基于ARM11的農(nóng)機(jī)車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郝立元

（蘭州文理學(xué)院傳媒工程學(xué)院，甘肅蘭州，730000）

0 引言

隨著我國(guó)土地三權(quán)分離政策的實(shí)施[1]，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)向著規(guī)模化集約化的方向發(fā)展，隨之而來(lái)的是不斷增強(qiáng)的農(nóng)機(jī)租賃業(yè)務(wù)需求。對(duì)于農(nóng)機(jī)租賃商來(lái)說(shuō)，為了維護(hù)其利益，希望可以通過(guò)一種有效的車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控車輛的使用狀況，避免租戶因不正常操作或異常行為導(dǎo)致車輛損壞。通過(guò)車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取車輛的位置信息，車輛運(yùn)行狀態(tài)信息，車輛異常檢測(cè)，車輛是否處于違規(guī)狀態(tài)，遠(yuǎn)程車輛操作，如遠(yuǎn)程鎖車，遠(yuǎn)程限速等，以保證供應(yīng)商的權(quán)益。同時(shí)由于農(nóng)機(jī)工作環(huán)境較為惡劣，工作強(qiáng)度大，農(nóng)機(jī)出現(xiàn)故障的頻率大大增加，通過(guò)車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取車輛的使用信息診斷車輛可能出現(xiàn)的問(wèn)題，一方面可以預(yù)防性維護(hù)，另一方面也可以快遞診斷故障原因，降低農(nóng)機(jī)維修的時(shí)間成本。

農(nóng)機(jī)信息化智能化是我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必經(jīng)之路[2]，為了應(yīng)對(duì)農(nóng)信信息化智能化的需求，提出了以ARM11體系結(jié)構(gòu)的S3C6410處理器為核心，利用北斗定位技術(shù)和5G通信技術(shù)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程農(nóng)機(jī)車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了車載終端的部分軟硬件設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)部分電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)，以及軟件整體架構(gòu)的設(shè)計(jì)和各功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)，包括車輛定位，異常檢測(cè)，故障報(bào)警，以及遠(yuǎn)程無(wú)線升級(jí)等功能，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，可以較好的滿足農(nóng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控。

1 農(nóng)機(jī)車載終端硬件設(shè)計(jì)

■1.1 整體設(shè)計(jì)

針對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備的工作環(huán)境，車載終端監(jiān)控設(shè)備在硬件設(shè)計(jì)上必須具有高可靠性和可維護(hù)性，因此終端硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的硬件包括供電電路，數(shù)據(jù)采集，5G無(wú)線通信電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及硬件看門狗等，終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件總體設(shè)計(jì)

電源管理模塊中，車載終端監(jiān)控設(shè)備使用鋰電池和車載電瓶聯(lián)合供電，當(dāng)車載電瓶有電時(shí)，硬件設(shè)備使用電瓶供電，電瓶處于虧電狀態(tài)時(shí)切換到備用鋰電池供電，同時(shí)向控制中心發(fā)送報(bào)警信息，從而保證整個(gè)供電系統(tǒng)不會(huì)終止供電。數(shù)據(jù)采集模塊中，數(shù)據(jù)采集電路可以分為位置信息采集電路，農(nóng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)采集，故障碼采集，電壓數(shù)據(jù)采集等。數(shù)據(jù)采集模塊中的各個(gè)組件通過(guò)相應(yīng)的接口與主控機(jī)連接，如通過(guò)USART2接口與北斗導(dǎo)航模塊連接，MCU采集農(nóng)機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)后通過(guò)CAN接口發(fā)送給處理器。以ARM11為架構(gòu)的S3C6410支持Normal，Idle，Stop和Sleep模式，在農(nóng)機(jī)工作狀態(tài)時(shí)，主控芯片可以處于Normal狀態(tài)，其他時(shí)間處于Sleep模式，從而降低系統(tǒng)的功耗，在最大程度上保證系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間。

■1.2 CAN總線數(shù)據(jù)采集電路

CAN通信模塊由CAN控制器和收發(fā)器組成，負(fù)責(zé)CAN總線物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的封裝任務(wù)，為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，本文采用了集成CAN控制器的S3C6410處理器。為了降低硬件成本和尺寸，在CAN收發(fā)器上采用3.3V電壓，CAN通信模塊電路如圖2所示。

圖2 CAN通信模塊電路圖

為了提高CAN通信的穩(wěn)定性，需要在通信模塊中添加CAN總線保護(hù)器NUP2015L，可以優(yōu)化PN結(jié)的有源區(qū)域，從而防止EMI浪涌電壓和ESB保護(hù)，同時(shí)需要在CAN總線收發(fā)端兩端CAN_H和CAN_L之間匹配100Ω的電阻防止信號(hào)反射，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

■1.3 北斗數(shù)據(jù)采集電路

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性，系統(tǒng)采用端聯(lián)信息技術(shù)有限公司的北斗/GSP雙模定位模塊DL-WH6558，該模組采用低功耗芯片AT6558，具有超高的靈敏度，模塊定位精度高，同時(shí)內(nèi)建LNA信號(hào)放大器，輸出信號(hào)更強(qiáng)，具有多種輸出速率可選，數(shù)據(jù)輸出遵循NMEA0183協(xié)議。北斗模塊電路如圖3所示。

圖3 北斗模塊電路圖

為了降低農(nóng)機(jī)車載終端設(shè)備的功耗，利用LD33芯片對(duì)北斗定位模塊進(jìn)行功耗控制，通過(guò)控制GPS_POWER_CTR管腳的電壓使能功能，間歇性供電有效提高定位芯片的功耗和穩(wěn)定性。

2 農(nóng)機(jī)車載終端軟件設(shè)計(jì)

■2.1 總體設(shè)計(jì)

農(nóng)機(jī)車載終端的軟件主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過(guò)5G數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，同時(shí)還需要通過(guò)5G通信鏈路監(jiān)聽并響應(yīng)遠(yuǎn)程服務(wù)器下發(fā)的車輛控制命令。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，車載終端需要具備一定的實(shí)時(shí)性和并行處理能力，在軟件系統(tǒng)上需要采用中斷并發(fā)[3]和狀態(tài)機(jī)控制[4]相結(jié)合的架構(gòu)，針對(duì)不同的任務(wù)采用不同的控制邏輯。中斷并發(fā)機(jī)制在主程序中處理各任務(wù)之間的邏輯關(guān)系，在各任務(wù)中配置中斷信息，并將具體的任務(wù)處理放在相應(yīng)的中斷處理函數(shù)中。5G通信模塊在軟件系統(tǒng)中處于核心地位，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，同時(shí)負(fù)責(zé)任務(wù)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)主控程序?qū)θ蝿?wù)的調(diào)度。車載終端的軟件流程如圖4所示。

圖4 車載終端軟件總體流程圖

終端上電之后，系統(tǒng)首先進(jìn)行硬件和軟件的初始化工作，硬件初始化結(jié)束后，系統(tǒng)首先通過(guò)5G鏈路進(jìn)行終端的注冊(cè)和服務(wù)器的連接，接連成功之后持續(xù)保持心跳信息，上傳農(nóng)機(jī)的狀態(tài)信息，同時(shí)接收服務(wù)端發(fā)送過(guò)來(lái)的命令，根據(jù)命令類型執(zhí)行并回復(fù)執(zhí)行結(jié)果。

■2.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詫?shí)時(shí)性和降低傳輸數(shù)據(jù)的費(fèi)用是車載終端必須考慮的問(wèn)題。對(duì)于前者，通過(guò)采用閉環(huán)形式的雙向數(shù)據(jù)傳輸方式，同時(shí)在接受數(shù)據(jù)時(shí)采用CRC校驗(yàn)[5]。對(duì)于后者，在終端上傳數(shù)據(jù)前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)損壓縮，降低數(shù)據(jù)傳輸量，從而提高系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性和通信效率。

終端向遠(yuǎn)程服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)都需要使用5G流量，為了降低流量費(fèi)用，降低數(shù)據(jù)傳輸中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，需要對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。由于終端采集的數(shù)據(jù)大多是固定參數(shù)，對(duì)于固定參數(shù)的固定格式，采用BCD碼[6]進(jìn)行壓縮，由于農(nóng)機(jī)的工作環(huán)境非常惡劣，因此車載終端作業(yè)收到的干擾也多于常規(guī)車輛。為了保證車載終端能夠良好的運(yùn)行，終端本身必須具備一定的自診斷和自恢復(fù)能力。終端自診斷管理模塊需要根據(jù)硬件故障出現(xiàn)的不同的癥狀采用不同的處理方式，如當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)連接失敗次數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)的數(shù)值后，會(huì)產(chǎn)生復(fù)位操作，通過(guò)主控CPU的MODE_PWR引腳輸出高電平關(guān)閉電源，然后恢復(fù)供電，硬件重啟5G通信模塊。

3 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

■3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

在本實(shí)驗(yàn)中，采用模擬和實(shí)際機(jī)器相結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)試，其中終端基于飛凌S3C6410開發(fā)板開發(fā)，通過(guò)外接5G模塊嵌入式工業(yè)通訊模組，實(shí)現(xiàn)5G通信，如圖5所示。同時(shí)使用USB-CAN設(shè)備[7]模擬實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)車載終端S3C6410開發(fā)板的ECU接口，同時(shí)通過(guò)CANtest軟件[8]發(fā)送ECU數(shù)據(jù)，測(cè)試CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收任務(wù)。

圖5 飛凌S3C6410開發(fā)板

■3.2 功能測(cè)試

功能測(cè)試是在仿真環(huán)境下完成的，測(cè)試過(guò)程：（1）將終端設(shè)備與USB-CAN設(shè)備相連，然后給終端設(shè)備上電，測(cè)試終端設(shè)備的初始化過(guò)程；（2）5G功能模塊連接成功，然后CANtest軟件發(fā)送數(shù)據(jù)，模擬終端采集的農(nóng)機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)5G功能模塊向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)；（3）觀察客戶端接收數(shù)據(jù)，然后與CANtest軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)對(duì)比，測(cè)試1000次，測(cè)試兩數(shù)據(jù)之間的區(qū)別，測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。測(cè)試結(jié)果如下，遠(yuǎn)程服務(wù)端接收的數(shù)據(jù)與CANtest軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)相同的概率為99.8%，且位置數(shù)據(jù)采集的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本相同。

在車輛模擬測(cè)試過(guò)程中，使用一臺(tái)電腦作為服務(wù)器運(yùn)行遠(yuǎn)程服務(wù)端，同時(shí)使用計(jì)算機(jī)向終端模擬發(fā)送模擬數(shù)據(jù)，然后觀察終端及軟件的運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果表明，在服務(wù)端和客戶端軟件3×24小時(shí)的測(cè)試過(guò)程中，均能夠正常穩(wěn)定的運(yùn)行，但隨著模擬數(shù)據(jù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)一定程度的擁堵。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足自動(dòng)大型農(nóng)機(jī)設(shè)備自動(dòng)化和智能化的需求，提出了以ARM11體系結(jié)構(gòu)的S3C6410處理器為核心，利用北斗定位技術(shù)和5G通信技術(shù)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程農(nóng)機(jī)車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一套成本低，功耗低，穩(wěn)定性高同時(shí)具備較高集成度的車載監(jiān)控終端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可以有效滿足農(nóng)機(jī)車載終端的日程工作。