基于SMS的單片機(jī)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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摘要:本文介紹了基于 SMS的單片機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),采用內(nèi)置 CAN控制器的 AT90CAN128作為控制器來(lái)實(shí)現(xiàn) J1939的數(shù)據(jù)采集功能,通過(guò)串口控制 GSM/GPRS模塊實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送,主要采集發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù),可以滿足高時(shí)效等要求。
1.引言
目前,工程機(jī)械不僅力求采用內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決各個(gè)系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的問(wèn)題,尤其因?yàn)樾枰?jīng)常工作在偏遠(yuǎn)地區(qū),工程機(jī)械希望結(jié)合電子通訊等行業(yè),采用發(fā)高性價(jià)比的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化的要求,汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始引入現(xiàn)場(chǎng)總線,并且形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)— J1939標(biāo)準(zhǔn)[6],并且相關(guān)的產(chǎn)品系統(tǒng)逐漸進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng);而短消息服務(wù)業(yè)務(wù) SMS作為 GSM網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù),具有:永遠(yuǎn)在線;不需撥號(hào);價(jià)格較便宜;覆蓋范圍廣等特點(diǎn),特別適用于小流量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。 GSM短信業(yè)務(wù)[2]、J1939數(shù)據(jù)采集[8]、無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)都是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,但是將三者結(jié)合起來(lái)的設(shè)備在國(guó)內(nèi)為數(shù)不多。將三者集合起來(lái),不僅可以解決單點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),更貫穿密集的網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn),使結(jié)構(gòu)更加靈活,又可以進(jìn)一步降低成本。本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就是綜合了以上三者的在工程機(jī)械上的一個(gè)應(yīng)用。安排設(shè)計(jì)了一個(gè)安裝在工程機(jī)械上的裝置,帶有符合 J1939標(biāo)準(zhǔn)[6]的 CAN總線接口以讀取總線上發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài),然后將這些信息定時(shí)通過(guò)GSM短信形式發(fā)送出去的監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)工程機(jī)械的使用有很多實(shí)際意義。整體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與發(fā)送的功能,用戶不僅可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)狀況,而且可以把相關(guān)參數(shù)以短消息形式發(fā)送給監(jiān)控中心,完成遠(yuǎn)程監(jiān)控,并且可以保存作為后期研究比較的依據(jù)。
2.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)本課題所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)是基于 GSM的短信業(yè)務(wù),并且采用 AT90CAN28作為控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的。總體結(jié)構(gòu)圖如下圖 1:
設(shè)計(jì)中主要研究的是監(jiān)控系統(tǒng)終端的硬件設(shè)計(jì),其中監(jiān)控中心可以是用戶手機(jī)也可以是載有 GSM模塊的 PC。
2.1、監(jiān)控終端的硬件模塊化設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 2
硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用了模塊化思想,將監(jiān)控終端分成五大模塊:電源、J1939數(shù)據(jù)采集、 GSM短信模塊、人機(jī)界面(包括鍵盤(pán)和液顯)和控制模塊。
控制模塊使用的單片機(jī)是 AVR出產(chǎn)的具有 RISC 內(nèi)核的 8位低功耗 CMOS微處理器,典型特點(diǎn):內(nèi)置 CAN控制器,顯著的節(jié)省了硬件資源 ,簡(jiǎn)化了程序代碼。而短信模塊選擇的是西門(mén)子公司的GSM/GPRS模塊MC35i;液晶顯示模塊則是選用了北京青云 LCM12864ZK,可顯示四行,每行 8個(gè)漢字。
a) 供電部分
由于 MC35I的工作電壓范圍是 3.3-4.8V,當(dāng) MC35i模塊啟動(dòng)后,經(jīng)過(guò)幾秒的延時(shí),模塊開(kāi)始搜索網(wǎng)絡(luò),這時(shí)需要超過(guò) 2A的驅(qū)動(dòng)電流(時(shí)間很短微秒級(jí)),如果驅(qū)動(dòng)不足,會(huì)引起模塊的突然掉電;車(chē)載電源輸出一般是 24V但是波動(dòng)很大,低壓可以到 12V高壓可以達(dá)到 40V ,為了更好的給單片機(jī)和通信模塊供電,選擇寬輸入 DC-DC模塊 PS12W24DC5D,輸出電壓穩(wěn)定在 5V左右,昀大提供電流為 2.4A,只要加一個(gè)二極管降壓就可以得到滿足通訊模塊要求的電壓輸出,可以避免當(dāng)模塊搜索網(wǎng)絡(luò)時(shí)驅(qū)動(dòng)電流不足的問(wèn)題。并且在電壓輸出端并聯(lián)一個(gè)大電容 22uF,起蓄流的作用,也能起到提高驅(qū)動(dòng)電流的作用,解決了驅(qū)動(dòng)不足時(shí)掉電的問(wèn)題。
b) 單片機(jī)與通信模塊的外圍設(shè)計(jì)
通信模塊 MC35i模塊[4]有 40個(gè)引腳,通過(guò)一個(gè) ZIF(零阻力插座)連接器引出。這 40個(gè)引腳可以劃分為 5類,即電源、數(shù)據(jù)輸入 /輸出、SIM卡、音頻接口和控制。主要電路有:
①、開(kāi)啟與關(guān)斷電路:
在接通電源后,MC35i 并不能自動(dòng)啟動(dòng),需要上電后在其 15引腳 IGT上提供 100 ms的低電平 MC35i才能正常啟動(dòng)。為了保證在復(fù)位以及人為操作時(shí)都可以是模塊激活,選擇了加了三極管反相控制的由單片機(jī) PE1控制的開(kāi)啟電路。至于關(guān)斷在正常狀態(tài)下采用軟件 AT指令實(shí)現(xiàn),故障期間硬件強(qiáng)制關(guān)斷則是控制 PD引腳低電平時(shí)間大于 3.5s。
單片機(jī)與通信模塊是通過(guò)串口通信的方式進(jìn)行信息傳輸?shù)?,如圖 3,通信模塊 MC35i的 16-23引腳數(shù)據(jù)輸入 /輸出端的 8個(gè)引腳分別為 DSRO,RINGO,RXDO,TXDO,CTSO, RTSO,DTRO,DCDO,它有固定的參數(shù) :8位數(shù)據(jù)位和 1位停止位,無(wú)校驗(yàn)位,波特率在 300-115000bps之間可以選擇,這里選擇默認(rèn)的 9600bps作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?,硬件握手信?hào)用 RTS/CTS,模塊串口支持標(biāo)淮的 AT命令集。單片機(jī)的串口要和 MC35i模塊串口相連,但由于 MC35i模塊的串口高電平是 2.65V,單片機(jī)的串口高電平為 5V,因此 RXDTXD腳不能直接和單片機(jī)相連,可以采用采用 TI公司的電平轉(zhuǎn)換芯片 LVC245解決上述問(wèn)題;設(shè)計(jì)中采用實(shí)際與理論相結(jié)合的方式,在從 MC35i到 MCU的方向加了驅(qū)動(dòng)門(mén)電路 7407。
②、SIM卡電路:
模塊的24-29管腳為SIM卡引腳,分別為CCIN,CCRST,CCIO,CCCLK,CCVCC, CCGND,其中 CCIN引腳用于檢測(cè) SIM卡插槽中 SIM卡是否插入正常,如果正常插人, CCIN腳會(huì)輸出高電平,如果插人異常,CCIN引腳會(huì)維持低電平,模塊會(huì)在 CCCLK的周期下定時(shí)檢測(cè) SIM卡,因此 CCIN腳會(huì)定時(shí)出現(xiàn)一個(gè)跳變 ,可以用作檢測(cè) SIM存在與否的依據(jù);CCVCC引腳是 MC35i模塊為 SIM卡提供的供電電源,2.9v左右。
③、狀態(tài)檢測(cè)電路:
調(diào)試階段,采用三極管驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管,通過(guò)二極管明滅狀態(tài)及時(shí)間來(lái)查表獲得工作組態(tài);成品設(shè)計(jì)中的下位機(jī)使用液晶顯示,從液晶上直接顯示各種工作狀態(tài),簡(jiǎn)化了硬件,只需加一個(gè)上拉電阻,采用雙向口 PE3與之相連,通過(guò)軟件讀取引腳狀態(tài)來(lái)判斷 MC35I的工作組態(tài)。
2.3 CAN驅(qū)動(dòng)與通信電路設(shè)計(jì)
CAN總線通信與驅(qū)動(dòng)部分的硬件由:微控制器 AT90CAN128、CAN總線驅(qū)動(dòng)器 PCA82C250以及高速光電耦 6N137構(gòu)成,主要實(shí)現(xiàn)從 CAN總線上按照 J1939協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采集實(shí)時(shí)信息[9]。在數(shù)據(jù)的接收過(guò)程中,數(shù)據(jù)從 CAN總線上經(jīng)過(guò)接口(一般是 DB9系列)進(jìn)入 82C250收發(fā)器,再經(jīng)過(guò)高速光電隔離芯片 6N137的隔離進(jìn)入 CAN控制器。通過(guò) 6N137進(jìn)行光電隔離以提高總線的抗干擾能力。
3.軟件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)同樣本著模塊化和功能昀小實(shí)現(xiàn)的原則,主要包括監(jiān)控中心軟件、監(jiān)控終端軟件。監(jiān)控中心軟件主要由串口通信模塊、管理模塊、用戶操作界面和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)四部分組成??梢詫?shí)現(xiàn)的功能有:短消息的提取與存儲(chǔ),數(shù)據(jù)的分析處理和顯示,對(duì)異常數(shù)據(jù)的聲光報(bào)警,數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、統(tǒng)計(jì)及報(bào)表輸出等。監(jiān)控終端則主要包括:符合 J1939數(shù)據(jù)采集與處理、人機(jī)界面軟件、與 GSM短信編碼與發(fā)送。實(shí)現(xiàn)功能:實(shí)時(shí)采集、運(yùn)行監(jiān)控、液晶顯示、發(fā)送及控制以及聲光報(bào)警等。
4.總結(jié)隨著
J1939與移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展,移動(dòng)終端及 CAN總線采集設(shè)備的普及應(yīng)用程度越來(lái)越高,而基于短消息的增值服務(wù)的前景越來(lái)越光明。基于短消息和 J1939的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)將有線傳輸?shù)牡土c無(wú)線傳輸?shù)谋憷袡C(jī)結(jié)合了起來(lái),有效降低了系統(tǒng)建成和運(yùn)營(yíng)成本;同時(shí)由于 J1939通信穩(wěn)定可靠,也在一定程度上減少了系統(tǒng)出錯(cuò)的概率。因此,該系統(tǒng)在車(chē)載監(jiān)控、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等領(lǐng)域具有一定的實(shí)用價(jià)值。
但是,由于 SMS的費(fèi)用及傳輸?shù)娜秉c(diǎn)局限:容量限制(每條短信內(nèi)容昀多 140個(gè)字節(jié));網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)短信延遲長(zhǎng)等,只適于傳輸小流量的數(shù)據(jù)。而建立在 GSM基礎(chǔ)上的 GPRS恰恰具備了實(shí)時(shí)性強(qiáng)、快速性等等優(yōu)點(diǎn)。故在實(shí)時(shí)性要求較高或數(shù)據(jù)量較大的應(yīng)用場(chǎng)合,使用 GPRS代替短消息作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)將更為合適。