交通道路设备的无线巡查系统设计

吴建峰

摘要：随着生活质量的提高，为了能让人们出行能够更加方便，外面的道路会越来越多，路边的交通灯、公交站亭、广告牌等设备也会随之增多。设备之多，有些会发生故障是难以避免的。由于设备都放在室外，要维修人员漫无目的去检查哪个设备是否发生故障时一件很繁琐的事情。交通道路巡查系统是利用装在室外设备里的发射机，把设备的情况通过无线信号发送出来。当在路上行走巡查车里的接收机收到无线信息后会先做统计，再把数据上传给服务器。后台管理人员可以通过服务器的统计数据安排维修人员到点维修，减轻了维修人员的工作量

关键词：交通；无线

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）12-0246-02

1 系统架构

无线巡查器主要是由发射机与接收机两部分组成。

发射机放置于室外交通道路的设备上，电源由锂电池提供。当设备正常工作时，设备负责对锂电池进行充电；当设备烧坏或者其他原因无法正常工作，设备停止对锂电池进行充电。设备电源经过AC-DC转换接到MCU的AD转换端，MCU通过检测AC-DC是否有输出电流，从而判断设备是否发生了故障。发射机把监测数据定时存入MCU的FLASH中，每隔一段时间把这些数据通过无线信号向外发送。

接收机放置于巡查车上。巡查车在道路上行走，接收机接收由设备中发射机发出的无线数据。接收机通过对收到的数据进行简单处理（添加位置信息，接收时间等），存入MCU的FLASH中。

对于接收机收集的数据，通过GPRS的方式把数据上传到数据服务器。

2 硬件组成

2.1 发射机

发射机的硬件主要组成：电源模块，无线发送模块，如下图所示。MCU采用的是STM32F103C8芯片（以下简称STM32）。

2.2 电源模块

电源模块由AC-DC转换模块与锂电池充电模块组成。

户外设备提供的一般是220V交流电，锂电池充电模块输入电压一般为5V，因此由设备到发射机之间需要一个AC-DC隔离电源模块，可以选取输入为100-240V AC/50-60Hz，输出为5V DC/3W的电源模块。

锂电池充电模块可选取TP4065模块。TP4056是一款单节锂离子电池充电器。其采用恒定电流/恒定电压线性的充电方式。由于采用了内部PMOSFET架构，加上防倒充电路，所以不需要外部隔离二极管。热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定于4.2V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10时，TP4056将自动终止充电循环。当输入电压被拿掉时，TP4056自动进入一个低电流状态，将电池漏电流降至2uA以下。

2.3 无线发送模块

由于433MHz和2.4GHz频段都可以无需申请免费使用，一般的无线通信都选用这两个频段。

433MHz方案和2.4GHz方案技术性能具体比较：

433MHz方案的主要特点是：

1） 采用的是窄带调幅技术，一般在5-25KHz；

2）采用单频点工作，不能有效抵抗因遮挡而产生的多径效应，造成通信不可靠，系统不稳定；

3）对讲机，车载通信设备，业余通信设备等都集中在这里，因而频道非常拥挤，环境干扰非常大；

4）频点飘移问题严重；

5）功耗大，发射机和天线体积庞大等。

2.4 GHz方案的主要特点

GHz方案的主要特点是：

1）微功率：发射功率低，是节能、环保产品；

2）从2400MHz到2483.5MHz，总共83.5MHz带宽的整个频段范围，它可以容许多个不同通信系统的多个不同信道共同使用；

3）采用先进的直序扩频技术，其抗干扰能力强、抗多径衰落能力强、与一般非直序扩频通信技术相比，对环境噪声的要求要低得多、通信质量好等。

由于户外环境比较复杂，发射机要求通信可靠性、系统稳定性较高，而且要符合低功耗设计，因而发射机无线通信选取2.4GHz频段。无线发送模块可选取SI24R1模块。

Si24R1是专为了低功耗无线场合设计，集成嵌入式ARQ基带协议引擎的无线收发芯片，采用的是GFSK/FSK数字调制与解调技术。Si24R1针对低功耗应用场合进行了优化，在关断模式下，所有寄存器值与FIFO值保持不变，关断电流小于0.7uA；在待机模式下，时钟保持工作，电流小于15uA。Si24R1采用的是SPI接口，MCU操作方便，并且与很少的外围无源器件既可以组成一个无线数据收发系统。2.4G无线模块电路如下：

2.5 接收机

接收机的硬件主要组成：电源模块，GPS模块，GPRS模块，无线接收模块，如下图所示。MCU采用的是STM32F103C8芯片（以下简称STM32）。

1）电源模块：车载电源提供的是12V电压，接收机需要的工作电压是5V。因此由设备到发射机之间需要电源转换模块。由于接收机上有GPS模块、GPRS模块、2.4G接收模块等，电源需要提供大约1A的工作电流，可采用典型的LM2596电源转换电路。

2）GPS模块：GPS模块可为接收机提供位置与UTC时间。GPS模块可选取VK1612。VK1612采用 KDS 0.5PPM高精度TCXO，内建LNA，低噪声信号放大器，内建 RTC 晶体，丰富的设置卫星质量控制及防止飘逸软体设置，支持 AssistNow Online 和 AssistNow Offline 等 A-GPS 服务。

3）GPRS模块：GPRS模块是用于接收机与服务器交互数据。GPRS模块可选取MG323。MG323模块是华为推出的一款4频段的GPRS模块，工作频段支持4频：GSM850/900/1800/1900MH，接收灵敏度高，工作温度范围广，传输速率快，采用GSM 标准AT 命令，内嵌TCP/IP 协议，支持GPRS业务等。

4）无线接收模块：见2.3无线发送模块。

3 数据处理

1）发射机监测记录存储：发射机需要做的是监测户外设备的工作情况。由于STM32的FLASH空间与擦写寿命都有限，不能一直在擦写数据，所以要在设定的时间点向STM32的FLASH写监测记录数据。每次写记录数据的内容是当前时间与设备的工作状态。发射机FLASH存储格式如下表。

2）接收机监测记录存储：当无线接收模块接收到数据，会马上存入缓冲区中，并提示STM32。STM32读取缓冲区里的数据，首先判断FLASH中已经存有该监测记录，如果已存在，直接丢弃；如果不存在，就读取当前GPS的位置信息与时间，与监测记录一并存入FLASH中。接收机FLASH存储格式如下：

3）无线数据帧格式：为了提高无线数据传输的可靠性，采用数据帧方式发送数据，具体格式如下：

① 帧头帧尾为数据帧开始与结束的标志；

② 设备号是唯一的，是每个独立设备的身份象征；

③ 帧号代表当前发送的是第几帧的数据；

④ 设备状态：0x01：设备工作正常；0x00：设备工作异常；

⑤ 为了保证无线通信数据的可靠性，需要对发送的数据进行CRC计算。

4）网络通信协议：接收机通过GPRS与服务器建立SOCKET连接。它们之间的数据交互采用问答的方式，通过通信协议完成的。通信协议数据帧格式如下：

① 帧头帧尾为数据帧开始与结束的标志；

② 流水号连续，表示监测记录没有丢失；

③ 命令字是识别该数据帧代表哪种命令；

④ CRC校验是为了增强数据传输的可靠性。

接收机与服务器之间的通信协议中有2条命令：分别记录上传命令与记录查询指令。

记录上传命令是利用GPRS的网络空闲时间，接收机把FLASH中的监测记录上传到服务器；由于GPRS网络原因，可能会是导致部分数据传输丢失，这时服务器可以通过记录查询指令要求接收机重新发送丢失了的监测记录。

5）工作流程：

4 总结

交通道路巡查系统是利用2.4G与GPRS无线通信技术，通过室外设备上的发射机与巡查车上的接收机，把室外设备信息进行收集与统计并上传服务器。通过查看统计的数据，能准确找到故障点，使得维修人员工作更有效率、维修更加方便。

参考文献：

[1] 何立民. 单片机应用系统设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社， 1993.

[2] 夏华. 无线通信模块设计与物联网应用开发[M].北京：电子工业出版社， 2011.

[3] 杜思深. 无线数据通信技术[M].北京：电子工业出版社， 2011.