作者：劉會娟;郝繼飛;閆文杰;縱慧慧

1.引言

目前，工程機械不僅力求采用內部網絡來解決各個系統間進行數據交換的問題，尤其因為需要經常工作在偏遠地區，工程機械希望結合電子通訊等行業，采用發高性價比的設備來實現遠程監控功能。針對網絡化的要求，汽車行業已經開始引入現場總線，并且形成了統一的標準— J1939標準［6］，并且相關的產品系統逐漸進入國內市場；而短消息服務業務 SMS作為 GSM網絡的一種基本業務，具有：永遠在線；不需撥號；價格較便宜；覆蓋范圍廣等特點，特別適用于小流量的數據傳輸的應用。 GSM短信業務［2］、J1939數據采集［8］、無線監控系統都是近年來研究的熱點問題，但是將三者結合起來的設備在國內為數不多。將三者集合起來，不僅可以解決單點的實時監測，更貫穿密集的網絡上各個節點，使結構更加靈活，又可以進一步降低成本。本文設計的遠程監控系統就是綜合了以上三者的在工程機械上的一個應用。安排設計了一個安裝在工程機械上的裝置，帶有符合 J1939標準［6］的 CAN總線接口以讀取總線上發動機工作狀態，然后將這些信息定時通過GSM短信形式發送出去的監控系統，對工程機械的使用有很多實際意義。整體系統實現了對發動機參數進行實時顯示與發送的功能，用戶不僅可以根據需要實時監測發動機狀況，而且可以把相關參數以短消息形式發送給監控中心，完成遠程監控，并且可以保存作為后期研究比較的依據。

2.系統硬件結構

本課題所設計的監控系統是基于 GSM的短信業務，并且采用 AT90CAN28作為控制器來實現遠程監控的。總體結構圖如下圖 1：

設計中主要研究的是監控系統終端的硬件設計，其中監控中心可以是用戶手機也可以是載有 GSM模塊的 PC。

2.1、監控終端的硬件模塊化設計

硬件結構圖如圖 2

硬件設計時采用了模塊化思想，將監控終端分成五大模塊：電源、J1939數據采集、 GSM短信模塊、人機界面（包括鍵盤和液顯）和控制模塊。

控制模塊使用的單片機是 AVR出產的具有 RISC 內核的 8位低功耗 CMOS微處理器，典型特點：內置 CAN控制器，顯著的節省了硬件資源 ，簡化了程序代碼。而短信模塊選擇的是西門子公司的GSM/GPRS模塊MC35i；液晶顯示模塊則是選用了北京青云 LCM12864ZK，可顯示四行，每行 8個漢字。

a） 供電部分

由于 MC35I的工作電壓范圍是 3.3-4.8V，當 MC35i模塊啟動后，經過幾秒的延時，模塊開始搜索網絡，這時需要超過 2A的驅動電流（時間很短微秒級），如果驅動不足，會引起模塊的突然掉電；車載電源輸出一般是 24V但是波動很大，低壓可以到 12V高壓可以達到 40V ，為了更好的給單片機和通信模塊供電，選擇寬輸入 DC-DC模塊 PS12W24DC5D，輸出電壓穩定在 5V左右，昀大提供電流為 2.4A，只要加一個二極管降壓就可以得到滿足通訊模塊要求的電壓輸出，可以避免當模塊搜索網絡時驅動電流不足的問題。并且在電壓輸出端并聯一個大電容 22uF，起蓄流的作用，也能起到提高驅動電流的作用，解決了驅動不足時掉電的問題。

b） 單片機與通信模塊的外圍設計

通信模塊 MC35i模塊［4］有 40個引腳，通過一個 ZIF（零阻力插座）連接器引出。這 40個引腳可以劃分為 5類，即電源、數據輸入 /輸出、SIM卡、音頻接口和控制。主要電路有：

①、開啟與關斷電路：

在接通電源后，MC35i 并不能自動啟動，需要上電后在其 15引腳 IGT上提供 100 ms的低電平 MC35i才能正常啟動。為了保證在復位以及人為操作時都可以是模塊激活，選擇了加了三極管反相控制的由單片機 PE1控制的開啟電路。至于關斷在正常狀態下采用軟件 AT指令實現，故障期間硬件強制關斷則是控制 PD引腳低電平時間大于 3.5s。

單片機與通信模塊是通過串口通信的方式進行信息傳輸的，如圖 3，通信模塊 MC35i的 16-23引腳數據輸入 /輸出端的 8個引腳分別為 DSRO，RINGO，RXDO，TXDO，CTSO， RTSO，DTRO，DCDO，它有固定的參數 ：8位數據位和 1位停止位，無校驗位，波特率在 300-115000bps之間可以選擇，這里選擇默認的 9600bps作為數據傳輸的波特率，硬件握手信號用 RTS/CTS，模塊串口支持標淮的 AT命令集。單片機的串口要和 MC35i模塊串口相連，但由于 MC35i模塊的串口高電平是 2.65V，單片機的串口高電平為 5V，因此 RXD\TXD腳不能直接和單片機相連，可以采用采用 TI公司的電平轉換芯片 LVC245解決上述問題；設計中采用實際與理論相結合的方式，在從 MC35i到 MCU的方向加了驅動門電路 7407。

②、SIM卡電路：

模塊的24-29管腳為SIM卡引腳，分別為CCIN，CCRST，CCIO，CCCLK，CCVCC， CCGND，其中 CCIN引腳用于檢測 SIM卡插槽中 SIM卡是否插入正常，如果正常插人， CCIN腳會輸出高電平，如果插人異常，CCIN引腳會維持低電平，模塊會在 CCCLK的周期下定時檢測 SIM卡，因此 CCIN腳會定時出現一個跳變 ，可以用作檢測 SIM存在與否的依據；CCVCC引腳是 MC35i模塊為 SIM卡提供的供電電源，2.9v左右。

③、狀態檢測電路：

調試階段，采用三極管驅動發光二極管，通過二極管明滅狀態及時間來查表獲得工作組態；成品設計中的下位機使用液晶顯示，從液晶上直接顯示各種工作狀態，簡化了硬件，只需加一個上拉電阻，采用雙向口 PE3與之相連，通過軟件讀取引腳狀態來判斷 MC35I的工作組態。

2.3 CAN驅動與通信電路設計

CAN總線通信與驅動部分的硬件由：微控制器 AT90CAN128、CAN總線驅動器 PCA82C250以及高速光電耦 6N137構成，主要實現從 CAN總線上按照 J1939協議標準采集實時信息［9］。在數據的接收過程中，數據從 CAN總線上經過接口（一般是 DB9系列）進入 82C250收發器，再經過高速光電隔離芯片 6N137的隔離進入 CAN控制器。通過 6N137進行光電隔離以提高總線的抗干擾能力。

3.軟件結構

系統軟件結構同樣本著模塊化和功能昀小實現的原則，主要包括監控中心軟件、監控終端軟件。監控中心軟件主要由串口通信模塊、管理模塊、用戶操作界面和后臺數據庫四部分組成。可以實現的功能有：短消息的提取與存儲，數據的分析處理和顯示，對異常數據的聲光報警，數據庫查詢、統計及報表輸出等。監控終端則主要包括：符合 J1939數據采集與處理、人機界面軟件、與 GSM短信編碼與發送。實現功能：實時采集、運行監控、液晶顯示、發送及控制以及聲光報警等。

4.總結

隨著 J1939與移動通信技術的發展，移動終端及 CAN總線采集設備的普及應用程度越來越高，而基于短消息的增值服務的前景越來越光明。基于短消息和 J1939的遠程監控系統將有線傳輸的低廉與無線傳輸的便利有機結合了起來，有效降低了系統建成和運營成本;同時由于 J1939通信穩定可靠，也在一定程度上減少了系統出錯的概率。因此，該系統在車載監控、工業數據采集系統等領域具有一定的實用價值。

但是，由于 SMS的費用及傳輸的缺點局限：容量限制（每條短信內容昀多 140個字節）；網絡繁忙時短信延遲長等，只適于傳輸小流量的數據。而建立在 GSM基礎上的 GPRS恰恰具備了實時性強、快速性等等優點。故在實時性要求較高或數據量較大的應用場合，使用 GPRS代替短消息作為無線數據傳輸平臺將更為合適。