基于GPRS的纯电动矿山车远程监控车载终端设计

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　　摘  要： 针对矿山车辆远程监控的需求，设计了一款基于飞思卡尔MC9S12XET256MAG单片机的车载终端。该终端结合了GPS定位、CAN总线网络以及GPRS通信技术，通过分析矿山用车载终端实际需求，实现了实时传输车辆的GPS数据、车辆的实时速度、车辆电池电压、车辆电机状态与车辆运行数据，同时也包括车辆的驻车充电数据，实现对矿山车的远程监控功能。测试结果表明，该终端能够满足车辆远程监控需求，且运行稳定，应用前景广阔。
　　关键词： 车载终端; 单片机; CAN总线; GPRS; GPS
　　中图分类号：U469.6          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2020）04-54-04
　　Design of GPRS remote monitoring vehicle mounted terminal of pure electric mine car
　　Zhang Chenyu
　　（Faculty 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
　　新能源车辆正在全球一体化的环境下飞速发展，车辆电动化也已经是大势所趋，电动汽车从原有的乘用发展到商用车领域，再从商用车向特种车辆发展，车载终端的发展跟不上电动汽车发展的速度，现有的大部分远程车载终端仅适用于常规乘用车辆，并未对矿用车辆做出相应的车载终端开发[1]。
　　矿山内部路面的道路情况也会有雪霜等其他复杂的极端天气环境[4]，矿山用车车辆容易在行驶过程中发生的关于动力系统或者制动等问题，可能会威胁到生命安全。这个时候，一辆与监控终端相连，在行驶过程中可以实时的上传车辆行驶数据的矿用车[5-6]，例如单体电池电压数据、驱动电机状态等，可以有效的降低车辆在路上损坏的情况，大大的提高了车辆的安全系数[8]。
　　为了实现对矿山用车在行驶过程的数据远程监控功能，本文以飞思卡尔MC9S12XET256MAG单片机为核心，结合了CAN总线、GPS定位以及GPRS通信等技术，设计了一种能够实时采集并上传车辆运行状况的远程实时监控车载终端，实现了对矿山车进行实时监控的功能需求[9]。
　　1 车载终端整体方案设计
　　根据车辆的功能需求，车载终端需要满足以下要求：
　　⑴ 一般信息：车架号，IMEI号，基站信息等;
　　⑵ 定位需求。经纬度，GPS速度等;
　　⑶ 车辆日常监控需求。车辆主动将车辆上的重要数据上传到云，如电池数据、电机数据等。
　　车载终端的整体设计方案如下： CAN总线网络将获取的车辆电机状态、电池状态以及故障信息等车辆运行數据实时上传给主控芯片;GPS定位模块将获取车辆的位置信息，GPS速率和GPS航向等发送至MCU。MC9S12XET256MAG将获取到的车辆状态信息和车辆位置信息通过UART串口经GPRS模块传至远程监控平台[10-11]。车载终端总体结构图如图1所示。
　　2 车载终端硬件设计
　　2.1 GPS定位模块硬件设计
　　GPS定位模块负责接收车辆的定位数据、GPS速率GPS航向。本车载终端采用SIM28M作为GPS定位接收模块，SIM28M是专门针对车辆监控设计的定位芯片。SIM28M跟踪和采集的灵敏度均可以达到-160dBm，不仅是导航项目和定位服务的理想选择，也已经是同类GPS导航产品中的佼佼者，而且SIM28M的外围电路接口简单，故在此选用SIM28M定位芯片。如图2所示为GPS电路模块。
　　2.2 GPRS通信模块硬件设计
　　GPRS通信模块建立车载终端系统与远程监控平台的通信，实现车载终端系统与远程监控中心信息的交互，车载终端的服务产品为矿山车，而矿山车往往运行在一些偏远的山区，其网络通讯信号通常会比城镇弱很多。因此需要一个强有力的硬件支撑。广和通G510模块可以被集成进任何需要通过蜂窝网络来进行数据传输的产品或者系统中。因此，将G510作为通信核心单元集成至我们的GPRS模块中，不仅实现了本车载终端与监控平台通信功能，同时也可以大大提高车载终端的通讯能力，即使是在矿山车所运行的偏远地带。图3为GPRS的电源模块，电源转换芯片NCV5662DSADJR4G将输入电压6.6V转5V向GPRS模块供电，二极管D8防反向，此外，还能防止接入高电压以后输入电源的电容损坏。 　　2.3 CAN总线通信模块硬件设计
　　CAN总线通信模块将车辆CAN总线采集到的车辆数据信息分两路CAN电路，分别通过高速CANH和低速CANL发送至主控芯片，实现车辆CAN数据通信。CAN总线通信模块设计选择TJA1042T/1J控制器，TJA1042T/1J是NXP扩展高速CAN收发器系列产品，在汽车上具有极强的适用和通用性。之外，TJA1042T/1J在低功耗模式中通常会低至10μA。TJA1042T/1J内置CAN总线协议，在外部总线驱动下可以轻松构建CAN总线智能节点。CAN总线电路模块如图4所示。
　　3 车载终端软件设计
　　车载终端系统的包括一个主程序及其子程序模块。本车载终端系统的软件模块主要软件模块包括：各个模块的初始化程序、GPS定位数据处理程序、CAN总线通信程序、以及GPRS无线通信程序等模块。
　　3.1 CAN总线通信模块软件设计
　　车载终端系统接收到远程监控中心发送来的控制指令后，车载终端系统设置接收节点的ID，并将控制指令转发到CAN总线上，CAN总线上的各个节点根据CAN报文的ID判断是否接收。CAN数据接收流场如图5所示。
　　3.2 GPS模块软件设计
　　GPS定位信息报文解析主要负责接收GPS模块发送的报文信息，根据报文协议提取车辆监控信息并放入发送缓冲区。监控信息包括速度信息、经纬度信息等。由于终端通过GPS获得的量主要是位置信息和速度信息。在车载终端中，定位数据处理的过程在UART串口2的中断处理函数中完成，其整体设计的程序流程如图6所示。
　　3.3 GPRS模块软件设计
　　SIM28M采用串口（UART）完成与MCU的通信，通过串口发送AT指令实现GPRS模块与TCP连接和数据发送。定周期发送在PIT时间中断处理函数内实现，当完成发送前的准备工作且定时器时间到后，在中断函数内，向指定串口发送相应缓冲区内数据。串口发送数据流程图如图7所示。
　　4 验证测试
　　本车载终端的软件通过Freescale CodeWarrior软件连接USBDM仿真器给车载终端烧写程序。第一部先给车载终端上电，并且连接好程序烧写器，上电POWER灯均亮，显示正常。第二步通过Freescale CodeWarrior软件连接BDM下载器给车载终端烧写程序。在程序烧写以后，对进行数据传输的测试。将车载终端通过USBCAN收发与电脑连接，通过电脑上的CANTest向车载终端模拟发送车辆ECU数据。结果显示在前端界面接收到模拟的车辆数据，本文所设计的车载终端能够实现对车辆的即时运行数据以及车辆定位数据进行即时监控的需求。如图8所示为监控平台所接收到的车辆模拟数据。
　　5 结束语
　　为了解决对矿山用车在行驶过程中的车辆数据监控问题，本文基于GPRS网络开发了一款针对矿山车的车载终端，完成了车载终端的软硬件电路设计，对制作的车载终端进行系统调试以及验证工作。结果表明，本文设计的车载终端实现了对矿山车的车辆实时行驶数据进行监控。通过对车辆数据监控的远期数据累积，终端可以通过对监控数据的分析来评估驾驶习惯，以及通过能耗和残值的分析来为车辆维护提供数据支撑。
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　　[7] 胡瑶.基于CAN、GPRS技术的电动汽车远程监控系统研究[D].武汉理工大学，2012.
　　[8] 涂金林.电动汽车CAN网络系统的设计与实现[D].电子科技大学，2015.
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