（交通信息工程及控制专业论文）基于GSMGPS的工程机械远程监控与全球定位.pdf

摘要 以挖掘机为监控对象，结合目前成熟技术，选用g s m 、g p s 、p p i 等模块，研制了一套“工程机械全球定位与远程监控系统”，系统由 远程数据采集终端和上位机监控系统组成。能实现工程机械远程数据 采集、全球定位、参数监控、报警及信息查询等多种功能。论文主要 研究成果如下： 1 设计了基于g s m g p s 的工程机械远程数据采集终端。该终端以 单片机作为控制器，g s m 作为与外部通信部件，g p s 作为全球定位信 息采集部件，p p i 作为与工程机械p l c 数据交换接口，通过多路通信 。接口实现信息互不干扰传输。 2 根据挖掘机的具体功能需求，制定了一套实用的通信协议，采 用汇编语言编写运行软件，实现了信息安全认证、p l c 控制参数与g p s 定位数据的实时采集及短信收发等功能。 。 3 基于l a b w i n d o w s c v i6 0 开发了上位机监控软件，该软件实、 现了远程数据采集、显示，历史数据显示及查询、报警等功能。 4 通过导入地理信息系统开发控件m a p x ，研究了动态目标位置显 示和跟踪的l a bw i n d o w s c v i 方法，实现了工程机械的全球定位要求 和位置实时动态显示，通过数据绑定实现了对工程机械的各种信息的 实时查询。 关键词：远程监控；工程机械；短消息；数据采集；全球定位 多 年 0 a i n t e l l i g e n ts y s t e mi ng l o b a lp o s i t i o n i n ga n dr e m o t em o n i t o r i n gf o rc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r yh a sb e e nd e v e l o p e d e c li th a st a k e nt h eg r a bm a c h i n ea st h em o n i t o r i n g o b j e c ta n ds e l e c t e ds o m oa d v a n c e dt e c h n o l o g y , s u c ha sg s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b h e ) ，0 p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) ，p p i ( p o i n tt op o 缸i n t e l f 目u ? , e ) t h es y s t e m i sm a d co f ar e m o t ed a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a la n da m o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hp o s s e s s e s m u l t i f u n c t i o ni nr e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n , g l o b a lp o s i t i o n , s t a t u sm o n i t o r i n ga n da l a r m ， a n di n f o r m a t i o ni n q u i r y 1 1 坞m a i nr e s e a r c ho u t e o n c sa r e 鹤f o l l o w s ： 1 b a s e do ng s m g p st e c h n o l o g y , t h ed a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a lh a sb e e n d e s i g n e d f o ri n s t a n c e ：m c ui su s e da st h ec o n 灯o h e r ，g s ma st h ec o m m u n i c a t i o n c o m p o n e n t , g p sa st h eg l o b a lp o s i t i o nc o m p o n e n t ，p p ia st h ed a t ae x c h a n g ei n t e r f a c e w i t hp l cc o n t r o l l e r ，a n dt h e yc o m m u n i c a t et h r o u g ht h e i ro w nc h a n n e l sr e s p e c t i v e l y w i t h o u td i s t u r b a n c e ， 2 a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lf u n c t i o nd e m a n d so ft h eg r a bm a c h i n e , as e r i e so f p r a c t i c a lc o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o lh a sb e e nm a d e t h r o u g ht h ea s s e m b l yl a n g u a g c ，t h e w o r k i n gs o f t ：w a r e h a sb e e np r o g r a m m e df o rr e a l i z i n gt h ei n f o r m a t i o ns e c u r i t y a u t h e n t i c a t i o n , g a t h e r i n gr e a l - t i m ed a t a so ft h ep l c ss t a t u sp a r a m e t e r sa n dg p s p o s i t i o n , r e c e i v i n ga n ds e n d i n gs h o r tm e s s a g eb yg s m 3 b yu s i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n ts o f b , v a r e , l a bw i n d o w s c v i6 0 ，am o n i t o r i n g s o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e df o rt h ew o r k i n gm a c h i n e t l l i ss o r w a r ec a nf i n i s ha l lt h e t a s k si nr e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n , d e m o n s t r a t i o n , o r i g i n a ld a t ad i s p l a y , t h eg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ni n q u i r y , a l a r ma n ds o0 1 1 4 b yi n p u t t i n gt h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n tc o n t r o l - - m a px c o n t r o l , t h et h e s i sp u t sf o r w a r dal a bw i n d o w s c v im e t h o do fp o s i t i o ns h o w - a n d - f o l l o wd y 越m i cg o a l , m e e t st h er e q u e s to ft h eg l o b ep o s i t i o na n dr e a l - t i m ep o s i t i o n s h o wo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , i na d d i t i o n , t h er e a l - t i m ei n q u i r yo fd i f f e r e n t i n f o r m a t i o nw i l lb em a d ep o s s i b l yi nc o n s t n 埘o nm a c h i n e r yt h r o u g hd a t ab 1 d i n g k e yw o r d ：r e m o t em o n i t o r i n g ；c o n s t r u c l i o nm a c h i n e r y ；d a t aa c q u i s i t i o n ；g l o b e p o s i t i o n ；s h o r tm e s s a g es e r v i c e i i -k， 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：塑堕垫日期：兰尘年卫月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：勤堕丝导师作者签名：堑嘞椒导师 e i 藏j 笪年卫月日 ： j ； 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着建筑施工规模的扩大，对工程机械的需求量迅速增加，因而对 其可靠性、维修性、安全性和燃油经济性也提出了更高的要求。随着微电子技术 在不同领域的应用深入，现代工程机械日益向智能化和机电一体化方向发展。 工程机械产品由于其系统复杂，工作环境恶劣，通常高负荷、长时间运行，因此 系统常出现各种故障。而一旦作业中出现技术问题，就要派出专业技术人员前往 现场进行抢修，以免影响施工的正常进行但多数情况下，技术人员对作业现场 的机器状况和运行参数了解甚少，难以制定出具有针对性的维修方案。如等技术 人员到达现场后再决定，不仅人力资源浪费严重，而且由于所带检测设备有限， 致使维修效率低下如能对机器进行在线监测，通过对关键参数的分析及时发现 故障隐患，就可将故障消除在萌芽状态；而且一旦出现故障，也能及时诊断出故 障原因，有针对性的组织技术人员或现场操作人员进行维修和维护，减少故障时 问，提高产品工作时间。另外，在开展租赁业务中，利用卫星定位技术和远程监 控可以随时了解机器在全国甚至全球的分布情况，对缺乏诚信的客户进行记录并 采取相应措施对其作出适当的回应可见全球定位和远程监控对工程机械的正常 维护和使用具有重要意义。 工程机械远程监控系统利用计算机检测技术嘲、无线通信技术嘲( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l e ，g s m ) 和全球卫星定位技术田( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ， g p s ) ，对正在工地上施工的工程机械的运行状态、位置及施工进度进行检测，并 将检测结果传送回监控中心进行统计、分析，以利于监控中心的专家对其进行远 程指导，优化机械化施工组织和管理水平，从而提高经济效益。 如图1 - i 是一种基于g s m g p s 的工程机械远程监控系统的示意图。工程机械 远程监控系统通常由机载信号采集系统、g p s 卫星定位信号接收装置、无线数据 通信系统和监控中心四部分组成 1 ) 机载信号采集系统。在工程机械上安装必要的传感器，把需要检测的机 器状态信号转换为电信号，经过a d 转换为数字信号后，采集到计算机或p l c 控 制器删中本系统中挖掘机控制器采用西门子$ 7 - - 2 0 0 眦。监控参数采集到p l c 后，再通过自由口协议传输到机载系统单片机存储器中嗍 2 ) g p s 卫星定位信号接收装置g p s 卫星定位系统是由美国实施和管理的全 球卫星定位系统，该系统由围绕地球运转的2 4 颗卫星组成，这2 4 颗卫星分别在 图1 - 1 基于g s m g p s 移动目标的监控系统 6 个轨道上运行，它们在不停地向地球发射定位信号。工程机械上g p s 定位信号 接收装置收到卫星信号后，自动计算出机器所处的经纬度，并存储到机载系统存 储器中n 1 1 。 3 ) 无线数据通信系统。g s m 是目前国内覆盖面最大、系统可靠性最高、话机 保有量最大的数字移动蜂窝通信系统，它以统一的方式向各地用户提供所有电信 业务的国内和国际漫游，能提供数据、短消息等多项服务。由于监控对象在不停 地移动中，车载计算机只能通过无线通信系统，才能把检测到的机器状态数据和 位置信息传输到监控中心“4 利用g s m 网传输g p s 定位信息是一种最经济、最合 理、最有效的传输手段删。 4 ) 监控中心。监控中心是整个监控系统运行的管理中心旧。其作用是：根 据需要向车载计算机发布指令指令包括：监测的项目、监测次数及间隔时间、 。锁车”及“解车”。接收车载计算机传回来的数据。计算机接收到数据后， 自动对其进行分解、存储、显示，发现超标量自动报警。进行历史数据图形化 查询、报警、地理信息查询等功能，并能实现p l c 控制程序的远程下载和参数修 改等功能。 1 。2 工程机械远程监控的研究现状 1 2 1 g p s g s m g i s 技术的发展与应用 g p s 是美国从本世纪7 0 年代开始研制的一种全球定位系统。历时2 0 年，耗 资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成。该系统具有在海、陆、空进行全方位实时 三维导航与定位的能力，是继子午仪之后的新一代卫星导航与定位系统。随着全 2 j ， ； 球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前 已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活嘲。 美国和俄罗斯( 原苏联) 在世界上首先建成全球卫星导航系统( 分别称为g p s 和g l d n a s s ) 。现在欧洲准备建立第三个系统，叫做g a m e o 。人们相信三个系统应 该是相互兼容的。换句话说，用户希望捕获到三个系统任意组合的信号，均能实 现定位。g p s 系统具有以下特点t 1 ) 全球、全天候工作 能在任何时间和地球表面任何地方为用户提供连续、实时的三维位置，三维 速度和精密时间。不受天气等外界条件的影响。由于用户不发射信号，只是接收 卫星播发的信号，因而用户数量无限。 2 ) 定位精度高 g p s 通常提供两种服务，即标准定位服务( s p s ) 和精确定位服务( p p s ) 对 应的信号调制方式为c a 码和p 码( 又称粗码和精码，或者民码和军码) ，它们 之间的差别主要是在码长和码的位速率上明显不同，因而定位精度也有很大区 别，可以说有数量级的悬殊 利用c a 码的实时定位精度可达2 0 5 0 m ( 差分时为l l o m ) ；速度精度为 0 1m s ( 利用特殊处理可达0 0 0 5 m s ) ；相对定位可达毫米级；u t c 的准确度 优于l o o n s ，时间稳定度优于l o n s ；利用g p s 测角( 航向与姿态) 可达0 1 5 毫 弧度的精度。目前单机定位精度通常优于2 0 米，采用不同的差分定位方式，精 度可分别达到米级、亚米级、厘米级和毫米级 3 ) 易于组成更为理想的组合系统 g p s 的设计考虑了兼做通信、核试验检测等功能，且可方便的用于c n i ( 通 信导航识别) 、e i ( 指挥通信控制和情报) 等综合系统。g p s 与其他传感器或其 他无线电导航设备可获得更为理想的组合系统，其性能和可靠性可大大提高 4 ) 功能多，应用广 g p s 是军民两用的系统，其应用范围极其广泛。g p s 不仅在测量、导航、测 速、测时等方面得到了广泛的应用，它还会在一定程度上改变人们的生活方式。 6 s m 是在蜂窝系统的基础上发展而起来的第二代数字移动通信系统6 s m 具 有标准国际化、业务多元化、漫游全球化、手机个性化等特点陋哪 短潸息业务( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ，s 煅) 是通过g s m 网的控制信道传输 用户分组信息的一种增值服务，经短消息业务中心完成存储和前转功能，每个短 消息的信息量限制为1 4 0 个字节，特别适合信息量不大的业务数据，短消息业务 的优点是传输速度快，单个数据传输价格便宜，不占用话音通信通道。利用短消 息业务进行远程数据采集与控制，在移动设备、桥梁、水利设施及家庭智能系统 3 的监控等领域得到了广泛的应用咖 g s m 是目前国内覆盖面最大、系统可靠性最高、话机保有量最大的数字移动 蜂窝通信系统，它以统一的方式向各地用户提供所有电信业务的国内和国际漫 游，能提供数据、短消息等多项服务利用g s m 网传输g p s 定位信息是一种最经 济、最合理、最有效的传输手段，所以，将g p s 与g s m 有机地结合起来，充分发 挥各系统多业务服务的特点和资源优势，能以最小的投资和运营费用实现移动目 标的监控、报警、定位和联网洲。 地理信息系统( g i s ) 是在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信 息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、 管理、决策和研究所需信息的技术系统。或者简单地说，g i s 就是综合处理和分 析空间数据的一种技术系统。地理信息系统的发展始于2 0 世纪6 0 年代，当时国 外从空间数据的地学处理入手，开始了对其技术和方法的研究。世界上第一个g i s 是1 9 6 3 年t o m l i n s o n 等人建立的加拿大地理信息系统c g i s ，用于自然资源的管 理与规划。到了7 0 年代，由于计算机处理能力的飞速发展和环境、资源等问题 的日益突出，g i s 技术开始进入实用阶段，出现了g i s 应用系统。8 0 年代是g i s 大发展的时期，技术逐渐走向成熟，专业制造商开始出现，商业化的实用系统进 入市场，应用领域迅速扩大。 利用g i s 的电子地图和空间分析功能实时的接收g p s 的定位信息，可以组成 电子导航系统、交通监控系统、车船自动导航系统等咖。 1 2 ，2g p s g s n gis 技术在工程机械远程监控中的应用 移动目标的定位，最早出现在日本。8 0 年代中期，美、英、以色列以及国内 相继开发这方面的工作、也出现了几种定位技术方案及相应的产品1 9 9 7 年出现 了将6 p s g s m g i s 以及计算机网络相结合的系统删，它具有机动车辆的导航、 调度、管理、防盗、防抢、救助等功能，能够很好地满足生产，指挥调度系统的 管理以及车辆防盗、报警、求助的需要。它利用g p s 系统解算车辆的位置，通过 g s m 蜂窝移动网向监控中心报告车辆的位置、状态等信息，中心的g i s 地图监控 系统显示车辆的准确位置。受过训练的专业人员为使用者提供管理、调度、救生、 咨询等服务，使司机的生命安全得到保证，对集团用户则可以提高车辆的运营效 率，降低运营成本 随着计算机技术、通信技术及g p s 、g s m 技术的发展，国外一些著名的工程 机械公司在故障诊断、远程监控系统及整机智能控制方面取得了较大进展。例如 卡特彼勒公司利用g p s 全球卫星定位系统、g i s 和g s m 技术进行工程机械的远程 监控，并将其计划命名为“采矿铲土运输技术系统( 哐t s ) ”m e t s 包括多种多样 4 强睇4 。 的技术产品，如无线电数据通信、机器监测、诊断、工作与业务管理软件和机器 控制装置等，由计算机辅助铲土运输系统( c a s e ) 、关键信息管理系统( v i m e s ) 以 及c a s e0 f f i c s 软件三部分组成。 卡特彼勒公司9 0 年代开发的f 系列和g 系列装载机都安装有电子计算机监 控系统s ) ，用于取代e 系列装载机上安装的电子监控系统( 酬s ) 其司机台上 装有条形液晶显示屏，微机监控系统能同时监控发动机燃油液面高度、冷却水温、 变速箱油温和液压油温等1 1 种功能。该监控系统还具有故障诊断能力，并可向 司机提供三级报警。1 9 9 8 年推出的c a t 9 5 0 g 计算机监控系统还配备有c a t 指导诊 断系统和以维修工具为基础的c a t 软件包，使维修人员坐在汽车里用笔记本电脑 就能迅速而容易地诊断和排除故障。c a t 9 9 2 g 在监控装载机各功能状况并作出诊 断的同时还能把这些信息数据作为履历记录下来，无线传送到办公室用计算机进 行分析，从而防患于未然3 a t 9 9 4 d 安装有关键信息管理系统( v i 惦) ，可密切监 视机器的健康状态并诊断故障。集成网络控制系统通过显示在机载计算机屏幕的 出错信息，提示司机出错原因，并以信号表示发动机、液压系统、电气和电子系， 统的各种状态。目前，该系统已安装在l 1 3 5 0 型矿用装载机上 沃尔沃( v o t v o ) 公司的l 系列装载机上也安装有1 4 a t r i s 软件包，用以监控和 分析装载机的工作状态：其小型装载机上配有电子伺服控制及信息系统( e s i s ) ， 。 由液晶显示屏和键盘组成，用来显和记录各种信息，其自动诊断功能记录机器故 障并储存所有相关信息，通过编码可以防盗。 凯斯( c a s e ) 公司2 1 b 、c 系列装载机也采用计算机监控系统，其微处理器安 装在司机座椅的右侧，也具有故障诊断和工作状态液晶显示功能 目前我国一些大型工程机械制造商开始着手该方面的研究工作，并取得了一 定的研究成功n 一 1 3 选题的背景及意义 工程机械具有野外作业和场所不定的特点。一旦作业中出现技术问题，就要 派出专业技术人员前往现场进行抢修，以免影响施工的正常进行。但多数情况下， 由于技术人员对作业现场的机器状况和运行参数了解甚少，难以制定出具有针对 性的维修方案如等技术人员到达现场后再决定，不仅人力资源浪费严重，而且 由于所带检测设备有限，致使维修效率低下如能对机器进行在线监测，通过对 关键参数的分析及时发现故障隐患，就可将故障消除在萌芽状态；而且一旦出现 故障，也能及时诊断出故障原因，有针对性的组织技术人员或现场操作人员进行 维修和维护，减少故障时间，提高产品工作时间。 另外，随着工程机械的日益大型化，单台机械的售价也越来越高。为了促进 5 销售，“以租代售”或“先租后售”的销售方式在西方国家日益流行例如美国 卡特彼勒公司生产的工程机械通过“金融租赁”的方式销售出去的比例大于6 0 。 但是这种销售方式在国内却很难开展，其中一个重要原因是部分公民的“信誉意 识”低，租赁方不能按照合同要求定期返款；租赁方在租赁期不能合理使用机械， 降低了设备的残值，损害了出租方的利益。工程机械远程监控系统的使用为销售 企业加强对租赁期或分期付款期的设备的管理提供了有效手段。销售企业通过该 系统可清楚地了解机械每天的工作时间、工作强度、工作地点、机械运行状态， 还可向逾期不返款的机械发出“锁车”指令，使机械不能工作或失去部分功能。 待返款后，发出“解车”指令，恢复其正常工作 “ 可见全球定位和远程监控对工程机械的正常维护、使用和管理具有重要意 义。 1 4 研究内容及结构安排 。工程机械全球定位与远程监控系统”是一种对在作业现场的工程机械( 如 挖掘机等) 进行全球定位和对该设备运行状态进行远程监控的综合智能系统。系 统由远程数据采集终端和上位机监控系统组成。其中远程数据采集终端以单片机 为主控器，通过多路通信接口，分别读取g p s 模块的定位信息以及该设备p l c 控 制器的有关运行参数( 通过p p i 接口) ，再通过g s m 模块将采集到的信息以短消 息的形式发送给上位机g s m 模块。上位机从g s m 模块读取短消息后，对其进行分 解、存储、显示，系统还具有历史数据图形化查询、报警、地理信息查询等功能， 并能实现p l c 控制程序的远程下载和参数修改。具体安排如下： 第一章绪论，分析了工程机械远程监控的意义，及一般远程监控系统的构成 要素。对g s m 和g p s 技术的发展和应用情况进行了介绍，分析了g s m g s p 技术在 工程机械远程监控和智能控制方面的技术发展状况，阐述了本文的研究背景和意 义。 + 第二章系统总体方案与硬件设计，在分析挖掘机远程监控系统功能需求的基 础上，提出了系统总体设计方案，并对机载数据采集系统进行了详细的硬件设计。 分别介绍g s m 模块及接口电路、g p s 模块及接口电路、p l c 通信接口电路( p p i ) 、 多通路数据接口及x 5 0 4 5 模块的工作原理和实现方法。 。 第三章车载系统软件设计，采用汇编软件编程，实现了车载系统数据采集及 传输的功能。给出了主程序及主要子程序功能及流程，包括系统初始化、短信收 取、短信分析、按短信要求存取数据、数据整合、发送短信和删除短信等功能软 件的设计与分析。 第四章基于c v i 的挖掘机远程监控，在分析g s m 短信收发与拆分的基础上， 6 详细阐述了基于l a b w i n d o w s c v i 韵工程机械监控系统的主界面设计，及主要子 系统：产品信息予系统、数据采报子系统、历史曲线子系统、报警子系统的设计 与实现方法 第五章基于c v i 与m a p x 的地理信息系统，对基于l a bw i n d o w s c v i 的地理信 息系统开发进行了初步探索和研究。通过导入地理信息系统开发控件m a p x ，提出 了动态目标位置显示和跟踪的l a bw i n d o w s c v i 方法，实现了工程机械的全球定 位要求和位置实时动态显示，通过数据绑定实现了对工程机械的各种信息的实时 查询。 第六章，总结了本文的研究成果，指出了进一步的研究方向 7 第二章系统总体方案与硬件设计 g p s 全球卫星定位系统是美国开发的新一代卫星导航与定位系统，它不仅具 有全球性、全天候、连续的精密导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰和保密 性，从根本上解决了地球上的导航与定位问题。g s m 系统是目前应用最广的一种 通信系统，我国目前已经建成了覆盖全国的g s m 数字蜂窝移动通信网。g s m 的短 消息业务不用拨号建立连结，直接把要发送的信息加上目的地址发送到短消息服 务中心，由短消息服务中心再发送给最终的信宿。鉴于g p s 系统与g s m 系统这些 特点，我们将其应用于工程机械的定位与状态参数的远程数据采集中，结合上位 机及l a b w i n d o w s c 、，i 虚拟仪器软件实现挖掘机的远程监测、控制和报警等功能， 以便提高车辆的使用效率，便于管理。 2 1 系统功能要求与总体结构 2 1 1 系统功能要求 与长沙三一重工股份有限公司合作开发此套用于挖掘机上的远程监控系统， 其功能需求可概括如下； 1 ) 低功耗，体积小，由车载2 4 v 蓄电池提供电源，抗干扰和振动能力强； 2 ) 通过集成在电路板上的p p i 电路与挖掘机的p l c 控制器进行数据通信； 3 ) 采集p l c 关键数据，通过短信方式发送到监控平台； 4 ) 获取机器的定位信息通过短信方式发送到监控平台； 5 ) 可以响应两个手机号码，以便根据权限执行不同的操作； 6 ) 可采取应急措施对缺乏诚信的客户预置工作时间或停机控制。 2 1 2 系统方案设计 基于以上功能需求，系统总体方案设计如图2 - l 所示系统由远程数据采集 终端和上位机监控系统两部分组成。其中远程数据采集终端以单片机为主控器， 通过多路通信接口，分别读取g p s 模块的定位信息以及该设备p l c 控制器的有关 运行参数( 通过p p i 接口) ，再通过g s m 模块将采集到的信息以短消息的形式发 送给上位机g s u 模块。上位机从g s m 模块读取短消息后，对其进行分解、存储、 显示，并对机器进行实时状态监控，系统还具有历史数据图形化查询、报警、地 理信息查询等功能。 8 亟堂位j 金塞筮三童丕统盛佳左塞皇硬往途盐 上位机监控系统 车载远程数据采集终端 图2 - i 系统总体方案设计 从上图中可以看出，远程数据采集终端由6 个功能模块构成，各模块的原理 及功能如下 微处理器系统，是数据采集装置的核心，采用a d 8 9 c 5 5 册单片机，拥有 3 2 kr o m ，4 k 辅助r o m ，5 1 2 字节片内r a m ，4 个8 位可直接位寻址及位地址i 0 口，3 个1 6 位定时器计数器，1 个串行口及8 个中断源和两级中断能力，抗干 扰能力较强，加密后不易破解。 电源模块。将外接2 4 v 电源转换位5 v 电源，为采集装置提供电源。 p p i 电路模块，由于挖掘r _ l 采用西门子s 7 - 2 0 0 p l c 进行控制，因此要选 择一种协议实现计算机与p l c 的通信。通常p l j c 与计算机采用点对点通信协议p p i ( p o i n tt op o i n ti n t e r f a c e ) ，因此，系统集成了p p i 电路，以实现r s 2 3 2 协 议到l l s 4 8 5 协议的转换。主控单片机通过p p i 接口，与p l c 进行自由口通信n 町， 实现数据的交换和存取 无线通信模块，选用西门子的无线通信模块t c 3 5 。t c 3 5 终端是一个压缩 的g s mm o d e m 模块，它可以用来在g s m 网络中传输数据、语音、s m s ( 存储管理 服务) 、传真等 g p s 模块，选用由德国f l c o m 无线通信股份有限公司生产的j p 7 型g p s 。 j _ p 7 体积小，其尺寸仅为2 5 4 x 2 5 4 x 3m m 功耗低，连续模式 6 0 0 r o w ，问断 模式l 上电复位及低电压检测，即在上电和v c c 低于检测门限时，输出复位信 号x 5 0 4 5 输出复位高电平有效，x 5 0 4 3 输出复位电平低有效，确保直至v c c = i v 复位信号仍有效；。 可编程的复位门限。需加高电压( 1 5 1 8 v 加在w p 引脚) 及一个专门的 时序 s p i 接口方式，最高可达1 删z 串行 时钟频率； e e p r 伽存储器可分块或全部锁定 保护； 防止偶然性写保护( 包括：上电 掉电保护电路、写使能锁存器、写保护引 脚) ； x 5 阱5 图2 - 3 看门狗电路 每字节擦写次数可达1 0 万次、数据可保存1 0 0 年； 所有引脚e s d 防静电保护可达2 0 0 0 v ； 低功耗c l l 0 s 电路( 备用电流1 0 l ia 工作电流3 m a ) 。 x 5 0 4 5 4 3 包含了】【2 5 0 4 5 4 3 的所有功能，并且增加了一个新功能：可编程 的复位门限，用户可自己设定更精确、更合适的复位门限。) 【5 0 4 5 4 3 的功耗更低， 通信速度更快( 最高3 3 姗z ，】【2 5 0 4 5 3 为l 姗z ) ，已经得到广泛应用。 整体电路利用车载2 4 v 蓄电池，通过s a p ss r 2 4 s 5 5 0 0 电源转换模块转换成 5 v 供电，有效地缩小了体积。具体电路如图2 - 3 所示。 2 4g s _ 模块及接口电路设计 西门子t c 3 5 无线模块是一个压缩的g s m 模块，它可以用来在g s m 网络中进 行传输数据、语音、s m s ( 短信服务) 和传真等作业。t c 3 5 广泛应用于大气环境 监测、雨量水流监测、手持设备扩展、付费无线电话、远程信息处理、远程数据 传输、远程自动抄表、自动化售货机、车辆调度管理、车载定位系统中。t c 3 5 的 插件连接是标准化的，适合于在有振动的条件下使用 表2 一l 所示为t c 3 5 的工作特性 一 表2 - 1t c 3 5 工作特性 产品型号s i r e n st c 3 5 特性g 驯双频，支持数据、话音、短消息、传真 唯一支持中文短消息 功耗2 w ( 9 0 0 m ) 1 w ( 1 8 0 0 m ) 支持协议a t 命令集，支持豫、f r 、e f r ，9 6 0 0 b p s u s s d ，v 1 1 0 ，非透明模式 传真g r o u p3 ，c l a s s2 其他功能电话簿功能，多方通话，漫游检测，省电模式，d t m f 物理接口4 0 p i n 连接，5 0 0 h m 天线，9 - 1 5 v 供电 体积 1 8 9 因为本项目要求低功耗、抗震，由以上特性，选定t c 3 5 做为无线通信模块。 与t c 3 5 配套的接口电路设计如图2 - 4 所示 接口电路电源部分经m i c 2 9 3 0 2 8 将5 v 电源转换为4 1 v ，以提供给低功耗的 v a x 3 2 3 8 e a i 芯片正常工作使用。在输入与输出端都加上了大容量的电解电容及独 石电容( 无极性电容中的一种，效果较好) ，以达到滤波的效果，减少电源部分 对整个电路的干扰，确保电路正常工作。 接口电路中的串行通信部分由m a x 3 2 3 8 e a i 实现。m a x 3 2 3 8 e a i 收发器，与 m a x 2 3 2 类似，用于串行通信，有5 个输出，3 个输入，更适合多个串行通信的需 求。接口电路中红色l e d 指示t c 3 5 是否正常工作。上电后每2 s 闪烁一次，当处 于查找网络或注册时或无s i m 卡及无可用的网络时，约l s 闪烁一次正常注册 后，约每2 s 闪烁一次。在调试的时候可以从l e d 看出无线通信模块现在所处的 状态。与t c 3 5 连接部分采用4 0 p i n 的z i f 连接器。 盎c c c i z _ 描k 罐 h l 坦竖一南船牛器0l乃ef 】 3 4 ， 6 7 加 i i n n j 一孰爿一 i 刈唣器品f l 一十i 扣 l 斗：卜s 三= 三 硇1 _ t t - i _ l _ - 二一 f i 卜璐一圳田li i | 腿匪 甜 一 i m u 辰= _ 铲。 坫 1 7 r 1 临一 u u l 舅 3 1 丑 卫 x 田】卫 x c 3 + c | 玎 ， 盈 g h d黛 描撮导。恻串圭釜 孤 昏v c | h ；通；踹。i 事c l n r恤 3 1 口哪m ；- 】r 霸r 订耵-l 竺5 巳竺j o玎 口r砸 孙 l fi l 1 r i r 耵盯_ i昙一*m n 船，1 r n i r 矗旷 i：- 弘 h 叩tt m 船n日： r 现盯旷 言x t j t，1 7 _ 嗣盯口旷 。：l翦 l i h 蚓0 + 刚1 芒王 f 皿a l 】n1 1 0 u l li e 蔓 覃【阻c l a d 憾a t 盈 4 0 图2 - 4t c 3 5 接口电路 硒土堂焦论塞 箍三童丕统盛佳左塞生鲤住途让 2 sg p s 模块及接口电路设计 由于在本项目中要求产品体积小、功耗低，且无线 通信模块已确定的情况下，只有在6 p s 模块上寻求一个 体积较小的产品，且最好能够贴片，这样既美观，又抗 振，并能有效地提高产品的性能指标。 通过选型，我们选用如图2 - 5 所示的j p 7 型g p s 模 块，它由德国f l c o m 无线通信股份有限公司生产，其特 性如表2 2 所示。图2 - 5j p 7 实物图 表2 - 2j p 7 工作特性 产品型号 f l c o mj p t 物理特性1 2 通道，l 11 5 7 5 4 2 唧z ，c 码i 0 2 3 姗z 芯片速度 精度位置精度：l o m , 速度精度：0 i m s ，时间误差：l u s d g p s 精度1 - - 5 米，0 0 5 m s 基准坐标 w g s 一8 4 捕获速率 首次捕获 3 s ，平均热启动 8 s 平均温启动 3 8 s ，平均冷启动 4 8 s 工作电压直流3 3 v 士5 功耗连续模式 6 0 0 r o w 问断模式 6 0 r o w ( 8 0 0 鹏低电平，2 0 0 m s 高电平) 间断模式 1 5 n m ( 每隔l o s 有2 0 0 m s 高电平) 支持协议 n m e a - - 0 1 8 3 ，r t c ms c - - 1 0 4 ，s i r f 二进制 物理接口3 0 管脚贴片设计，符合标准s m t ( 表面组装技术) ，并兼容 t i m ( 终端接口模件) 工作温度范围一4 0 8 5 重量 2 8 9 尺寸 2 5 4 2 5 4 3m m 由于j p 7 采用的是c 1 4 0 s 工艺，工作电压为3 3 v ，所以要设计一个电压转换 电路。我们选择l d i i l 7 3 3 a 器件将5 v 电压直接转换为3 3 7 j p 7 需要提供约1 8 3 m b 的电流，而l d i i l 7 3 3 a 能够提供高达8 0 0 m a 电流，完全符合要求，且电路实现简 单。只要在输入输出两端加上几个电解电容和无极性电容，无需其他器件，电路 简洁可靠。 与单片机通信部分采用i 心x 2 3 2 ，理由如下： 1 ) 调试更方便。由于p c 机对3 p 7 g p s 模块的调试是通过串口进行的，而串 口电平即m a x 2 3 2 电平。增加1 心x 2 3 2 电平转换电路后，就可以把j p 7 g p s 模块的 信号引到p c 机上，通过串口调试软件来进行调试，既便于对g p s 进行监控，也 能更直观和快捷地判定硬件问题； 2 ) 电路具有可移植性。由于单片机对t t l 、c m o s 电平兼容，可以直接与j p 7 g p s 模块通信，但如果更换单片机型号，有可能会引起电平不匹配的情况，而使用 m a x 2 3 2 进行转化，使系统兼容性强，具有更强的可移植性。 接口电路中红色l e d 指示电源状态，亮则代表电源正常。而绿色l e d 指示t m a r k 状态，当j p 7 正常工作时，t m a r k 就会发出每秒一个持续2 0 0 m s 的脉冲，通过一 个三极管放大电路，使绿色l e d 闪烁。 g p s 接口电路设计如图2 _ 6 所示 ， u s 图2 - 6g p s 接口电路 2 6p l c 通信接口( e e l ) 设计 在我们进行监控的挖掘机产品中，其控制器采用西门子公司的s 7 2 0 0 型 p l c 进行控制，故需要一个r s 2 3 2 转r s 4 8 5 的p p i 电路。采用p p i ( p o i n tt op o i n t i n t e r f a c e ) 通信协议，$ 7 - 2 0 0 p l c 作为主站，能以1 9 2 k b i t s 的数据传输率与 p c 机( 通过p c p p i 电缆) 及s i m a t i c 的编程设备、t d 2 0 0 文本显示器、删i ( 人 机操作界面) 设备以及其它的s 7 - 2 0 0 p l c 相连。利用微机、p g 7 0 2 手持编程器、 t d 2 0 0 文本显示器、t p 7 触摸屏等，可在一根公共数据电缆上对3 1 个控制器进行 1 4 编程、控制、监视和数据交换。 由于西门子公司的p c p p i 电缆不能集成到p c b 板上，且价格比较昂贵，为 此我们设计了一个r s 2 3 2 转r s 4 8 5 的p p i 接口电路，如图2 - 7 所示。 r s 4 8 5 只需要二根数据线，这二根数据线既可以发送数据，也可以接收数据， 通信双方采用半双工方式进行。接口电路数据位根据需要选择1 0b i t 与单片机 通信，波特率设置9 6 0 0 b p s 。由于单片机采用t t l 电平，故还需一片m a x 2 3 2 将 r s 2 3 2 电平转换为与单片机兼容的t t l 电平 ， 2 7 多通路数据接口设计 圈2 - 7p p i 接口电路 综上所述，单片机要分别与g s m 、g p s 和p l c 进行通信，则至少要有三个通 道才行，如果用标准逻辑器件实现，势必要增加硬件电路的复杂性，降低电路的、 可靠性可移植性和灵活性 g a l “全称g e n e r a la r r a yl o g i c ，即通用逻辑阵列，是美国品格半导体公 司于一九八三年最新推出的可电擦除、可重复编程、可设置加密位的新型可多次 编程的逻辑器件一般认为它是第二代的p a l 目前普遍采用的只有g a l l 6 v 8 ( 2 0 脚，1 6 输入，输出) 和g a l 2 0 v 8 ( 2 4 脚，2 0 输入，8 输出) 两种，其内部采用特 殊的结构控制字，几乎可仿真所有的p a l 。 目前，g a l 正在为越来越多的工程技术人员所赏识。它所具备的高速、低功 耗、可改写、易于组态、易于编程等特点，使其最终将取代t r l ? 4 h c 系列组合 逻辑，取代低密度门阵列和其他所有可编程逻辑芯片。g a l 器件与p a l 器件在结 构上的区别是：p