基于北斗/GPS双模定位技术的嵌入式无线车载监测系统研究

杨彩云

(国家铁路局规划与标准研究院，北京 100055)

随着社会快速发展，定位系统越来越成熟，使用也越来越广泛，而基于北斗和GPS的定位系统也在诸多领域有着广泛应用，在工业环境恶劣的地理区域内，无线传输系统在GPS和北斗数据的传输中起了至关重要的作用，本文将阐述基于北斗和GPS双重定位的无线网络远程车载监测系统，系统主要用于铁路货运槽罐车内部储液温度、压力和地理位置信息的远程监测；其目的在于保障铁路液体货物运输安全，防止储罐因温度超限、压力加大等可能引发危险，系统起到预警作用，确保铁路储罐运输的安全。本文主要从系统构成、软件实现和无线网络远程数据传输方法的软件实现来介绍。

1 系统构成

系统主要由感知层、网络层和应用层组成。感知层主要包括温度传感器、压力传感器、液位计、北斗/GPS定位设备和车载监测单元；网络层主要是指：车载监测单元的GPRS无线网络系统；应用层主要是指：车载监测系统的中心控制平台。如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 System diagram

车载监测单元的核心是STM32L152超低功耗32位CORTEX M3 控制器，车载监测单元的总体需求及设备端口资源需求归纳如下。

温度、压力：两路模拟量输入，分别实现油罐车罐体内压力、温度的采样。信号输入类型是4～20 mA模拟电流信号，另外有两路预留。

阀门状态监测：两路数字量输入信号，同时两路预留。

车辆定位：一路GPS定位模块通讯端口，一路北斗定位模块通信端口。

无线传输：一路GPRS模块通讯端口。

供电：采用电池供电，一次充电周期的使用时间为半年。

有3个串口，串口1与GPRS无线发射模块连接，串口2和串口3与GPS和北斗卫星定位模块连接。

通过客户需求的详细分析，制定了车载监测单元的软件设计框图，如图2所示。

图2 监测单元软件模块Fig.2 Software module of monitoring unit

2 定时中断、低功耗处理以及外部中断处理单元

2.1 定时中断处理单元

定时中断处理单元主要由采集、电源控制、数据处理和通信等模块组成。

采集模块主要是对温度和压力信息进行采集处理，采集电流量为4～20 mA，采集节点通过电压量转换成的电流量，经过计算公式，A= （25 ×D/ 4 096 - 4 ）×（M-N）/ 16 +N，其中D为AD采集数字量，M为量程最大值，N为量程最小值，STM32中AD为12位，因此量化值为4 096。模拟量滤波方法采用的是截尾均值法：采集n组数据，去掉最大值和最小值，n-2组数据再做平均，通过此种方法能有效的控制由硬件电路产生的扰动。

电源控制模块是对电源电量进行智能控制，当电量低时首先进行电量低报警，当电量过低时，自动停止所有运行。

数据处理模块主要处理采集的模拟量、电量和开关量等信息。

通信模块对数据处理模块的输出数据以GPRS无线传输模块传给平台系统。

2.2 低功耗处理单元

对于嵌入式系统，在处理器和操作系统被选定后，也就基本确定了系统框架。而在功率消耗上处理器是比重最大的一个部分，对于不带显示屏的嵌入式设备，微处理器的功率消耗几乎是整个系统功耗的一半，甚至更多。因此在选择处理器时，除了要注意其性能的优劣及所提供的接口和功能外，也不能够忽视其功耗特性。

综合考虑各方面因素，系统使用的是STM32L152芯片。在运行模式下芯片功耗低至185 μA/MHz，在休眠待机状态下为0.29 μA/MHz，从休眠待机模式切换到运行模式仅需8 μs。当没有中断时，通过配置控制状态使监测单元将进入低功耗模式。STM32L152有5种低功耗模式：低功耗运行模式、低功耗睡眠模式、睡眠模式、待机模式和停止模式。采用低功耗睡眠模式时，系统内核停止运行、外设保持运行。

1）低功耗睡眠模式的基本设置

设置LPSDSR位，使内部电源变换器在低功耗模式下工作，执行WFI/WFE指令。

设置SLEEP_PD位，使Flash模块进入低功耗模式，保持系统时钟设置在128 kHz以下。

内核供电VCORE配置供电电压为1.5 V。

配置SLEEPONEXIT位，进入低功耗睡眠模式，选择SLEEP NOW/SLEEP ON EXIT。

2）低功耗睡眠模式增强设置

设置寄存器RCC_AHBLPENR和RCC_APBxLPENR，使系统在进入睡眠模式时自动关闭不适用的外设和GPIO口的时钟。

2.3 外部中断处理单元

外部中断处理单元主要用于监测阀门状态，有两路数字量输入信号，且有两路预留。系统监测主要是进行阀门监测，罐车阀门的开关状态是非常关键的信息，通过双重保险机制确保采样的准确性，一是通过外部中断产生“沿”的变化来触发中断；然后利用高低电平得出阀门状态；二是通过定时读取引脚的电平值，确定阀门状态，从而达到双重保障。

3 软件设计

3.1 北斗/GPS定位部分的软件设计

设备的卫星定位采用了GPS和北斗两种定位模块，实现了恶劣环境下定位信息的互相补充。北斗定位使用的是ublox的NEO-M8芯片；利用已配置好的芯片上传频率，通过串口智能上传数据，通过协议中指定的位置，判断数据是否为有效数据。GPS定位使用的是中兴二合一模块MG2639_V2，首先芯片初始化设置，然后按照配置信息利用串口定时上传数据，利用有效位置来判断数据的有效性，从而进行数据接收。GPS和北斗的定位模块的通用协议如下：

美元符号“$”是语句起始标志；

半角逗号“,”是参数分隔符；

星号“＊”是校验码识别符；

其后面的两位数为校验码。

校验码是“$”和“＊”之间所有字符进行异或和；

作为结束符，所有的语句是以回车来结束。例如：本系统中，GPS和北斗的数据处理采用了相同的处理模式。

3.2 GPRS无线通信网络部分的软件设计

GPRS模块采用的是中兴MG2639_V2二合一模块，MG2639_V2是中兴通讯研制的 GSM850/EGSM900/DCS1800/PCS1900 四频工业模块，支持多种无线网络。

系统利用向控制串口发送一系列“AT指令”实现GPRS模块建立网络连接和数据的远程发送，常用指令包括初始化命令、短信命令、GPRS命令和网络命令。

4 物理搭建

车载监测单元的开发环境是Keil uVision4，开发语言是C，在系统运行调试时，车载监测单元的运行模式通过手机短消息进行配置，监测单元的主要告警信息以及全部模拟数字量信息的查看，采用专用网络调试工具，具体物理连接如图3所示。

图3 系统物理连接图Fig.3 Physical connection diagram of system

5 结束语

本系统是针对铁路车载监控需求展开研究工作，随着国内北斗卫星定位系统组网规模的逐步扩大，各行各业都在进行相关试验项目，本项目研制的技术方案及形成的成果，能够打造一套北斗卫星定位终端的公共硬件平台，以该技术方案为依托，针对具体行业项目进行个性化优化调整，将能支撑几乎所有行业基本应用需求，有广阔的开发空间和应用前景。