高速公路沿線供電線路故障短信息報警電路設計研究

曹德林,于 彤

(遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015)

1 應用背景及意義

高速公路沿線機電設備供電距離較長,供電線路若出現短路、斷路等問題,將直接影響機電設備正常運行。因此,第一時間排除故障,恢復供電是日常維護工作的重中之重。維護中,可以通過傳感器采集故障信號、信息傳輸、監控室PC機接收故障信息三個步驟完成報警過程,進而做出命令指示。研究通過對移動通信模塊進行開發,設計出一套短信息報警電路解決上述信息傳輸問題。該電路在2G、3G、4G、5G制式下均可實現短信息傳輸,在移動蜂窩網絡覆蓋區域較為寬闊的情況下,可以實現快速高效的信息傳輸。實際應用中,維修人員只需隨身攜帶移動電話即可接收故障信息,實現實時監控。

2 短信息業務實現

移動通信系統實現各種數據交換,推動著數字化、大數據技術快速向前發展。短信息業務作為無線數字通信系統基礎業務,主要依靠通信系統基本架構、接口標準、AT指令集應用來實現。

2.1 通信系統基本結構及接口標準

GSM作為一個覆蓋范圍很大的系統,其構成包括基本結構和不同的接口標準。GSM通信網主體結構見圖1,GSM接口標準見圖2,相關英文簡寫解釋見表1。

圖1 GSM系統基本結構

圖2 GSM通信系統中的接口

設計相關產品時,需要考慮通用性,上述各部件接口的連接須嚴格執行接口標準要求。GSM通信系統采用的接口標準是公用陸地移動通信網(PLMN),利用7號信令支持PLMN接口完成數據的傳送。

2.2 基于無線通信網絡下的短信息業務

短信息業務SMS (Short Message Service)采用SMSC(短消息服務中心)的存儲和轉發機制,保證短信息可以被暫時留存,并且可以完成雙向通信功能,連續工作時間達24h。當接收端用戶重新開始正常運行時,SMSC會立即將短消息發送給接收端用戶,發送成功后,會返回發送端一個確認收到的信號。

2.3 AT指令在短信息業務方面的應用

短信業務的實現主要依靠外圍設備通過AT指令集的控制。其中,AT指令集是GSM通信模塊實現通信及相關功能的指令語言,可實現外部設備與GSM通信模塊的通信連接,部分AT指令集見表2。此項功能由歐洲通信技術委員會(ETSI)提出,經過漫長發展并融入GSM07.05標準和GSM07.07標準[1],形成了目前功能比較完備的AT指令集。一條功能完整的AT指令以AT開頭,以回車結尾,并且在完成一條AT指令時,系統會返回一條指令表示已經完成。當遇到有人撥號、線路無信號等特殊情況時,模塊也會給出提示信息,要求做進一步指示。

表2 部分AT指令集

3 通信模塊的采用與外部電路設計

該設計中,GSM通信模塊采用SIM900A通信模塊,其他通信模塊外部電路設計思路相同,注意接口設計即可。SIM900A通信模塊具有體積小、成本低、能耗低的優點,可以實現短信息業務、電話服務和數據服務,預留引腳接口還可實現功能擴展。

3.1 通信模塊基本結構及參數組成

GSM通信模塊主要包括GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、GSM基帶處理器、閃存、ZIF連接器、天線接口六大部分。其中,GSM基帶處理器是整個模塊的“心臟”,其主要功能是處理GSM終端內的短信、語音及數據信號,并且涵蓋了移動蜂窩系統射頻設備中的全部模擬和數字功能。在不需任何額外硬件電路的條件下,可支持FR、HR及EFR語音信道編碼[2]。

SIM900A模塊基本參數:

(1)電源:3.2～4.8V;

(2)傳輸類型:聲音和數據;

(3)數據傳輸率:9600bps或19200bps;

(4)頻率范圍:雙波段900MHz和1800MHz;

(5)數據接口:標準RS232雙向傳輸或紅外接口。

3.2 通信模塊外部電路設計

SIM900A采用單電源供電,供電接口為3個VBAT引腳,供電電壓范圍在3.2～4.8V。由于SIM900A通信模塊工作時產生的電流可達2A,故電源供電能力不能低于2A,需做必要的穩壓濾波設計。模塊全部GND引腳接地,并對引腳net LED、VRTC、NRESET、VDD EXT、TXD-O、RXD-I、RI、PWRKEY、SIM-VDD、SIM-DATA、SIM-CLK、SIM-RST做了必要的外部電路擴展設計,詳見表3。其中與SIM相關的引腳需要引出并連接到SIM卡槽上,SIM900A模塊電源與卡槽電源引腳連接,復位引腳對應連接且中間接22k歐姆電阻,時鐘引腳對應連接且中間接22k歐姆電阻,SIM900A模塊數據引腳與卡槽數據I/O口引腳連接。

表3 SIM900A部分引腳及其描述

4 通信接口硬件的設計

SIM900A通信模塊可與PC機、單片機、PLC實現通信的前提是通信接口電平一致且串口波特率一致。對于單片機和通信模塊SIM900A而言,二者引出的數據接口電平是5V TTL,若對通信距離有一定要求,則需要進行串口轉化。

4.1 單片機與通信模塊的接口設計

下位機中,單片機接收傳感器采集故障信號,進而與SIM900A模塊建立通信聯系。單片機和通信模塊SIM900A的TTL接口電平是5V。考慮到通信距離較近,在電路設計時直接將兩芯片建立了物理連接,即單片機引腳TXD接GSM模塊的引腳RXD,單片機的引腳RXD接通信模塊的引腳TXD,GND對應連接即可。此外,兩模塊也保留了RS232接口,目的是方便日后產品功能升級,并防止實際設計中因二者距離增大而影響通信功能的實現。其中,完成接口轉換的芯片是美信公司生產的MAX232芯片,該芯片的主要功能是將TTL電平轉換成RS232電平[3]。

4.2 PC上位機與通信模塊的接口設計

PC上位機與SIM900A通過AT握手指令建立通信聯系后,即可實現故障信息的接收,或在接收號碼設計中添加責任人、維修人員電話號碼也可實現故障信息的接收。PC上位機與GSM通信模塊實現通信的方法有兩種,一是可以將USB接口轉化為TTL電平接口;二是可以將USB接口轉換成RS232接口。考慮到RS232接口適配性較強,設計保留第二種方案。該方案可以通過兩個步驟實現,首先將USB接口轉換成TTL電平接口,再將TTL電平轉換成RS232接口即可完成轉換。其中,TTL電平轉換RS232采用MAX232芯片實現,而USB接口轉換TTL接口采用CP2102芯片。

5 結論

文章兼顧經濟安全、高效快捷的應用需求,對通信模塊進行功能開發,設計出一套遠程短信息報警電路,對實際工作中涉及的單片機、PC機接口問題進行設計和規范。該電路設計致力于解決高速公路沿線供電故障報警問題,通過無線通信系統將故障信息回傳至控制室和責任人,可在第一時間提供故障解決方案。