基于GPRS的机车实时监测系统

分类：解决方案日期：2007-01-24 00:00:00

[摘要]：GPRS（通用分组无线电业务）由于其流量计费、高速传输等特点，正越来越广泛地用于车载监控、电力抄表、气象监测等行业的远程数据传输。本文介绍一种基于GPRS无线通信网络的机车实时监测系统，给出该系统的总体结构以及各单元的主要功能，阐述GPRS在机车无线监测系统中的优势。通过GPRS网络实现车载子系统与地面监测中心之间的通信。该系统已投入实际运行，并取得了良好的效果。
关键词：机车 GPRS数据传输实时监测
0 引言
机车运行状态直接关系到铁路运行的安全，而机车运行状态的监测与机车维修是机车保持良好状态的有力保障。现在国内常用的机车检修机制为“定期检修”，这样不但检修成本高，而且极其容易使机车带病运行，与铁路运行对“安全”的要求相背离。机车在线监测系统用于电力机车运行状态的实时监测与故障分析，从根本上指导机车的检修工作。这样不但减少了维修时间，提高了机车运行效率，而且可以大大地节约检修成本，提高了机车运行质量。
传统机车监控装置通过转存将机车运行过程所记录的数据转存到地面二次开发平台，在地面进行机车运行数据分析和故障诊断，这样的检测设备实时性不强，不能实时检测机车的运行状态。本文研究的机车实时监测系统采用GPRS移动通信方式，实现了车载数据采集系统与地面监控系统的实时通信。GPRS技术是当前应用在我国通信领域中的最强大最先进的移动通讯手段，它的最大传输速率可高达171.2Kb/s。基于GPRS的监控系统具有双向传输、传输时延小，系统响应快、安全可靠性高等众多优点，为机车无线监测系统快速稳定地传输数据提供了有力的保障。
1 系统总体构成
该系统主要由车载数据采集子系统和地面监控子系统两部分组成，如图1所示。车载子系统采集所需要的电力机车运行状态信息以及各设备的状态信息，并对采集的信息进行简单判断后，通过GPRS网络发送到地面监控中心；地面子系统将车载子系统传输回来的全部数据存储到数据库中，实时监测机车的运行状态，对机车进行在线故障诊断、部件病历管理及寿命预测，并将收到的实时数据用曲线或其它形式显示在屏幕上，直观地反映机车的运行状态。

1．1 车载子系统
该子系统包括模拟量采集单元、开关量采集单元、数字量采集单元和存储发送单元，各单元通过CAN总线连接在一起，如图2所示。

CAN总线是一种多主总线，通过双绞线连接各个模块节点，形成多主控制的分布式采集系统。总线控制器采用Philips公司P87C591微控器
内置的CAN控制器。为增强CAN总线节点的抗干扰能力，P87C591的RXDC和TXDC脚，通过高速光耦6N173后与82C250相连，保证总线上各CAN节点间的电气隔离，光耦部份电路所采用的两个电源必须完全隔离，如图3所示。

模拟量采集单元包括电网电压、辅助回路电压、主回路电机电压、电机电流、励磁电流等。模拟量信号的采集选用高精度的A/D转换芯片ADS774，它是由美国Burr-Brown公司生产的12位逐次逼近型并行A/D转换器，典型转换时间为8.5μs。
开关量信号主要来源于机车电子控制柜，包括110V和48V的开关量。为了实现与机车的电气隔离，增强系统的抗干扰能力，在采样时需要进行光电隔离。
数字量采集单元安装在TAX2箱里，通过RS485与TAX2箱进行通信，主要采集机车当前时间、公里标、运行速度、机车号、车次等重要信息，并将采集的数据通过CAN总线传送到存储发送单元中。
存储发送单元主要完成对各采集单元数据的存储与发送。由于机车环境恶劣，干扰强，因此选用CF、卡作为数据暂存器，最后通过GPRS模块发回地面监测中心。
1．2 地面子系统
地面监控子系统的核心是故障诊断专家系统，其次还包括机车状态实时显示系统和机车部件病历管理系统。
故障诊断专家系统仿真机务技术人员判断故障的过程，对机车进行故障诊断与定位。它主要由知识库、推理执行机构、知识获取机构等构成。其中知识库的形成及其知识的数量和质量是衡量专家系统好坏的重要因素。推理执行机构是专家系统的另外一个重要组成部分，它根据规则库中的规则以及实时数据库中的信息，确定故障及发生的原因，如果规则库中没有该规则，则调用知识获取机构，在规则库中产生新的规则。
机车状态实时显示系统能够实时地直观地在计算机屏幕上显示出机车的运行状态，显示的内容包括机车的位置和工况、牵引电机电压和电流、励磁电流等信息。
2 GPRS模块
在该设计中，车载子系统与地面子系统的数据传输通过GPRS无线通信网络来完成。GPRS是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的TDMA帧结构，图4为其结构原理图。

GPRS用于无线数据接入具有多方面的优势：
（1）接入范围广，可充分利用全国范围的电信网络，方便、快速、低成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署；
（2）传输速率高，数据传输速度可达57.6Kbps，最高可达到171Kbps；
（3）接人时间短，GPRS接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为2s；
（4）提供实时在线功能；
（5）按流量计费，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，用户可以一直在线。
以上优势使得GPRS非常适合机车运行状态实时监测系统的数据传输。另外，很多GPRS模块支持RS232/RS485数据接口，小型化设计，编程简单可靠，特别适合嵌入式系统应用。
为简化整个系统的设计，本设计采用了桑荣公司带TCP/IP协议处理的GPRS无线数传终端SARO-1010EP，它提供RS232，TTL和RS485接口，可适用于所有带TTL或485的终端设备，为不具备TCP/IP协议处理的终端提供GPRS通信的能力。SARO-1010EP支持标准的AT命令，为程序的设计提供了便利。
该GPRS模块为本系统提供了简单的硬件设计和软件编程。首先，通过RS232串口，在PC机上运用AT指令对SARO-1010EP进行通讯模式配置，部分AT指令如表1所示。将GPRS模块设置为IP访问模式和全透明传输模式，IP访问模式是根据预先设定在GPRS模块里的IP地址来访问数据中心服务器，适用于数据中心服务器有固定IP地址的应用。该GPRS模块设计在车载子系统的存储发送单元中，接口电路如图5所示。当CPU通过RS232串口向GPRS模块写入数据，GPRS模块便能自动地将数据发送到地面。这样，只要地面监测中心具有一个固定IP地址连接到Internet上，就可以实现车载子系统与地面子系统之间的数据传输。