電量低時首先進行電量低報警，當電量過低時，自動停止所有運行。

數據處理模塊主要處理采集的模擬量、電量和開關量等信息。

通信模塊對數據處理模塊的輸出數據以GPRS無線傳輸模塊傳給平臺系統。

2.2 低功耗處理單元

對于嵌入式系統，在處理器和操作系統被選定后，也就基本確定了系統框架。而在功率消耗上處理器是比重最大的一個部分，對于不帶顯示屏的嵌入式設備，微處理器的功率消耗幾乎是整個系統功耗的一半，甚至更多。因此在選擇處理器時，除了要注意其性能的優劣及所提供的接口和功能外，也不能夠忽視其功耗特性。

綜合考慮各方面因素，系統使用的是STM32L152芯片。在運行模式下芯片功耗低至185 μA/MHz，在休眠待機狀態下為0.29 μA/MHz，從休眠待機模式切換到運行模式僅需8 μs。當沒有中斷時，通過配置控制狀態使監測單元將進入低功耗模式。STM32L152有5種低功耗模式：低功耗運行模式、低功耗睡眠模式、睡眠模式、待機模式和停止模式。采用低功耗睡眠模式時，系統內核停止運行、外設保持運行。

1）低功耗睡眠模式的基本設置

設置LPSDSR位，使內部電源變換器在低功耗模式下工作，執行WFI/WFE指令。

設置SLEEP_PD位，使Flash模塊進入低功耗模式，保持系統時鐘設置在128 kHz以下。

內核供電VCORE配置供電電壓為1.5 V。

配置SLEEPONEXIT位，進入低功耗睡眠模式，選擇SLEEP NOW/SLEEP ON EXIT。

2）低功耗睡眠模式增強設置

設置寄存器RCC_AHBLPENR和RCC_APBxLPENR，使系統在進入睡眠模式時自動關閉不適用的外設和GPIO口的時鐘。

2.3 外部中斷處理單元

外部中斷處理單元主要用于監測閥門狀態，有兩路數字量輸入信號，且有兩路預留。系統監測主要是進行閥門監測，罐車閥門的開關狀態是非常關鍵的信息，通過雙重保險機制確保采樣的準確性，一是通過外部中斷產生“沿”的變化來觸發中斷；然后利用高低電平得出閥門狀態；二是通過定時讀取引腳的電平值，確定閥門狀態，從而達到雙重保障。

3 軟件設計

3.1 北斗/GPS定位部分的軟件設計

設備的衛星定位采用了GPS和北斗兩種定位模塊，實現了惡劣環境下定位信息的互相補充。北斗定位使用的是ublox的NEO-M8芯片；利用已配置好的芯片上傳頻率，通過串口智能上傳數據，通過協議中指定的位置，判斷數據是否為有效數據。GPS定位使用的是中興二合一模塊MG2639_V2，首先芯片初始化設置，然后按照配置信息利用串口定時上傳數據，利用有效位置來判斷數據的有效性，從而進行數據接收。GPS和北斗的定位模塊的通用協議如下：

美元符號“$”是語句起始標志；

半角逗號“,”是參數分隔符；

星號“＊”是校驗碼識別符；

其后面的兩位數為校驗碼。

校驗碼是“$”和“＊”之間所有字符進行異或和；

作為結束符，所有的語句是以回車來結束。例如：本系統中，GPS和北斗的數據處理采用了相同的處理模式。

3.2 GPRS無線通信網絡部分的軟件設計

GPRS模塊采用的是中興MG2639_V2二合一模塊，MG2639_V2是中興通訊研制的 GSM850/EGSM900/DCS1800/PCS1900 四頻工業模塊，支持多種無線網絡。

系統利用向控制串口發送一系列“AT指令”實現GPRS模塊建立網絡連接和數據的遠程發送，常用指令包括初始化命令、短信命令、GPRS命令和網絡命令。

4 物理搭建

車載監測單元的開發環境是Keil uVision4，開發語言是C，在系統運行調試時，車載監測單元的運行模式通過手機短消息進行配置，監測單元的主要告警信息以及全部模擬數字量信息的查看，采用專用網絡調試工具，具體物理連接如圖3所示。

圖3 系統物理連接圖Fig.3 Physical connection diagram of system

5 結束語

本系統是針對鐵路車載監控需求展開研究工作，隨著國內北斗衛星定位系統組網規模的逐步擴大，各行各業都在進行相關試驗項目，本項目研制的技術方案及形成的成果，能夠打造一套北斗衛星定位終端的公共硬件平臺，以該技術方案為依托，針對具體行業項目進行個性化優化調整，將能支撐幾乎所有行業基本應用需求，有廣闊的開發空間和應用前景。