基于GSM/GPRS的特种电动车监控系统

李　辉，晏　菁，黄佩俐

(安徽师范大学 物理与电子信息学院,安徽 芜湖 241000)



基于GSM/GPRS的特种电动车监控系统

李辉，晏菁，黄佩俐

(安徽师范大学 物理与电子信息学院,安徽 芜湖 241000)

摘要：针对特种电动车对远程管理与调度的需要，设计了一种无线智能车载监控系统。系统使用GPS模块与高性能锂电池组管理IC对车辆位置与电池状态进行实时监测，并将此类重要信息利用GSM/GPRS通信模块定时传送给监控中心；同时接收监控中心的指令以完成对车辆的管控。试验证明系统工作稳定可靠，能够对较大范围的车辆实现低成本智能化监控，具有良好的应用前景。

关键词：特种电动车；AVR MCU；GSM/GPRS模块；GPS模块；LTC6802

0引言

随着污染的加剧和国家对节能减排的日益重视，锂电动车已经成为解决环境问题的重要途径。特种电动车包括清洁车和观光车等车型；区别于燃油车，这类车辆需要对动力锂电池组进行实时的监测，以避免电池的非正常工作状态。除电池状态数据以外，车辆位置等信息也需要定时上传监控中心供管理调度使用。目前这类车辆监控技术还是相对落后，主要以对讲机为主，存在自动化程度低，通信距离受限，过于依赖人员素质等局限性；一旦遇到突发情况往往措手不及，陷入混乱。如节假日景区观光车的监控调度与突发故障处理就是一个亟待解决的问题。

无线通信和嵌入式技术的不断发展，以及卫星定位系统的广泛应用，为高性能低成本的远程智能车辆监控系统的开发奠定了基础。本文使用专用GSM/GPRS通信模块与GPS定位模块，以及高性能锂电池组管理IC设计了一种智能远程监控系统，可将电池状态、位置信息等重要信息利用GSM/GPRS网络定时传送给监控中心，并同时接收监控中心的指令，完成对车辆的管理与调度。

1总体设计方案

锂电池由于其理化特性，需要必备的保护装置以防止过充电和过放电；同时还需根据具体使用要求，配置合理的辅助性功能，如：过温保护、休眠控制和电量估算等[1]，所以区别于普通燃油汽车，锂电动车监控系统必须具备对锂电池组的监测控制能力。因此本远程监控系统的具体工作原理如下：主控MCU监控锂电池组的电量电流等工作状态，同时利用GPS接收模块实时测量自身的位置，并将电池状态、位置信息以及其他重要信息利用GSM/GPRS网络定时传送给监控中心。另一方面MCU通过GSM/GPRS网络接收监控中心的指令，完成对车辆的管理与调度。整个远程监控系统可以分为锂电池管理、无线数传、GPS定位以及电源管理4个子系统，如图1所示。

图1　电动车监控系统原理图

系统使用的主控单元为AVR 8bit高性能低功耗MCU Atmega128。该MCU采用RISC结构，拥有4 K SRAM和128 K可编程Flash，工作于16 MHz时速度高达16 MIPS；同时外设资源也十分丰富，除了一般单片机所共有的定时器/计数器等常用模块之外，还集成了控制外设所需的可编程PWM、多路ADC和SPI接口，能够以尽可能简洁的外围电路满足系统的设计要求；而多达6种休眠模式的灵活设置更有利于移动式系统的开发[2]。

2子系统设计

2.1锂电管理模块

锂电管理模块首先必须具备保护功能以防止过充和过放电；辅助功能包括过温保护、电量估算和数据通信等。这其中每节电池单体的电压值是最重要的参数，这是因为电池充放电状态与电池端电压紧密相关；在充放电过程中必须精确检测电池的端电压才能防止过充过放。在电池数量较多的电池组中，沿着电池串联的方向将产生很高的共模电压；这使得电池电压检测面临很大的挑战，常用的检测方法有：电阻分压法、飞度电容法和差分放大法等[3]。这些方法都存在功耗大、外部器件过多和采样误差大等缺点。尤其在串联电池数量很大的情况下这些方法更是难以满足要求；而且很难进行系统容量扩展，降低了电源管理系统的通用性和灵活性[4]。本设计采用凌特公司的多电池组监控IC LTC6802，能够在输入共模电压高达60 V的条件下测量多达12节串接电池的电压，在-40～85°C的范围内对单体的测量精度为1.5 mV；并且对每个电池单元均可进行欠压和过压监测。该器件的专有设计能够实现多片级联，无需使用光耦合器就能扩展更多的电池单元[5]。

LTC6802有2组串行口，其中高边端口用来和上级LTC6802的低边端口级联通信，低边端口是一个带数据差错检验功能的串行口，可与MCU的SPI口直接相连进行数据传输，具体电路可参考文献[5]。

2.2GPS定位模块

GPS定位通过国产北斗/GPS双系统芯片UM220-III实现。UM220-III是UM220系列的第三代产品，是目前市场上尺寸最小的完全国产化的北斗/GPS模块。该模块采用GNSS多系统融合及卡尔曼滤波等优化算法，在各种复杂环境下均能保持出色的捕获跟踪能力，水平定位精度优于2.5 m CEP；通过动态调整工作状态进行部分休眠以确保超低功耗运行(小于120 mW)，适于便携应用；支持I2C、SPI等多种接口与NMEA0183数据格式，可以以较少的外围电路与多种MCU接口构成完整的定位接收机。因此UM220-III在车辆监控/导航、手持设备等领域得到了广泛应用[6]，具体的电路如图2所示。

图2　GPS信号接收电路

2.3通信模块

通信模块是远程监控系统的核心，承担着遥测遥控与数据通信的重任，即：通过GSM/GPRS网络可靠的接收监控中心的指令，供主控MCU分析使用；另一方面，将GPS模块提供的定位数据与锂电池状态等重要信息同样利用GSM/GPRS网络传送给监控中心以实现对车辆的监测与控制、调度。

本设计采用的通讯模块为SIMcom公司的高性能GSM/GPRS通信芯片SIM900A。为了方便二次开发，SIM900A可利用串口与SIM卡和MCU方便地建立通讯，从而快捷地接入GSM/GPRS无线网络，实现车载终端向控制中心的数据传输以及控制中心对终端的指令遥控，具体电路可参考文献[7]。

SIM900A采用单电源供电，范围在3.2～4.8 V之间，推荐电压为4.0 V，模块射频发射时会导致电压跌落，这时电流峰值会达到2 A以上，因此电源供电能力尽可能达到2 A。PCB布局时VBAT脚上的旁路电容尽量放在附近，为了减少电源线走线阻抗，电源线应尽量宽而短。SIM900A支持1.8/3.0 V的SIM卡。SIM_DATA脚应并联pF级电容防止高频干扰；PCB布局时卡座应尽量靠近模块，以免走线过长导致无法识别。对于射频部分设计则需要考虑预留Π型网络，以便后续天线匹配调试[8]。射频走线应遵循短而直的原则，尽量走直线或弧线，RF线下方需有完整的参考地；而线宽则需结合板厚、材质等估算，以保证50Ω的特性阻抗[9]。

2.4电源管理

整个系统的供电都由电动车的电池组提供。由于特种电动车的电池组一般输出都在40 V以上，超过了普通DC-DC的输入范围，所以需要选用高压DC-DC，并且综合主要IC所需的电流电压来设计电源管理模块。整个系统各个模块所需的电压电流如下：MCU Atmega128L，3.3 V，<100 mA；GPS UM220-III，3.3 V，<100 mA；SIM900A，5 V，1.5 A；LTC6802直接从锂电池组取电，所以整个系统的电源管理方案为首先利用高压降压DC-DC LTM8027从电池组得到5 V，4 A的低压大电流输出，再将5 V变压为3.3 V供MCU和GPS使用。LTM8027为宽输入范围(4.5~60 V)降压型DC/DC，支持2.5~24 V的输出电压和100～500 kHz的开关频率范围，输出电流可达4 A，停机时电流仅有9 μA。封装中内置了开关控制器与大部分支持元件，外围仅需大容量的输入输出滤波电容便可实现完整的设计[10]。从5~3.3 V的转换器件则有很多，这里选择LM1117，具体的电源管理电路参考文献[10]所示。

3软件系统设计

本电动车监控系统的软件可以分为GSM/GPRS数据通信、GPS数据上传、锂电池监测等主要模块，如图3(a)所示。各程序模块之间采用中断优先级的方式加以调度管理。基于电动车监控终端的工作特点，优先级的次序为：锂电池监测管理>GSM短信通信(或GPRS数据通信)>GPS数据上传。所有这些任务模块都是基于uc/os操作系统平台。uc/os是一种免费公开源码、结构小巧和具有可剥夺实时内核的实时操作系统，其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能，最小内核可编译至2 k，尤其适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良以及可扩展性强等优点[11]。

SIM900A在正常情况下与监控中心通过GSM短信服务的方式进行数据通信，此时GPRS功能处于关闭状态以降低功耗；只有当监控中心以GSM短信方式发出GPRS数传指令时，SIM900A才启动相应的GPRS通信功能，接收监控中心的控制指令，并定时上传锂电池状态、车辆位置以及其他重要信息[12]，具体的程序流程如图3(b)所示。

图3　软件流程图

4结束语

本文设计的基于微处理器和通信、定位和电池管理模块的电动车远程监控系统经实验证明工作稳定可靠，能够对电池状况、位置等重要参数进行采集与数传。相比于传统的人工监控，该系统具有如下优点：① 克服了人力监控可靠性差，随意性强等缺点；② 利用了现有的GSM/GPRS无线网络，无需搭建专门的无线中继站，成本低廉；③ 基于移动基站的数据传输能够以较低的辐射功率覆盖很大的范围，使得整个系统的功耗较低，从而有效延长了锂电池组的使用时间。因此本特种电动车远程监控系统具有良好的应用与推广前景。

参考文献

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[12]谭春定,赵利，林健.无线网络覆盖质量勘测与分析系统的开发[J].无线电工程,2014,44(7):11-14.

Special EV Monitoring System Based on GSM/GPRS

LI Hui,YAN jing,HUANG Pei-li

(School of Physics and Electronic Information,Anhui Normal University,Wuhu Anhui 241000,China)

Abstract：A wireless intelligent vehicle-mounted monitoring system is designed to satisfy the requirement of long-distance management and dispatch of special EVs.The system monitors the position and battery status of EV by using GPS module and high-performance lithium battery management IC,and sends these kinds of important information to the monitoring centre by using GSM/GPRS module.The commands from the monitoring centre are received to control the EVs at the same time.The experiment results show that the system works stably and reliably,can implement low-cost intelligent monitoring for EVs in an extended area,and it has excellent application prospect.

Key words：special EV;AVR MCU;GSM/GPRS module;GPS module;LTC6802

中图分类号：TP393

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)02-70-3

作者简介：李辉(1978—)，男，讲师，博士，主要研究方向：智能仪器、弱信号检测。晏菁(1979—)，女，讲师，主要研究方向：自控技术。

基金项目：安徽师范大学2015年创新基金

收稿日期：2015-11-18

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.18

引用格式：李辉，晏菁，黄佩俐.基于GSM/GPRS的特种电动车监控系统[J].无线电通信技术,2016,42(2):70-72,98.