高速公路沿线供电线路故障短信息报警电路设计研究

曹德林,于 彤

(辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015)

1 应用背景及意义

高速公路沿线机电设备供电距离较长,供电线路若出现短路、断路等问题,将直接影响机电设备正常运行。因此,第一时间排除故障,恢复供电是日常维护工作的重中之重。维护中,可以通过传感器采集故障信号、信息传输、监控室PC机接收故障信息三个步骤完成报警过程,进而做出命令指示。研究通过对移动通信模块进行开发,设计出一套短信息报警电路解决上述信息传输问题。该电路在2G、3G、4G、5G制式下均可实现短信息传输,在移动蜂窝网络覆盖区域较为宽阔的情况下,可以实现快速高效的信息传输。实际应用中,维修人员只需随身携带移动电话即可接收故障信息,实现实时监控。

2 短信息业务实现

移动通信系统实现各种数据交换,推动着数字化、大数据技术快速向前发展。短信息业务作为无线数字通信系统基础业务,主要依靠通信系统基本架构、接口标准、AT指令集应用来实现。

2.1 通信系统基本结构及接口标准

GSM作为一个覆盖范围很大的系统,其构成包括基本结构和不同的接口标准。GSM通信网主体结构见图1,GSM接口标准见图2,相关英文简写解释见表1。

图1 GSM系统基本结构

图2 GSM通信系统中的接口

设计相关产品时,需要考虑通用性,上述各部件接口的连接须严格执行接口标准要求。GSM通信系统采用的接口标准是公用陆地移动通信网(PLMN),利用7号信令支持PLMN接口完成数据的传送。

2.2 基于无线通信网络下的短信息业务

短信息业务SMS (Short Message Service)采用SMSC(短消息服务中心)的存储和转发机制,保证短信息可以被暂时留存,并且可以完成双向通信功能,连续工作时间达24h。当接收端用户重新开始正常运行时,SMSC会立即将短消息发送给接收端用户,发送成功后,会返回发送端一个确认收到的信号。

2.3 AT指令在短信息业务方面的应用

短信业务的实现主要依靠外围设备通过AT指令集的控制。其中,AT指令集是GSM通信模块实现通信及相关功能的指令语言,可实现外部设备与GSM通信模块的通信连接,部分AT指令集见表2。此项功能由欧洲通信技术委员会(ETSI)提出,经过漫长发展并融入GSM07.05标准和GSM07.07标准[1],形成了目前功能比较完备的AT指令集。一条功能完整的AT指令以AT开头,以回车结尾,并且在完成一条AT指令时,系统会返回一条指令表示已经完成。当遇到有人拨号、线路无信号等特殊情况时,模块也会给出提示信息,要求做进一步指示。

表2 部分AT指令集

3 通信模块的采用与外部电路设计

该设计中,GSM通信模块采用SIM900A通信模块,其他通信模块外部电路设计思路相同,注意接口设计即可。SIM900A通信模块具有体积小、成本低、能耗低的优点,可以实现短信息业务、电话服务和数据服务,预留引脚接口还可实现功能扩展。

3.1 通信模块基本结构及参数组成

GSM通信模块主要包括GSM射频模块、供电模块(ASIC)、GSM基带处理器、闪存、ZIF连接器、天线接口六大部分。其中,GSM基带处理器是整个模块的“心脏”,其主要功能是处理GSM终端内的短信、语音及数据信号,并且涵盖了移动蜂窝系统射频设备中的全部模拟和数字功能。在不需任何额外硬件电路的条件下,可支持FR、HR及EFR语音信道编码[2]。

SIM900A模块基本参数:

(1)电源:3.2～4.8V;

(2)传输类型:声音和数据;

(3)数据传输率:9600bps或19200bps;

(4)频率范围:双波段900MHz和1800MHz;

(5)数据接口:标准RS232双向传输或红外接口。

3.2 通信模块外部电路设计

SIM900A采用单电源供电,供电接口为3个VBAT引脚,供电电压范围在3.2～4.8V。由于SIM900A通信模块工作时产生的电流可达2A,故电源供电能力不能低于2A,需做必要的稳压滤波设计。模块全部GND引脚接地,并对引脚net LED、VRTC、NRESET、VDD EXT、TXD-O、RXD-I、RI、PWRKEY、SIM-VDD、SIM-DATA、SIM-CLK、SIM-RST做了必要的外部电路扩展设计,详见表3。其中与SIM相关的引脚需要引出并连接到SIM卡槽上,SIM900A模块电源与卡槽电源引脚连接,复位引脚对应连接且中间接22k欧姆电阻,时钟引脚对应连接且中间接22k欧姆电阻,SIM900A模块数据引脚与卡槽数据I/O口引脚连接。

表3 SIM900A部分引脚及其描述

4 通信接口硬件的设计

SIM900A通信模块可与PC机、单片机、PLC实现通信的前提是通信接口电平一致且串口波特率一致。对于单片机和通信模块SIM900A而言,二者引出的数据接口电平是5V TTL,若对通信距离有一定要求,则需要进行串口转化。

4.1 单片机与通信模块的接口设计

下位机中,单片机接收传感器采集故障信号,进而与SIM900A模块建立通信联系。单片机和通信模块SIM900A的TTL接口电平是5V。考虑到通信距离较近,在电路设计时直接将两芯片建立了物理连接,即单片机引脚TXD接GSM模块的引脚RXD,单片机的引脚RXD接通信模块的引脚TXD,GND对应连接即可。此外,两模块也保留了RS232接口,目的是方便日后产品功能升级,并防止实际设计中因二者距离增大而影响通信功能的实现。其中,完成接口转换的芯片是美信公司生产的MAX232芯片,该芯片的主要功能是将TTL电平转换成RS232电平[3]。

4.2 PC上位机与通信模块的接口设计

PC上位机与SIM900A通过AT握手指令建立通信联系后,即可实现故障信息的接收,或在接收号码设计中添加责任人、维修人员电话号码也可实现故障信息的接收。PC上位机与GSM通信模块实现通信的方法有两种,一是可以将USB接口转化为TTL电平接口;二是可以将USB接口转换成RS232接口。考虑到RS232接口适配性较强,设计保留第二种方案。该方案可以通过两个步骤实现,首先将USB接口转换成TTL电平接口,再将TTL电平转换成RS232接口即可完成转换。其中,TTL电平转换RS232采用MAX232芯片实现,而USB接口转换TTL接口采用CP2102芯片。

5 结论

文章兼顾经济安全、高效快捷的应用需求,对通信模块进行功能开发,设计出一套远程短信息报警电路,对实际工作中涉及的单片机、PC机接口问题进行设计和规范。该电路设计致力于解决高速公路沿线供电故障报警问题,通过无线通信系统将故障信息回传至控制室和责任人,可在第一时间提供故障解决方案。