基于GPRS无线网络的嵌入式远程车载监测系统
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摘 要：按照石化公司的要求，设计了一个基于gprs无线网络与嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ的远程车载监测系统，用于监测槽罐车槽罐储液温度及其地理位置信息。车载终端采用虚拟IP无线网络技术以及GPS卫星定位技术。数据监测中心设计了基于UDP协议的GPRS数据接收软件并采用Access数据库链接技术，成功实现了远程车载信息的现场采集与异地接收。最后给出了系统的运行结果。
关键词：GPRS网络； GPS； 数据库； 车载监测系统
中图分类号：
TN711-34
文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)19
-0124
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Embedded Remote Vehicle-mounted Monitoring System Based on GPRS Wireless Network
ZHANG Le, ZHOU Yan
(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)
Abstract： According to the request of Petrochemical Corporation, a remote vehicle-mounted monitoring system based on GPRS wireless network and embedded operation system uC/OS-Ⅱ was designed to monitor stock solution temperature and position of oil tank on the train. The vehicle-mounted terminal adopted virtual IP wireless network technique and GPS satellite positioning technique. The data monitoring center designed GPRS data receiving software based on UDP protocol and used Access database chaining technique to realize on-site data gathering and data receiving at another place successfully. In the end, the operation result of this system is proposed.
Keywords： GPRS network; GPS; database; vehicle-mounted monitoring system
收稿日期：2011-04-06
0 引 言
随着后PC时代的到来，嵌入式系统的应用已经越来越普遍，而基于GPRS无线网络的远程监测系统也在诸多工业工程领域有着广泛应用［1］。本文将阐述基于GPRS无线网络的嵌入式远程车载监测系统，用于槽罐车槽罐储液温度以及地理位置信息的异地远程监测，其目的在于使石化公司及时掌握运输途中的储罐的温度随时间、地点的变化状况，为防止储罐因温度超限引发危险而起到预警作用，确保储罐铁路运输的安全。本文重点介绍其系统构成与车载GPS卫星定位技术以及远程数据的无线网络传输实现方法。
1 系统实现方案与构成
整个车载系统可以分为车载终端和监控数据中心两个部分，如图1所示。车载终端的核心是三星公司推出的16/32位RISC微处理器S3C2440A。它有三个串口，其中串口1接GPRS无线发射模块，串口2接GPS卫星定位模块，由其自带的A/D转换接口来完成模拟信号向数字信号的转化。采集完成的定位数据与温度数据通过GPRS无线网络发送到远程数据监控中心，监控中心将接收到的数据存入本地数据库，以供查询和参考。
2 车载终端数据采集模块与GPRS无线发射模块的设计
2.1 车载终端数据采集模块的设计
车载终端数据采集模块包括槽罐储液温度与GPS卫星定位数据的采集。其电路原理图如图2所示。图中左端为温度采集原理图，使用温度变送器可以将槽罐储液温度转化为0~40 mA的标准电流输出，电流经过变阻器后就可以将其转变为可供ARM微处理器处理的模拟电压，电压值范围应控制在0~3.3 V。图2右端为GPS数据采集原理图，GPS接收机采用台湾鼎天国际最新推出的GPS导航模块REB-1315。
模块的供电电压为直流3.3 V，由直流5 V通过LM1117芯片转化后得到。19脚GPS_RF_IN为GPS信号输入端，接GPS接收天线，并由模块自身的17脚RF_VOUT信号为其提供偏置电压，来保证天线的正常工作。4脚TXA为模块的串口发送信号，它是模块主要的数据传输通道，被用来输出定位数据，本设计利用其得到定位信息。由于REB-1315模块的输出为TTL电平，故使用MAX232将信号电平转换为RS 232电平。为了方便，这里使用DB9的1脚为模块提供5 V的直流输入电压。当模块GPS天线接好并上电正常工作后，GPS定位数据就会连续不断地从4脚输出。图2右侧为A/D采集接口，温度变送器标准输出为0~40 mA，经过变阻器将其转化为0~3.3 V的模拟电压后送到S3C2440A的模拟通道AIN0进行A/D转换。
2.2 GPRS无线发射模块的设计
车载终端的GPRS模块采用华为EM310模块，基于EM310模块的GPRS无线发射模块的电路原理图如图3所示。模块的供电电压为3.8 V，1~6管脚为SIM卡控制接口，13管脚为网络连接状态指示接口，串口0用于和MCU进行通信。
3 车载终端的软件设计
本系统软件编写语言为C语言，借助ARM Developer Suite v1.2集成开发环境进行编译和调试。这是一个多任务系统，终端需要同时完成温度采集、GPS卫星定位数据的采集和GPRS数据的无线发送工作，为了满足系统需要，采用嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ来实现多任务的调度。操作系统的设计流程如图4所示。
操作系统一开始要完成对车载终端硬件电路板的初始化工作，然后是初始化μC/OS-Ⅱ。μC/OS-Ⅱ是实时操作系统，它对系统时钟有着非常严格的要求，所以接下来要初始化系统的时基。为保证操作系统的可移植性与完整性，这里将串口初始化和中断等初始化工作放在初始化任务MainTask中来完成。最后启动操作系统。车载终端的温度采集、GPS卫星定位数据采集和GPRS数据无线发送，作为三个独立而紧密连接的任务在MainTask中建立，且这三个任务的优先级依次降低。主任务MainTask的设计流程图如图5所示，先初始化时钟节拍，因为操作系统当中的所有任务都是在时钟节拍的作用下准确执行的。然后建立内存分区以及串口消息队列，最后建立并执行多任务。这里利用了│C/OS-Ⅱ操作系统的消息邮箱机制，把A/D采集结果和GPS卫星定位数据依次投递到消息队列当中，在GPRS任务执行时再从消息对列中将它们分别取出来发送。
图3 GPRS无线发射模块的电路原理图