基于GPRS無線傳輸的鋼軌傷損傳輸方法設計與研究

殷 娜

(蘭州交通大學現代信息技術與教育中心，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

在鐵路鋼軌探傷領域，現有的鋼軌探傷裝置為了檢測鋼軌的傷損狀況，一般配備有多個探頭從多個角度對工件進行檢測。當發現工件的傷損情況后，探傷裝置可以通過A型顯示或者B型顯示等方式向用戶實時報告傷損詳細信息?？墒?，在野外探傷時，現場工作人員遇到一些特殊的傷損情況，根據他們掌握的探傷經驗無法進行判斷或者不確定自己的判斷結果時，現場探傷就無法進行下去。此時如果有一些經驗豐富的探傷專家在遠程協助現場探傷人員對傷損進行判斷，則可以大大提高鋼軌探傷的工作效率。所以如何與遠程協助中心進行信息溝通與數據交互成為目前鋼軌探傷界亟待解決的問題。

遠程協助是指管理人員在異地通過計算機網絡或者通信網絡，連接需要被控制的遠程終端，并將被控制終端的數據顯示到自己的計算機上，進而實現雙方的交互功能。所以，一種帶有無線傳輸的鋼軌傷損信息傳輸方法可以解決目前鋼軌探傷界面臨的上述問題。

GPRS(General Packet Radio Service)是通用無線分組業務的簡稱，是2.5代移動通信系統，不但覆蓋范圍廣，數據傳輸速率高，還具有通信質量高永遠在線等優點;它集合了現在GSM的數據分組交換和短信息服務，可以直接與Internet互通［1］。結合這些特點，在鋼軌傷損檢測的應用方面，可以通過GPRS將鋼軌傷損數據無線傳輸轉換到Internet傳輸［2］，從而實現野外現場探傷與遠程協助中心的信息傳輸與信息交互功能，提高探傷工人的作業效率，并為傷損信息的保存提供一種新的途徑。

1 系統設計方案

系統方案主要由3大部分組成，分別是數據終端設備、傳輸網絡和遠程協助中心。

1)數據終端設備:鋼軌探傷裝置，主要負責鋼軌傷損信息的采集和判斷、傷損報警、數據保存、無線數據發送等功能;

2)傳輸網絡:由GPRS無線網絡傳輸和Internet互聯網傳輸實現;

3)遠程協助中心:由一臺可以登錄Internet的服務器和若干臺客戶端組成，主要負責實時數據收發、傷損信息核實和傷損數據保存等功能，協助探傷工人順利完成探傷任務［3-4］。

基于無線傳輸的鋼軌傷損信息傳輸系統的結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

圖2 鋼軌探傷裝置硬件總體設計框圖

由于探傷裝置的設計更為復雜，圖2給出包含無線傳輸模塊的鋼軌探傷裝置總體設計框圖。圖2中，UART接口連接無線傳輸模塊(GPRS模塊)與核心控制器(CPU)［5-8］，CPU 經過總線與傷損檢測模塊、顯示模塊和接口模塊等相連，GPRS模塊經由天線與遠程協助中心通信。整個通信鏈路的工作過程如下:鋼軌探傷裝置的模擬發射模塊發送超聲波信號，經過工件后返回到模擬接收模塊，并傳送至數字信號處理模塊進行傷損檢測;數字信號處理模塊對回波信號進行數字濾波、傷損判斷等處理后，把傷損信息通過LCD顯示給探傷工人;如果探傷工人對檢測結果不太確定，可以向遠程協助中心發出建立連接請求;此時由CPU通過串行接口把數據發送至無線傳輸模塊，無線傳輸模塊通過GPRS連接，與無線網絡交換中心進行用戶身份識別，建立無線傳輸通信鏈路;此時，遠程協助中心通過Internet骨干網撥通對方IP地址，與GPRS無線數據中心建立無縫連接通路，從而實現現場探傷人員與遠程協助中心之間的數據交互。

2 探傷裝置GPRS數據通信的實現

2.1 硬件設計

鋼軌探傷裝置的硬件模塊主要包括中央處理器模塊、無線傳輸模塊、模擬收發模塊、信號處理模塊、傳感器模塊、顯示模塊、接口模塊等。

2.1.1 嵌入式微處理器

系統選用三星公司為嵌入式終端設備提供的低功耗、高集成度的微處理器 S3C6410，它是基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器，最高頻率可以達到533 MHz，片上主要集成有通用的輸入/輸出接口117個，外部中斷源24個，脈寬調制PWM計時器4個以及1個內時鐘，3通道的串行通信UART，4通道的同步動態存儲SDRAM控制器，1個LCD控制器以及帶有日歷功能的實時時鐘RTC，SD記憶卡接口等［9-13］。本處理器可以方便地為鋼軌探傷擴展所需外圍設備，如按鍵、LCD、Audio、SD存儲卡、SDRAM、SRAM等。

2.1.2 無線傳輸模塊

系統選用華為GTM900-C作為無線傳輸模塊，它是一款2頻段GSM/GPRS無線模塊。它支持命令集AT(Attention)，通過串行通信UART接口與外部中央處理器CPU進行通信，主要實現了無線數據的發送和接收等功能，在高速數據傳輸和遠程信息服務等方面有著廣泛的應用。GTM900-C與外界的接口主要包括:

1)串行通信UART接口。

2)智能SIM卡接口。

3)后備電池RTC Backup接口。

4)音頻Audio接口。

5)天線接口。

考慮到鋼軌探傷的實際需求，即探傷工人在探傷過程中，與遠程協助中心的信息交互僅有數據傳輸，語音業務可通過目前非常成熟的無線終端設備(PDA、手機等)交互實現。所以本方案僅采用GTM900-C的數據傳輸業務。該業務在物理連接上通過UART接口實現CPU與無線傳輸模塊的通信。該模塊的硬件連接電路原理如圖3所示。

圖3 GTM900-C硬件連接電路原理圖

1)UART接口。

GTM900-C的RS232接口由嵌入式處理器S3C6410的串行通信UART接口驅動，此時，鋼軌探傷裝置作為DTE(數字終端設備)，無線傳輸模塊作為DCE(數字電路設備)，在數字終端設備DTE和數字電路設備DCE之間實現的各種功能由一套AT命令完成，因此AT命令可以看作是DTE和DCE之間的軟件接口。

UART接口主要有如下的功能特性:

①串行通信UART接口可支持3.00 V的輸入和輸出電平;

②UART接口的信號除了RXD0和TXD0是高電平有效之外，其余信號均為低電平有效;

③UART接口有512 byte的發送和接收 FIFO(First in First Out)，支持可編程的數據寬度、數據停止位，奇/偶校驗等;

④UART接口工作的最大速率為115200 bit/s，默認支持9600 kbit/s。

GTM900-C的UART接口各管腳定義如表1所示。

表1 GTM900-C的串行通信UART接口各管腳定義

根據鋼軌探傷的實際需求，本方案選用UART_TXD0和UART_RXD0作為實際使用的串行接口。

2)SIM卡接口。

GTM900-C的無線數據業務支持EGSM900/GSM1800雙頻設置，射頻接口采用GSC射頻連接器，天線采用EGSM900/GSM1800雙頻段天線。

GPRS模塊可支持外部的智能SIM卡，可直接與SIM卡連接，GPRS模塊可以自動檢測識別并適應SIM卡類型。

3)天線接口。

GTM900-C提供的天線接口為GSC射頻連接器，通過電纜可以將外接天線連接到GSC射頻連接器上。該連接器由HRS公司提供，器件編碼為U.FLR-SMT-1(10)。

2.2 軟件設計

根據鋼軌探傷裝置應用需求，系統軟件主要包括傷損信息采集與判斷、無線鏈路建立與數據發送、系統控制和LCD顯示等。下面主要對傷損信息采集與判斷、無線鏈路建立與數據發送進行闡述。

2.2.1 傷損信息的采集與判斷

核心處理器控制超聲波探頭發射超聲波信號，并把接收到的模擬信號經過信號處理后進行A/D采樣;采樣后的信號經過數字濾波、深度判斷、傷損檢測后，保存到外部SRAM中;當需要把數據傳送到遠程協助中心時，對數據進行打包處理，發送至無線傳輸模塊。

2.2.2 無線鏈路建立與數據發送

無線傳輸模塊的軟件部分主要功能是建立與遠程中心的數據鏈路，并把按一定協議封裝的傷損信息發送至遠程終端，從而實現現場探傷與遠程中心信息交互的功能。

CPU與無線傳輸模塊數據通信之前，首先應進行硬件初始化操作，然后開始PPP(Point to Point Protocol)協商，登錄無線網絡，封裝傷損信息，傳輸數據，結束處理任務。無線傳輸模塊軟件流程如圖4所示。

圖4 無線傳輸模塊軟件流程圖

1)串口初始化和GPRS模塊初始化:串口初始化主要調用init_uart(void)函數實現，主要設定串口的傳輸速率、停止位、校驗位等;GPRS模塊的初始化用于配置無線網絡、啟動任務配置，并按照模塊的優先級，啟動相應中斷操作。

2)PPP協商:啟動串口和GPRS模塊后，系統需向GPRS基站發送請求服務，進行PPP協商;成功建立通信鏈路后，可以從串口接收到反饋信息［5-8］。

3)數據發送:根據要求，首先應對傷損數據進行封包，為了更好地檢測鋼軌傷損信息，本系統配備了8個探頭，每一探頭的重復頻率為400Hz，規定每個探頭重復檢測20次，封包一次，傷損數據包的封包格式如圖5所示。并把封裝好的傷損信息按照AT指令要求轉換為運營商指定的數據格式，開始數據傳輸，這一過程主要通過void gprs_send_cmd(char*string)函數將指令發送至GPRS模塊。當對方接收完畢后，可以從遠程中心接收到反饋信息，最后斷開連接。

圖5 每一通道重復選通20次傷損數據封包格式

3 遠程監控中心接收GPRS傷損數據的實現

3.1 硬件設計

遠程協助中心的數據接入是通過Internet骨干網連接GPRS無線網絡實現，由于無線運營商的GPRS網絡與Internet是無縫對接，所以遠程中心只需一臺服務器通過ADSL撥號方式登錄Internet，即可實現雙方的通信功能。在登錄Internet時，這種方法獲取的IP地址一般是動態的，用戶可以在運營商服務中心申請固定的IP地址;在使用過程中，可以在DTU(數據終端設備)中進行配置，再通過域名解析的方法，實現地址互通。采用這種方案，可以防止在Internet傳輸過程中泄露用戶信息，也不必擔心DUT掉線后再次動態分配IP地址而與終端無法連接的問題。另外，在遠程協助中心，如果有若干探傷工人需查看傷損信息，可以把服務器通過路由器連接若干臺終端PC，從而實現集群式信息服務［14-17］。

3.2 軟件實現

遠程協助中心的軟件功能是從Internet接收GPRS數據包，并根據約定好的協議，一層層解析數據包，最終把傷損信息顯示到工作人員面前。其中，與GPRS通信的功能可以使用Socket編程技術實現。另外，該軟件還需具備保存傷損信息的功能。遠程中心接收TCP/UDP數據的經過解析后的傷損信息如圖6所示。

圖6 TCP/UDP數據經過解析后的傷損數據格式

根據以上搭建好的硬件系統，并把相應的軟件代碼下載至CPU，啟動GPRS調試服務軟件準備測試。對無線收發數據分別應進行可靠性和完備性測試，考慮到無線傳輸的可靠性受制于周邊環境、地形、基站分布等因素影響，本實驗只從數據傳輸的完備性(準確率)方面考察整個系統的運行狀態。實驗分別采用TCP和UDP協議進行測試，在相同的實驗條件下，分別測試200次的測試數據結果如表2所示。

表2 無線數據傳輸測試結果

由以上實驗數據看出，在GPRS模塊正常工作情況下，無線模塊可以把封裝好的傷損數據通過GPRS網絡發送至遠程終端，并經過終端服務軟件解析，正確顯示原始數據;系統通信質量較好，其數據丟包率和吞吐率等性能指標滿足相關技術指標要求。

4 結束語

本文在介紹鋼軌探傷和GPRS無線傳輸理論的基礎上，通過搭建整個軟硬件系統，可以實現現場探傷與遠程協助中心實時的信息交互，從而提高了探傷工人的作業效率，也為遠程協助中心的業務監督和信息保存提供了一個新的渠道。本方案對鋼軌探傷業是一個較好的應用類技術創新，相信隨著無線通信技術和嵌入式技術的快速發展，GPRS業務會更廣泛地應用到鋼軌探傷中。

［1］李敏，陳文，王寶勤.嵌入式GPRS無線通訊系統設計［J］.長江大學學報(自然科學:理工)，2009，6(2):91-93.

［2］謝碚鋼.嵌入式GPRS無線通訊系統設計研究［J］.計算機光盤軟件與應用，2012(19):222，224.

［3］任工昌，楊勇，郭海春，等.基于GPRS的數據傳輸系統的設計與實現［J］.機械設計與制造，2012(1):69-71.

［4］張浩靖.GTM900-C無線模塊V100R001［Z］.深圳:華為科技有限公司，2009.

［5］CSDN.The Features of S3C6410［DB/OL］.http://download.csdn.net/download/sir911/1493424，2014-05-23.

［6］周洋.基于GPRS無線傳輸系統的研究［D］.石家莊:河北科技大學，2012.

［7］龍光利.基于嵌入式系統的GPRS的設計［J］.微計算機信息，2008(24):50-51.

［8］華為技術有限公司.華為3G模塊設計說明(EV-DO)［EB/OL］.http://www.doc88.com/p-702869148892.html，2014-05-23.

［9］王蓉暉，劉鋼.以 S3C2410為核心的嵌入式系統在GPRS領域中的應用［J］.吉林工程技術師范學院學報，2010(6):71-73

［10］陳志武，楊雪清，丁莉芬，等.基于GPRS的混凝土配料無線控制系統［J］.計算機測量與控制，2010(11):2542-2544，2547.

［11］楊懿.基于GPRS的無線數據傳輸系統性能分析和工程應用［D］.西安:西安電子科技大學，2013.

［12］郭愛煌，李廣宇，陳志雄.基于GPRS的無線數據傳輸嵌入式系統設計［J］.計算機工程，2009，35(18):260-262.

［13］郝記生，張曦煌.基于GPRS的無線數據傳輸［J］.計算機工程與設計，2008，29(20):5224-5226.

［14］聶明新，鄒宇，莫奎.基于動態IP的GPRS遠程監控系統［J］.武漢理工大學學報(信息與管理工程版)，2011，33(5):685-688.

［15］Cai Jun，Yu Shun-zheng，Liu Jing-li.The design of a wireless data acquisition and transmission system［J］.Journal of Networks，2009，4(10):1042-1049.

［16］盧偉，楊建華，袁雪堯.基于GPRS的嵌入式數據采集與遠傳系統［J］.微計算機信息，2011，27(1):12-13，55.