基于GSM網(wǎng)絡(luò)和AT90CAN128控制器實(shí)現(xiàn)單片機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：劉會(huì)娟;郝繼飛;閆文杰;縱慧慧

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?xún)r(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(hù)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?？傮w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(hù)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(mǎn)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(lèi)，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?a target="_blank">信號(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 RXD\TXD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(hù)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(xún)、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。