農機車載系統的遠程實時監控終端設計

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

農機車載系統的遠程實時監控終端設計

卜國順

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

以嵌入式處理器STM32F103為核心，利用GPS定位技術、CAN通信技術、GPRS通信技術設計了一種專門針對農機領域的車載監控終端。該終端能夠實現車輛位置信息、行車狀態信息的實時采集與遠程無線傳輸;同時,能夠處理遠程監控中心下達的指令，對車輛進行限速、鎖車、設置電子圍欄。目前，該終端已經在洛陽某農機公司的農機車輛上進行了應用，運行穩定可靠，為車輛快速故障定位、維修、管理提供了真實數據支撐。

GPS；中斷；STM32F103；CAN總線

引 言

農機租賃作為一種新的商業模式可以有效解決農民購買先進農機設備資金短缺的問題，促進我國農業機械化的發展，同時也有利于傳統制造企業的轉型升級[1]。隨著農機租賃產業的發展，車輛丟失、車輛故障、車輛損壞等問題變得更加突出。如何對農機車輛進行高效管理、快速維修減少損失成為運營單位面臨的重要問題[2-3]。基于物聯網的車載終端能夠實時將車輛信息上傳至監控中心，運營單位可以遠程監控車輛運行參數，根據車輛數據的變化及時采取相應的措施。

1 車載終端硬件設計

車載終端以處理器STM32F103為核心。外圍電路包括GPS模塊、GPRS模塊、CAN通信模塊、振動傳感器模塊、電源模塊。整體框圖如圖1所示。

圖1 車載終端硬件架構圖

1.1 處理器芯片的設計

考慮本設計主要用到了STM32的串口、CAN功能、GPIO、中斷、BOOT模式選擇等資源，農機車輛可供安裝終端的空間狹小，對器件的尺寸要求嚴格。綜合以上因素,CPU選用了TI公司旗下的STM32F103C8T6，其內核為Cortex-M3,最大特點是低功耗、低成本、高性能。該芯片為48引腳封裝,是該系列占用空間面積最小的一款。內置64 KB的Flash閃存和20 KB SRAM,能夠滿足設計要求[4]。外圍總體設計如圖2所示。

圖2 CPU外圍總體設計

本設計使用了STM32的兩個串口，通過串口中斷的方式完成所需功能。串口2與GPS/北斗模塊的串口相連，車輛位置數據通過STM32串口的RX傳給程序中定義的接收緩存，同時也可以通過TX發送相應命令給對其進行配置：采樣頻率、數據返回格式等等。串口3與GPRS模塊相連，STM32通過相應AT命令與模塊進行交互，完成撥號、注冊網絡、發送數據、接收數據的功能。

圖5 GPRS模塊電路圖

圖3 處理器BOOT模式選擇電路

車載終端鋰電池通過電阻降壓后接入STM32的PA1引腳完成內電量的采集。處理器BOOT模式選擇電路如圖3所示，有兩種BOOT工作模式：正常模式和下載模式。默認情況下為正常模式，從閃存中啟動。當按下按鍵之后，BOOT0電平被拉高，進入出廠下載模式。

1.2 CAN模塊電路設計

圖4 CAN收發器電路圖

STM32F103內置CAN控制器，外部電路只需要增加CAN收發器模塊即可。本設計選用的是TJA1050高速 CAN 收發器，該收發器具有以下特點：與“ISO 11898”標準完全兼容；速度高(最高可達1 Mbps);可抗電磁干擾，不上電的節點不會對總線造成干擾;發送數據(TXD)控制超時功能，當引腳TXD由于硬件或者軟件程序發生錯誤而一直為低電平時，“TXD控制超時”定時器電路可以防止總線持續進入這種支配狀態，阻塞所有網絡通信。CAN收發器電路圖如圖4所示。CANH和CANL之間連接一個120 Ω的電阻，進行終端電阻和電纜電阻阻抗的緊密匹配，防止數據信號被反射，提高數據傳輸的可靠性。

1.3 GPRS模塊電路設計

GPRS模塊完成數據的發送和接收，該設計采用SIM800C模塊。GPRS模塊電路如圖5所示。該芯片性能參數如下：工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz；尺寸為17.6 mm×15.7 mm×2.3 mm，能夠適用各種緊湊型產品設計需求；供電電壓范圍為3.4～4.4 V；內嵌TCP/IP協議，支持上電自啟動，使用簡單；在休眠模式下，耗電流低至0.6 mA,可以實現低功耗并數據信息的傳輸。

模塊電壓范圍為3.4～4 V，以最大功率發射時，電流峰值瞬間可達2 A，導致VBAT上有大的電壓回落，致使模塊因為低電壓無法正常工作。在VBAT附近使用了一個大的100 μF的鉭電容進行穩壓，同時并聯兩個4.7 μF和33 pF的陶瓷電容對高頻干擾進行濾波，同時并聯一個齊納二極管防止浪涌對芯片的破壞。

1.4 GPS/北斗模塊電路設計

GPS/北斗模塊選擇VK1612Z2M3L芯片，性能參數如下：內建LNA，低噪聲放大器；定位精度<2.5 m，頻率范圍為GSM/GPRS 850/900/1800/1900 MHz；支持可調的刷新頻率:1～10 Hz,支持定位PPS指示燈，未定位前常亮或者關閉，定位后閃爍；豐富的輸出速率為9 600 bps(可選：4 800、19 200、38 400、57 600、115 200)、GPS、GLONASS、北斗、GALILEO、SBAS混合引擎；支持NMEA0183協議，可任意設置搭配輸出語句——GGA、GSA、GSV、RMC、VTG、GLL。GPS/北斗模塊電路圖如圖6所示。

圖6 GPS/北斗模塊電路圖

在靠近供電引腳處加入濾波電路，濾波電容靠近引腳放置，保持模塊電源的供電穩定性，提高模塊工作的可靠性。模塊啟動較慢，可在VBAT引腳處加入備用電源，使模塊能夠實現快速定位。

1.5 振動傳感器模塊電路設計

振動傳感器芯片選擇LM393,STM32的任意引腳都可以設置成中斷引腳，該設計振動傳感器的輸出引腳接入CPU的PA6引腳。當發生振動時，引腳出現高低電平跳變現象，引發引腳中斷，進入中斷程序進行處理。振動傳感器模塊電路如圖7所示。

圖7 振動傳感器模塊電路圖

1.6 電源模塊電路設計

終端供電模式為：當存在外電的情況下，且鋰電池電量低于4.2 V時，外電對電路器件進行供電，同時對鋰電池進行充電；當外電消失時，鋰電池進行供電。電路中需要的電壓值有：STM32供電3.3 V、GPS/北斗模塊3.3 V、GPS模塊 3.3 V、振動傳感器模塊 5 V、CAN收發器 5 V。為了保證在外電斷掉之后電路中仍然能夠產生5V的電壓，整個電源模塊包含三個部分：DC-DC降壓電路、充電管理電路、升壓電路。DC-DC降壓和充電管理電路圖以及升壓電路如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 降壓電路圖

圖9 充電管理電路

圖10 升壓電路

2 車載終端軟件設計

軟件整體流程圖如圖11所示，下面對各個部分分別進行介紹。

圖11 車載終端軟件總體流程圖

2.1 網絡注冊判斷與TCP連接建立

本設計中的GPS/北斗模塊上電后自動進行GPRS網絡附著，在發送程序之前只需要檢查網絡狀態即可。如果已經注冊網絡，進行數據發送，否則重啟GPRS模塊。為了保證數據傳輸的可靠性和實時性，終端與服務器建立的是TCP長連接。檢查網絡與建立連接用到的AT命令如下:

檢查模塊是否已經附著網絡：通過串口向模塊發送指令AT+CGATT。模塊返回數據：+CGATT:1 OK。當返回值為1的時候，表明模塊已經成功附著。

建立TCP長連接指令：向模塊發送 ："AT+CIPSTART="TCP","IP"," 端口號" "。返回："CONNECT OK" 。表示成功建立連接，可以進行數據的發送。

2.2 數據提取和數據濾波

提取的數據包括車輛位置信息、通過CAN總線采集的車輛行車狀態信息。采集的車輛行車狀態信息如表1所列。

對于CAN總線數據，根據接收到的數據的PGN進行對應數據的提取轉換，由于電磁環境的影響，數據傳輸過程中有可能發生突變，在這里要根據每種數據對應的范圍進行濾波，去除異常數據[5]。數據范圍如表1所列。

表1 車輛行車狀態信息

GPS數據提?。菏紫雀鶕ㄎ粯酥疚慌袛啻舜纬绦蚴欠褚呀浂ㄎ唬缓蟾鶕﨨MEA協議和數據幀頭格式提取需要的數據，根據終端與服務器的協議進行數據變換。由于環境的影響，定位過程中會出現漂移現象，通過比較相鄰兩次的經緯度數據，計算出速度值，與額定速度進行比較，如果大于上限值，認為定位出現漂移舍棄該次定位。定位流程圖如圖12所示。

圖12 GPS數據提取和數據濾波流程圖

2.3 數據發送和盲區補傳功能

農機車輛一般工作環境惡劣，公網設施配置較差，會經常出現某一時間段和區域沒有網絡信號，導致數據無法正常傳輸。為了避免數據丟失，在盲區將數據進行本地存儲，待網絡信號回復之后，上傳至服務器，服務器根據數據段里的時間戳進行數據的存儲。在車輛運行過程中開啟屏蔽儀，一段時間后關閉屏蔽儀，在服務器上查看這段時間內車輛的歷史軌跡，最后驗證了使用該方法可以有效地避免數據的丟失。具體流程如圖13所示。

圖13 數據發送和盲區補傳流程圖

2.4 電子圍欄操作

圖14 電子圍欄操作流程圖

當車輛處于閑置狀態，管理人員可以對車輛進行鎖車，設置電子圍欄操作，流程如圖14所示。

3 終端測試結果

本文所設計的車載終端經過測試，能夠準確地采集車輛信息，并且實時地上傳至服務器，服務器數據顯示結果如圖15～17所示。

結 語

圖15 車載終端定位數據顯示界面

圖16 車載終端行車參數顯示界面

圖17 車載終端控制指令發送界面圖

[1] 吳瑤,張巖巖. 農機家農機租賃軟件的設計構想[J]. 現代食品,2016(20):60-62.

[2] 鄭柳萍,梁列全. 工程機械遠程監測與故障診斷系統[J]. 工程機械,2007(7).

[3] 黃曉波,姜振軍,熊樹生,等. 基于GPRS的遠程診斷車載終端的設計與實現[J]. 工業儀表與自動化裝置,2016(1).

[4] 于文堯. 基于車聯網的智能數據采集終端的研制[D].北京：中國地質大學,2016.

[5] 王新忠,王熙,王少農,等. 拖拉機CAN總線車載智能終端技術研究[J]. 農機化研究,2017(2):210-214.

卜國順(碩士研究生)，主要研究方向為車聯網。

RemoteReal-timeMonitoringTerminalforAgriculturalMachinery

BuGuoshun

(College of Communication and Information Technology,University of Posts and Telecommunications of Chongqing,Chongqing 400065,China)

In the paper,a vehicle monitoring terminal for agricultural machinery filed is proposed,which takes STM32F103 as the core and uses GPS positioning technology,CAN communication technology and GPRS communication technology.The terminal can collect the vehicle status information in real-time and transmit it to the remote monitoring center through the wireless network.At the same time,it can handle the instructions from the remote monitoring center which include limiting the speed,locking the vehicle,and setting up electronic fences.It provides the data support for rapid vehicle fault location,maintenance and management.At present,the vehicle terminal has been applied in the agricultural vehicles of an agricultural machinery company in Luoyang and the operation is stable and reliable.

GPS;interrupt;STM32F103;CAN bus

TP23

A

2017-07-24)