基于GPRS的純電動礦山車遠程監控車載終端設計
「針對礦山車輛遠程監控的需求，設計了一款基于飛思卡爾MC9S12XET256MAG單片機的車載終端。該終端結合了GPS定位、CAN總線網絡以及GPRS通信技術，通過分析礦山用車載終端實際需求，實現了實時傳輸車輛的GPS數據、車輛的實時速度、車輛電池電壓、車輛電機狀態與車輛運行數據，同時也包括車輛的駐車充電數據，實現對礦山車的遠程監控功能。測試結果表明，該終端能夠滿足車輛遠程監控需求，且運行穩定，應用前景廣闊。(2023-2-25)」
關鍵詞： 車載終端; 單片機; CAN總線; GPRS; GPS
中圖分類號：U469.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8228（2020）04-54-04
Design of GPRS remote monitoring vehicle mounted terminal of pure electric mine car
Zhang Chenyu
�。‵aculty of Mechanical Engineering & Automation， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）
Abstract： Aiming at the demand of remote monitoring of mine car， this paper designs a vehicle mounted terminal with Freescale MC9S12XET256MAG MCU. The terminal combines GPS positioning， CAN bus network and GPRS communication technology. By analyzing the actual demand of the mine car， the terminal realizes the transmission of the real-time data of GPS， speed， battery voltage， motor status， and traveling， as well as the charging data of the car， to realize the remote monitoring function of mine car. The test results show that the terminal can meet the remote monitoring requirement of the mine car， and the system is stable and the application prospect is broad.
Key words： vehicle mounted terminal; single chip microcomputer; CAN bus; GPRS; GPS
0 引言
新能源車輛正在全球一體化的環境下飛速發展，車輛電動化也已經是大勢所趨，電動汽車從原有的乘用發展到商用車領域，再從商用車向特種車輛發展，車載終端的發展跟不上電動汽車發展的速度，現有的大部分遠程車載終端僅適用于常規乘用車輛，并未對礦用車輛做出相應的車載終端開發[1]。
礦山內部路面的道路情況也會有雪霜等其他復雜的極端天氣環境[4]，礦山用車車輛容易在行駛過程中發生的關于動力系統或者制動等問題，可能會威脅到生命安全。這個時候，一輛與監控終端相連，在行駛過程中可以實時的上傳車輛行駛數據的礦用車[5-6]，例如單體電池電壓數據、驅動電機狀態等，可以有效的降低車輛在路上損壞的情況，大大的提高了車輛的安全系數[8]。
為了實現對礦山用車在行駛過程的數據遠程監控功能，本文以飛思卡爾MC9S12XET256MAG單片機為核心，結合了CAN總線、GPS定位以及GPRS通信等技術，設計了一種能夠實時采集并上傳車輛運行狀況的遠程實時監控車載終端，實現了對礦山車進行實時監控的功能需求[9]。
1 車載終端整體方案設計
根據車輛的功能需求，車載終端需要滿足以下要求：
�、� 一般信息：車架號，IMEI號，基站信息等;
�、� 定位需求。經緯度，GPS速度等;
�、� 車輛日常監控需求。車輛主動將車輛上的重要數據上傳到云，如電池數據、電機數據等。
車載終端的整體設計方案如下： CAN總線網絡將獲取的車輛電機狀態、電池狀態以及故障信息等車輛運行數據實時上傳給主控芯片;GPS定位模塊將獲取車輛的位置信息，GPS速率和GPS航向等發送至MCU。MC9S12XET256MAG將獲取到的車輛狀態信息和車輛位置信息通過UART串口經GPRS模塊傳至遠程監控平臺[10-11]。車載終端總體結構圖如圖1所示。
2 車載終端硬件設計
2.1 GPS定位模塊硬件設計
GPS定位模塊負責接收車輛的定位數據、GPS速率GPS航向。本車載終端采用SIM28M作為GPS定位接收模塊，SIM28M是專門針對車輛監控設計的定位芯片。SIM28M跟蹤和采集的靈敏度均可以達到-160dBm，不僅是導航項目和定位服務的理想選擇，也已經是同類GPS導航產品中的佼佼者，而且SIM28M的外圍電路接口簡單，故在此選用SIM28M定位芯片。如圖2所示為GPS電路模塊。
2.2 GPRS通信模塊硬件設計
GPRS通信模塊建立車載終端系統與遠程監控平臺的通信，實現車載終端系統與遠程監控中心信息的交互，車載終端的服務產品為礦山車，而礦山車往往運行在一些偏遠的山區，其網絡通訊信號通常會比城鎮弱很多。因此需要一個強有力的硬件支撐。廣和通G510模塊可以被集成進任何需要通過蜂窩網絡來進行數據傳輸的產品或者系統中。因此，將G510作為通信核心單元集成至我們的GPRS模塊中，不僅實現了本車載終端與監控平臺通信功能，同時也可以大大提高車載終端的通訊能力，即使是在礦山車所運行的偏遠地帶。圖3為GPRS的電源模塊，電源轉換芯片NCV5662DSADJR4G將輸入電壓6.6V轉5V向GPRS模塊供電，二極管D8防反向，此外，還能防止接入高電壓以后輸入電源的電容損壞。 2.3 CAN總線通信模塊硬件設計
CAN總線通信模塊將車輛CAN總線采集到的車輛數據信息分兩路CAN電路，分別通過高速CANH和低速CANL發送至主控芯片，實現車輛CAN數據通信。CAN總線通信模塊設計選擇TJA1042T/1J控制器，TJA1042T/1J是NXP擴展高速CAN收發器系列產品，在汽車上具有極強的適用和通用性。之外，TJA1042T/1J在低功耗模式中通常會低至10μA。TJA1042T/1J內置CAN總線協議，在外部總線驅動下可以輕松構建CAN總線智能節點。CAN總線電路模塊如圖4所示。
3 車載終端軟件設計
車載終端系統的包括一個主程序及其子程序模塊。本車載終端系統的軟件模塊主要軟件模塊包括：各個模塊的初始化程序、GPS定位數據處理程序、CAN總線通信程序、以及GPRS無線通信程序等模塊。
3.1 CAN總線通信模塊軟件設計
車載終端系統接收到遠程監控中心發送來的控制指令后，車載終端系統設置接收節點的ID，并將控制指令轉發到CAN總線上，CAN總線上的各個節點根據CAN報文的ID判斷是否接收。CAN數據接收流場如圖5所示。
3.2 GPS模塊軟件設計
GPS定位信息報文解析主要負責接收GPS模塊發送的報文信息，根據報文協議提取車輛監控信息并放入發送緩沖區。監控信息包括速度信息、經緯度信息等。由于終端通過GPS獲得的量主要是位置信息和速度信息。在車載終端中，定位數據處理的過程在UART串口2的中斷處理函數中完成，其整體設計的程序流程如圖6所示。
3.3 GPRS模塊軟件設計
SIM28M采用串口（UART）完成與MCU的通信，通過串口發送AT指令實現GPRS模塊與TCP連接和數據發送。定周期發送在PIT時間中斷處理函數內實現，當完成發送前的準備工作且定時器時間到后，在中斷函數內，向指定串口發送相應緩沖區內數據。串口發送數據流程圖如圖7所示。
4 驗證測試
本車載終端的軟件通過Freescale CodeWarrior軟件連接USBDM仿真器給車載終端燒寫程序。第一部先給車載終端上電，并且連接好程序燒寫器，上電POWER燈均亮，顯示正常。第二步通過Freescale CodeWarrior軟件連接BDM下載器給車載終端燒寫程序。在程序燒寫以后，對進行數據傳輸的測試。將車載終端通過USBCAN收發與電腦連接，通過電腦上的CANTest向車載終端模擬發送車輛ECU數據。結果顯示在前端界面接收到模擬的車輛數據，本文所設計的車載終端能夠實現對車輛的即時運行數據以及車輛定位數據進行即時監控的需求。如圖8所示為監控平臺所接收到的車輛模擬數據。
5 結束語
為了解決對礦山用車在行駛過程中的車輛數據監控問題，本文基于GPRS網絡開發了一款針對礦山車的車載終端，完成了車載終端的軟硬件電路設計，對制作的車載終端進行系統調試以及驗證工作。結果表明，本文設計的車載終端實現了對礦山車的車輛實時行駛數據進行監控。通過對車輛數據監控的遠期數據累積，終端可以通過對監控數據的分析來評估駕駛習慣，以及通過能耗和殘值的分析來為車輛維護提供數據支撐。
參考文獻（References）：
[1] 蘇濤.電動汽車車載終端系統設計[J].自動化與儀表，2018.33（5）：88-92，105
[2] 李芝霞，史忠科.遠程車輛定位系統的車載終端設計與實現[J].測控技術，2008.11：58-60
[3] 孫高煒，彭道海，鄒曉.基于北斗/GPS和GPRS的車載定位終端[J].南方農機，2019.50（13）：47
[4] 韓愛國，王萌.基于MC9S12XEP100的純電動物流車整車控制器設計[J].自動化與儀表，2017.32（9）：20-23，56
[5] 周新宇，姜久春，牛利勇，鮑諺.基于GPRS的純電動汽車遠程監控終端研究與設計[J].電測與儀表，2013.50（11）：96-101
[6] 惠曉威，劉彥每.基于GPS/GPRS的物流車載終端系統設計[J].計算機應用與軟件，2015.32（6）：80-82，119
[7] 胡瑤.基于CAN、GPRS技術的電動汽車遠程監控系統研究[D].武漢理工大學，2012.
[8] 涂金林.電動汽車CAN網絡系統的設計與實現[D].電子科技大學，2015.
(褲緣)
中圖分類號：U469.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8228（2020）04-54-04
Design of GPRS remote monitoring vehicle mounted terminal of pure electric mine car
Zhang Chenyu
�。‵aculty of Mechanical Engineering & Automation， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）
Abstract： Aiming at the demand of remote monitoring of mine car， this paper designs a vehicle mounted terminal with Freescale MC9S12XET256MAG MCU. The terminal combines GPS positioning， CAN bus network and GPRS communication technology. By analyzing the actual demand of the mine car， the terminal realizes the transmission of the real-time data of GPS， speed， battery voltage， motor status， and traveling， as well as the charging data of the car， to realize the remote monitoring function of mine car. The test results show that the terminal can meet the remote monitoring requirement of the mine car， and the system is stable and the application prospect is broad.
Key words： vehicle mounted terminal; single chip microcomputer; CAN bus; GPRS; GPS
0 引言
新能源車輛正在全球一體化的環境下飛速發展，車輛電動化也已經是大勢所趨，電動汽車從原有的乘用發展到商用車領域，再從商用車向特種車輛發展，車載終端的發展跟不上電動汽車發展的速度，現有的大部分遠程車載終端僅適用于常規乘用車輛，并未對礦用車輛做出相應的車載終端開發[1]。
礦山內部路面的道路情況也會有雪霜等其他復雜的極端天氣環境[4]，礦山用車車輛容易在行駛過程中發生的關于動力系統或者制動等問題，可能會威脅到生命安全。這個時候，一輛與監控終端相連，在行駛過程中可以實時的上傳車輛行駛數據的礦用車[5-6]，例如單體電池電壓數據、驅動電機狀態等，可以有效的降低車輛在路上損壞的情況，大大的提高了車輛的安全系數[8]。
為了實現對礦山用車在行駛過程的數據遠程監控功能，本文以飛思卡爾MC9S12XET256MAG單片機為核心，結合了CAN總線、GPS定位以及GPRS通信等技術，設計了一種能夠實時采集并上傳車輛運行狀況的遠程實時監控車載終端，實現了對礦山車進行實時監控的功能需求[9]。
1 車載終端整體方案設計
根據車輛的功能需求，車載終端需要滿足以下要求：
�、� 一般信息：車架號，IMEI號，基站信息等;
�、� 定位需求。經緯度，GPS速度等;
�、� 車輛日常監控需求。車輛主動將車輛上的重要數據上傳到云，如電池數據、電機數據等。
車載終端的整體設計方案如下： CAN總線網絡將獲取的車輛電機狀態、電池狀態以及故障信息等車輛運行數據實時上傳給主控芯片;GPS定位模塊將獲取車輛的位置信息，GPS速率和GPS航向等發送至MCU。MC9S12XET256MAG將獲取到的車輛狀態信息和車輛位置信息通過UART串口經GPRS模塊傳至遠程監控平臺[10-11]。車載終端總體結構圖如圖1所示。
2 車載終端硬件設計
2.1 GPS定位模塊硬件設計
GPS定位模塊負責接收車輛的定位數據、GPS速率GPS航向。本車載終端采用SIM28M作為GPS定位接收模塊，SIM28M是專門針對車輛監控設計的定位芯片。SIM28M跟蹤和采集的靈敏度均可以達到-160dBm，不僅是導航項目和定位服務的理想選擇，也已經是同類GPS導航產品中的佼佼者，而且SIM28M的外圍電路接口簡單，故在此選用SIM28M定位芯片。如圖2所示為GPS電路模塊。
2.2 GPRS通信模塊硬件設計
GPRS通信模塊建立車載終端系統與遠程監控平臺的通信，實現車載終端系統與遠程監控中心信息的交互，車載終端的服務產品為礦山車，而礦山車往往運行在一些偏遠的山區，其網絡通訊信號通常會比城鎮弱很多。因此需要一個強有力的硬件支撐。廣和通G510模塊可以被集成進任何需要通過蜂窩網絡來進行數據傳輸的產品或者系統中。因此，將G510作為通信核心單元集成至我們的GPRS模塊中，不僅實現了本車載終端與監控平臺通信功能，同時也可以大大提高車載終端的通訊能力，即使是在礦山車所運行的偏遠地帶。圖3為GPRS的電源模塊，電源轉換芯片NCV5662DSADJR4G將輸入電壓6.6V轉5V向GPRS模塊供電，二極管D8防反向，此外，還能防止接入高電壓以后輸入電源的電容損壞。 2.3 CAN總線通信模塊硬件設計
CAN總線通信模塊將車輛CAN總線采集到的車輛數據信息分兩路CAN電路，分別通過高速CANH和低速CANL發送至主控芯片，實現車輛CAN數據通信。CAN總線通信模塊設計選擇TJA1042T/1J控制器，TJA1042T/1J是NXP擴展高速CAN收發器系列產品，在汽車上具有極強的適用和通用性。之外，TJA1042T/1J在低功耗模式中通常會低至10μA。TJA1042T/1J內置CAN總線協議，在外部總線驅動下可以輕松構建CAN總線智能節點。CAN總線電路模塊如圖4所示。
3 車載終端軟件設計
車載終端系統的包括一個主程序及其子程序模塊。本車載終端系統的軟件模塊主要軟件模塊包括：各個模塊的初始化程序、GPS定位數據處理程序、CAN總線通信程序、以及GPRS無線通信程序等模塊。
3.1 CAN總線通信模塊軟件設計
車載終端系統接收到遠程監控中心發送來的控制指令后，車載終端系統設置接收節點的ID，并將控制指令轉發到CAN總線上，CAN總線上的各個節點根據CAN報文的ID判斷是否接收。CAN數據接收流場如圖5所示。
3.2 GPS模塊軟件設計
GPS定位信息報文解析主要負責接收GPS模塊發送的報文信息，根據報文協議提取車輛監控信息并放入發送緩沖區。監控信息包括速度信息、經緯度信息等。由于終端通過GPS獲得的量主要是位置信息和速度信息。在車載終端中，定位數據處理的過程在UART串口2的中斷處理函數中完成，其整體設計的程序流程如圖6所示。
3.3 GPRS模塊軟件設計
SIM28M采用串口（UART）完成與MCU的通信，通過串口發送AT指令實現GPRS模塊與TCP連接和數據發送。定周期發送在PIT時間中斷處理函數內實現，當完成發送前的準備工作且定時器時間到后，在中斷函數內，向指定串口發送相應緩沖區內數據。串口發送數據流程圖如圖7所示。
4 驗證測試
本車載終端的軟件通過Freescale CodeWarrior軟件連接USBDM仿真器給車載終端燒寫程序。第一部先給車載終端上電，并且連接好程序燒寫器，上電POWER燈均亮，顯示正常。第二步通過Freescale CodeWarrior軟件連接BDM下載器給車載終端燒寫程序。在程序燒寫以后，對進行數據傳輸的測試。將車載終端通過USBCAN收發與電腦連接，通過電腦上的CANTest向車載終端模擬發送車輛ECU數據。結果顯示在前端界面接收到模擬的車輛數據，本文所設計的車載終端能夠實現對車輛的即時運行數據以及車輛定位數據進行即時監控的需求。如圖8所示為監控平臺所接收到的車輛模擬數據。
5 結束語
為了解決對礦山用車在行駛過程中的車輛數據監控問題，本文基于GPRS網絡開發了一款針對礦山車的車載終端，完成了車載終端的軟硬件電路設計，對制作的車載終端進行系統調試以及驗證工作。結果表明，本文設計的車載終端實現了對礦山車的車輛實時行駛數據進行監控。通過對車輛數據監控的遠期數據累積，終端可以通過對監控數據的分析來評估駕駛習慣，以及通過能耗和殘值的分析來為車輛維護提供數據支撐。
參考文獻（References）：
[1] 蘇濤.電動汽車車載終端系統設計[J].自動化與儀表，2018.33（5）：88-92，105
[2] 李芝霞，史忠科.遠程車輛定位系統的車載終端設計與實現[J].測控技術，2008.11：58-60
[3] 孫高煒，彭道海，鄒曉.基于北斗/GPS和GPRS的車載定位終端[J].南方農機，2019.50（13）：47
[4] 韓愛國，王萌.基于MC9S12XEP100的純電動物流車整車控制器設計[J].自動化與儀表，2017.32（9）：20-23，56
[5] 周新宇，姜久春，牛利勇，鮑諺.基于GPRS的純電動汽車遠程監控終端研究與設計[J].電測與儀表，2013.50（11）：96-101
[6] 惠曉威，劉彥每.基于GPS/GPRS的物流車載終端系統設計[J].計算機應用與軟件，2015.32（6）：80-82，119
[7] 胡瑤.基于CAN、GPRS技術的電動汽車遠程監控系統研究[D].武漢理工大學，2012.
[8] 涂金林.電動汽車CAN網絡系統的設計與實現[D].電子科技大學，2015.
(褲緣)