基于GPS /GPRS技術的CAN總線工程車輛遠程監測系統

　　摘要：介紹了一種基于GPS/GPRS技術的CAN總線工程車輛遠程監測系統的設計。系統由CAN總線模塊、 GPS模塊及GPRS模塊等組成。系統以C8051F040單片機為主控制器，通過GPS的定位以及CAN總線數據采集，實現了工程車輛工作狀態的監控、顯示、記錄和報警，并實時將數據通過GPRS模塊上傳到網絡，在監控中心實現監控及調度管理。

　　關鍵詞：GPRS技術;CAN總線;工程車輛;監控系統

　　CAN bus of engineering vehicles monitoring system

　　based on GPS/GPRS technology

　　Abstract: A CAN bus engineering vehicles monitoring system based on GPRS technology was introduced. It is composed of CAN bus module, GPS module and GPRS module. The system takes C8051F040 as master controller, it gets position by GPS module and achieves data acquisition through CAN bus. Then, it achieves engineering vehicles working condition monitoring, display, recording and alarm. And uploads real-time data to network through the GPRS module, and achieves the monitoring and dispatch purposes in the control center.

　　Key words: GPRS technology; CAN bus; Engineering vehicle; Monitoring system

　　0 引言

　　隨著工業現代化的飛速發展，工程車輛的種類越來越多，功能越來越強大。工程車輛在工程施工中起著舉足輕重的作用，其作業條件、作業狀況復雜多變，工作環境惡劣，使故障率大大增加。如何通過各種先進技術對工程車輛運行參數實施遠程監控及對其進行科學地指揮、調度，是工程車輛行業的一個重要的研究課題，具有十分重大的現實意義。

　　1 系統整體結構

　　本文提出的CAN總線工程車輛遠程監測系統，通過車載電子控制裝置ECU的CAN總線獲取車輛運行信息，并利用GPRS無線網絡通信手段對車輛進行遠程監控及調度管理。

　　工程車輛遠程監測系統的體系結構主要由控制中心和車載移動終端組成。車載終端設備通過CAN總線接口模塊獲取車輛實時運行參數信息，合并GPS定位信息后將這些信息通過GPRS將數據發送至監控中心，控制中心將接收到的數據進行解析，并且在屏幕上實時地顯示每個車輛的具體位置以及其它參量信息。同時控制中心根據各車輛具體情況下傳相應的控制指令，對車輛進行遠程實時控制。圖1所示為系統整體實物圖。

　　2 硬件設計

　　系統以C8051F040為核心模塊，結合GPS模塊、GPRS通訊模塊、CAN總線模塊、存儲模塊以及電源模塊等實現對工程車輛運行過程狀態的監控、顯示、記錄和報警，系統結構框圖如圖2所示。

　　2.1 單片機模塊

　　本系統選用新華龍公司的C8051F040單片機作為核心控制單元，該芯片具有與MCS-51完全兼容的指令內核，采用流水線處理技術，提高了指令執行效率;集成JTAG，支持在線編程;采用低電壓供電(2.7～3.6 V)，因為工程車輛車載電源為24V，必須經過電源轉換模塊才能轉換為系統各模塊所需的電壓。具備多種總線接口，兩個UART口可實現全雙工通信，通信波特率可分別設定，可分別用于GPS信號的接收和GPRS通訊交互。

　　此外，它內部集成的CAN控制器，符合CAN2.0B協議，帶有32個消息對象，每個消息對象有獨立的地址，可以配置為發送或接收數據，工作位速率可達1Mpbs。CAN總線控制器用于和工程車輛的ECU通訊，獲取車輛的實時運行數據和故障數據。可見，選用該芯片可充分應用已有的功能，大大簡化系統外圍電路的設計。

　　2.2 GPS定位模塊

　　工程車輛遠程監測系統采用GS-87作為GPS模塊，它是一個高效能、低功耗的智能型衛星接收模塊。GS-87工作電壓為3.3V，可以直接與單片機連接進行串口通訊;GS-87遵循NMEA_0183標準，定位精度可達10m以內，可以滿足對車輛的定位要求。單片機通過串口與GS-87相連，通過編程對GPS接收到的信息進行處理，提取出用戶所需的信息與監控中心通信以及存入外擴存儲器模塊。

　　2.3 GPRS通信模塊

　　工程車輛遠程監測系統選用MC55I作為GPRS模塊，它是車載移動終端與監控中心建立通信的重要部分[2]。其優勢在于永久在線、快速數據存儲，其GPRS是按流量計費，工作電壓為3.3 至4.8V。該模塊內嵌TCP/IP協議棧，通過串口和單片機相連，單片機使用AT指令控制GPRS模塊與監控中心服務器通訊，通過車載移動終端的GPRS模塊向監控中心發送車輛的實時信息以及接收來自監控中心的指令信息。

　　2.4 CAN總線模塊

　　2.4.1 CAN控制器

　　本系統采用的C8051F040單片機已集成CAN2.0B控制器，只需對其寄存器進行相應的編程操作即可設置它的工作方式，控制它的工作狀態，進行數據的發送和接收[3]。

　　2.4.2 CAN收發器

　　C8051F040集成的是CAN控制器，要使CAN總線得以運行，還需在單片機上接CAN收發器，進行電氣轉換，將邏輯電平轉換為平衡差分碼，常用的 CAN收發器為PHILIPS公司出品的TJA1050。為防止外界強電信號對系統影響, 單片機與TJA1050之間通過光電隔離器6N137隔離后相連;CAN總線上兩端結點須加電容電阻對信號吸收，以避免信號反射[4]。

　　2.4.3 數據傳輸線

　　目前車上主要有兩條CAN，一條用于驅動系統的高速CAN，速率達到500kb/s;另一條用于車身系統的低速CAN，速率是100kb/s。它們是雙向的，傳輸相同的數據，分別被稱為CAN高線和CAN低線。驅動系統CAN主要連接對象是：發動機控制器(ECU)、自動變速控制器、防抱死制動控制器 (ABS)、制動防滑控制器(ASR)，安全氣囊控制器(SRS)、主動懸架控制器、巡航系統控制器、電動轉向系統控制器及組合儀表信號采集系統等，都是與控制汽車行駛直接相關的系統。它們對信號的傳輸要求有很強的實時性、連續性和高速性。車身系統CAN主要連接對象是：前后車燈控制開關、電動座椅控制開關、中央門鎖與防盜控制開關、電動后視鏡控制開關、電動車窗升降開關、空調控制開關等。它們對信息傳輸的實時性要求不高，但數量較多[5]。圖3所示為CAN總線通訊模塊原理圖。

　　3 軟件設計

　　3.1 CAN總線中斷收發任務

　　按照多數車用CAN總線的配置，終端的CAN總線也配置成速率250K，工作在基本CAN模式下。CAN總線接收數據采用中斷方式，中斷程序把接收到的數據放入能容納10幀的接收數據緩沖區中，CAN總線任務掃描緩沖區，并將緩沖區數據全部取出，以備處理。CAN總線一般傳輸8個字節固定長度的短幀，每幀數據附帶一個ID號，根據不同的ID號來區分不同的數據幀。一般來說，ECU一次會發出數個不同ID號的數據幀。根據廠家的數據幀協議，可以從中獲取車輛實時運行數據和故障報警數據，包括：水溫、油溫、油位、油壓、發動機轉速、車輛傾斜度、報警值等。同時發送消息給各節點[6]。CAN總線中斷收發任務流程圖如圖4所示。

　　3.2 主程序任務

　　給車載終端上電后，便開始各模塊的初始化以及開中斷，GPS開始獲取定位信息，單片機編程處理接收的數據并與CAN總線任務獲取的車輛實時工作信息合并，組成一幀數據。系統一旦運行，GPRS通訊任務就開始通過AT指令登陸網絡，并保持一直在線，然后準備接收其它任務的數據發送請求，并發送數據給遠程服務器，由遠程服務器按通訊協議解析后，送進數據庫。遠程用戶通過網頁形式可瀏覽數據庫內容，進而對工程車輛進行監監測和調度管理。主程序流程圖如圖5所示。

　　4 結論

　　該系統硬件上采用模塊化設計，使得硬件可靠性得到較大提高;軟件上也采用模塊化程序編寫，使系統易于維護和升級。本系統運用GPS定位技術和GPRS無線網絡通信技術，結合車輛CAN總線，能有效的在遠程Internet終端上實時再現工程車輛位置和運行情況，保證了同步監測的有效性、及時性和安全性。經實際應用測試，運行效果良好，具有良好的推廣價值和應用前景。

　　參考文獻

　　[1]繆彬彬,殷晨波,王仁群,張淞.采用GPRS技術的CAN總線塔機安全監控系統[J].現代制造工程,2011(8).

　　[2]付強松.基于無線移動網絡的遠程數據采集系統的設計[J].信息與電子工程,2007(10).

　　[3]饒運濤.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

　　[4]陳崗.基于ARM的工程車輛運行參數遠程實時監控及定位調度系統設計與實現[J].信息技術與信息化,2008(1).

　　[5]童長飛.C8051F系列單片機開發與C語言編程[M].北京航空航天大學出版社,2005:252—253.

　　[6]朱建良,王興全.工程車輛遠程管理診斷系統終端設計[J].中國慣性技術學報,2007,15(3).