校园实验车远程监控系统的设计

摘要:为了实现对校园实验车行驶状态参数的实时监控，设计了一套基于GPRS的远程监控系统.系统由单片机为核心的车载数据采集系统和基于Labview软件设计的监控中心组成.车载数据采集系统包括GPRS、车速传感器、冷却水温度传感器、燃油油量传感器等硬件电路和相应的程序.监控中心对接收到的数据进行显示及存储.系统长时间运行结果表明:该系统运行稳定，能够实现实时监控车辆状态参数，能够实现在紧急情况下远程停车的功能.

0引言

在车辆工程专业教学过程中，需要使用校园实验车进行车辆性能检测实验，目前的检测仪器均安装在实验车内，在进行实验时，除驾驶员外，还需要专门的实验教师操作检测仪器，参与实验的学生需分批乘坐在实验车内观察实验过程，造成一定的实验风险，当学生较多时，同一实验需反复进行多次，效率不高.为了解决以上问题，设计了一种基于GPRS(GeneralPacketRadioService通用无线分组业务)技术的校园实验车远程监控系统，用于汽车实验时数据采集及远程监控.

1系统总体方案设计

系统分为车载数据采集部分和监控中心2部分，车载数据采集系统以51单片机为核心，通过传感器采集车速、冷却液温度、油箱油量等车辆状态信息.监控中心运行在PC端，采用LabVIEW编程，主要对采集到的数据进行图形化显示和数据存储.2部分之间通过GPRS技术和Internet网络进行通信.

2车载数据采集系统设计

车载数据采集系统作为整个系统的下位机，负责将各传感器采集到的数据处理后利用GPRS模块，通过Internet网络，发送到作为上位机的监控中心.

2.1电路设计

车载数据采集系统的硬件主要包括各传感器接口电路和GPRS电路2大部分.其中传感器信号采集电路包括冷却液温度采集电路、车速信号采集电路、发动机转速信号采集电路、油箱油量采集电路.GPRS模块用于将经过单片机处理合成后的数据通过GPRS发到Internet公网.

2.1.1GPRS模块选型

GPRS模块选用SIM800模块，如图2所示.这是一款高性能工业级的四频段GSM/GPRS模块，包括电源接口、串行接口和SIM卡槽接口，支持中国移动2G，3G，4G网络[1]，功能完善，抗干扰强，尺寸小巧.51单片机通过串行口与该模块的收发引脚(RXD、TXD)相连，进行串行通信.SIM800模块负责与监控中心进行TCP/IP通信，将合成好的数据发送到监控中心.GPRS模块先向公网IP传送数据，运行在PC机上的监控中心再从公网获取数据.在整个传送过程中，公网IP起着至关重要的作用.

2.1.2各传感器接口电路设计

冷却液温度传感器选用负温度系数的热敏电阻式温度传感器[2]，将其安装在发动机冷却水出水口管路中，传感器输出的电压信号送入ADC0832芯片的模拟输入通道CH0进行模数转换，将转换后得到的数字信号送入单片机.油箱油量采用处于油箱中的浮子带动滑动变阻器阻值变化进行检测，电阻变化引起电压发生变化，将电压信号送入ADC0832芯片的模拟输入通道CH1进行模数转换，得到油量数据.车速传感器采用霍尔式转速传感器，输出信号送入单片机P3.4引脚，由单片机内部计数器T0进行计数.发动机转速信号取自一缸点火信号，由单片机内部计数器T1进行计数.选用LCD12864作为显示器.采用继电器进行紧急停车控制，将继电器常闭触点串联在发动机的各缸点火信号线上，电路改造相对简单.实验车选用QQ3型轿车，为三缸独立点火方式，故需要三路继电器控制三路点火信号线.最终设计完成的车载数据采集系统电路原理。

2.2程序设计

51单片机通过串行口发送AT指令对GPRS模块SIM808进行初始化设置，主要进行以下配置:

AT+CGCLASS=B;//设置GPRS移动台类别为B，支持包交换和数据交换.AT+CGDCONT=1，IP，CMNET;//定义PDP

(分组数据协议类型)上下文，用于规定分组数据协议类型的字符串参数，使用因特网协议，中国移动CMNET接入点.AT+CGATT=1;//附着GPRS业务.AT+CIPCSGP=1，CMNET;//设置GPRS作为无线连接模式，中国移动CMNET接入点.AT+CIPSTART=TCP，103.46.128.21，29714;//激活TCP链接，远程服务器IP地址，即上位机的IP地址103.46.128.21，远程服务端口29714.等待GRPS网络连接成功后，单片机将各传感器采集的数据按设计的标准格式进行合并，合并后的标准数据串如下所示:通过“AT+CIPSEND”指令将标准数据串一次性发送出去.由于SIM800采用TCP协议传送数据，如果TCP通信中两端，即车载数据采集系统和监控中心都没有数据传输且达到一定时间时，网络运营商的网关会自动断开SIM800的通信链路，此时监控中心就无法与车载采集系统通信，监控中心无法确定车载数据采集系统是处于长时间空闲状态还是处于掉线状态[3].为了避免这一情况，在车载数据采集系统的单片机程序中加入了心跳包数据“OK”，单片机每隔10s向监控中心发送“OK”心跳包，同时在监控中心程序中也加入心跳包数据“KO”，监控中心定时向单片机发送“KO”心跳包，维持TCP通信链路的连接.当单片机长时间无法收到来自监控中心的心跳包数据“KO”时，即可能是SIM808掉线导致，此时单片机程序关闭链接，重新执行TCP链接指令，链接成功后继续采集数据并发送.

3监控中心设计

TCP/IP协议是Internet最基本的协议，是一个由不同层次上的多个协议组合而成的协议族.TCP传输控制协议是一种面向连接的可靠的通信协议[4].上位机监控系统采用LabVIEW软件进行设计，LabVIEW软件中内嵌有TCP通信的子VI，采用服务器/客户端通信模式，监控中心工作在服务器Server模式，车载数据采集系统工作在客户端Client模式[5].上位机通过“TCP侦听VI(TCPLis-ten.VI)”监听通信端口，等待作为客户端的车载数据采集系统发送的连接请求，当收到连接请求后通过“打开TCP连接VI(TCPOpenConnection.VI)”连接TCP网络，再通过“读取TCP数据VI(TCPRead.VI)”从TCP网络链接中读取字节.由于实验车监控系统是在兰州工业学院校园内运行，使用的网络环境是学校的内网，分配给PC机的是一个动态的IP地址，当IP地址改变时烧进单片机的程序就无法使用了，需要重新修改单片机程序中的IP地址才能使用.所以要建立外网与学校内网的映射关系，采用花生壳软件申请外网域名，进行内网穿透，将申请的外网域名与内网主机IP进行映射，解决了外网访问内网的问题.基于LabVIEW的上位机监控系统由一个发送循环和一个接收循环组成，发送循环将上位机中的控制命令发送给车载数据采集系统的单片机，接收循环用于接收车载数据采集系统通过Internet网络中传来的数据.TCP的发送和接收采用两个独立的While循环结构，发送和接收互不影响.待发送的命令由用户输入“InputLine”控件，通过“写入TCP数据VI(TCPWrite.VI)”发送，行了测试试验，监控中心对车辆的车速、发动机转速、油量、温度信号进行远程监控，监控数据如图8所示.在“输入命令”文本框中输入“pwroff”，可以切断汽车发动机点火信号，使车辆熄火.在系统正常工作时，“工作指示灯”会不断闪烁，按下“STOP”按钮，远程监控系统关闭.接收到的数据通过条件结构区分出心跳包数据“OK”和标准数据串，若接收到的是心跳包数据“OK”，则控制前面板的工作指示灯闪烁，若接收到的是标准数据串，则通过“索引数组VI(IndexAr-ray.vi)”按字节分解[6-7]，处理后传递给相应的车速、发动机转速、冷却水温度、燃油量等显示控件进行显示，并通过“电子表格文件写入VI(WriteDe-limitedSpreadsheet.VI)”将数据存储到Excel表格中，最终设计完成的监控中心前面。

4系统试验

车载数据采集系统安装在试验车QQ3上后进本文设计了一种用于校园实验车的远程监控系统，包括单片机为核心的车载数据采集系统和基于LabVIEW的监控中心.经长时间测试，该远程监控系统能够实时监控车辆的状态数据，数据更新率约为3Hz，稳定性较好.该监控系统可运用在车辆性能检测实验中，提高实验效率，降低实验风险.

参考文献:

[1]罗成，陈淑荣，剧季.基于GPRS传输的车辆远程监控及行驶轨迹优化[J]，微型机与应用，2017.(11):60-63.

[2]于淑霞.简述几种汽车发动机用热敏电阻式温度传感器[J].内蒙古科技与经济，2018，1(2):100-102.

[3]赵璐然，秦建敏.基于LabVIEW的冰情远程检测数据处理系统的设计与实现[J].数学的实践与认识，2015，1(2):161-167.

[4]李洪涛，巴兴强.基于嵌入式系统的汽车制动参数采集与监测系统[J].科学技术与工程，2019，11(32):254-259.

[5]刘志蕾，陈艳花，冯志亮，等.基于TCP/IP协议的测控系统的开发[J].计算机测量与控制，2015，23(10):3418-3420.