韓思成

（中國(guó)藥科大學(xué)理學(xué)院， 江蘇 南京 211198）

引言

隨著我國(guó)IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和信息化水平的不斷提高，信息化管理系統(tǒng)在機(jī)電設(shè)備的管理、使用、維修和保障中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。信息化技術(shù)同樣深刻地影響了軍事裝備的研制與發(fā)展[3]。信息化管理的實(shí)質(zhì)在于管理對(duì)象信息的實(shí)時(shí)與準(zhǔn)確獲取，以及對(duì)裝備管理信息的實(shí)時(shí)反饋。為了對(duì)裝備在執(zhí)行任務(wù)中進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的信息化管理與控制，車載狀態(tài)智能監(jiān)控終端、高效通信網(wǎng)絡(luò)和分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成為車輛管理信息化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的前沿?zé)狳c(diǎn)。

基于嵌入式技術(shù)的各種車輛狀態(tài)監(jiān)控終端在軍事裝備上的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，如在30 kW電站和伸縮臂叉裝車上的嵌入式數(shù)據(jù)采集終端，具有語(yǔ)音提示、故障報(bào)警和診斷等功能[4]。許多其他工程車輛上也安裝有類似數(shù)據(jù)采集設(shè)備，能夠進(jìn)行橋梁架設(shè)、戰(zhàn)場(chǎng)掃雷等作業(yè)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。但是，這些裝備上的終端采集設(shè)備受裝備型號(hào)和使用環(huán)境的限制，通用性不強(qiáng)，功能比較簡(jiǎn)單；由于各種終端缺少統(tǒng)一的接口規(guī)范及相關(guān)協(xié)議，設(shè)備本身的通信模式與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不完善，難以組建有效的車載終端控制網(wǎng)絡(luò)；采集的信息不完善、不全面。這些都導(dǎo)致設(shè)備狀態(tài)信息不能被實(shí)時(shí)傳輸和有效互通[5]。

針對(duì)這些應(yīng)用中存在的問(wèn)題，本文采用嵌入式ARM控制器開(kāi)發(fā)了一種車載智能管理與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由車載智能終端和遠(yuǎn)程控制中心兩部分組成，具有以下功能：對(duì)工程車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地記錄采集參數(shù)，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警與診斷；通過(guò)GPRS將裝備的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)程序分析，給出維修建議，實(shí)現(xiàn)關(guān)務(wù)的遠(yuǎn)程維護(hù)；通過(guò)控制中心與車載終端的信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程車輛的遠(yuǎn)程管理。該系統(tǒng)的使用，可以實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：提高裝備的信息化水平，使裝備管理實(shí)現(xiàn)精確化、智能化和可視化；通過(guò)控制中心與信息管理系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)工程車輛的全壽命、全過(guò)程管理。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)與總體方案設(shè)計(jì)

車輛管理信息化系統(tǒng)由兩部分組成，其中智能車載終端安裝于工程車輛的駕駛室內(nèi)，用于監(jiān)控工程車輛的運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)時(shí)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)；而管理控制中心主要由服務(wù)器或計(jì)算機(jī)等組成，負(fù)責(zé)接收智能終端傳遞過(guò)來(lái)的信息，對(duì)其進(jìn)行處理后做出決策并回傳給智能終端或與管理人員進(jìn)行交互操作。管理中心和智能終端二者之間通過(guò)GPRS通訊模塊實(shí)現(xiàn)信息交互。車輛信息化管理系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖1所示。利用基于北斗衛(wèi)星的通信網(wǎng)絡(luò)的車載GPS/GPRS設(shè)備實(shí)現(xiàn)裝備的定位。數(shù)據(jù)采集器通過(guò)工程車輛（如裝載機(jī)）上的各種傳感器，采集工程車輛底盤(pán)、工作裝置及環(huán)境參數(shù)信息，按照協(xié)議由GPRS通信設(shè)備經(jīng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與車輛上的智能車載監(jiān)控終端進(jìn)行互聯(lián)互通。從終端獲取的工況參數(shù)由數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行處理，管理中心通過(guò)GPRS/GPS網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)和終端信息的綜合管理、實(shí)時(shí)控制。各主要組成部分的功能如下：

1）數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器采用嵌入式ARM芯片STM32為核心設(shè)計(jì)，通過(guò)車輛上安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器、主油道壓力傳感器、油位傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛轉(zhuǎn)速傳感器和ECU中的計(jì)時(shí)裝備等獲取車輛的工況信息，通過(guò)專用總線上傳至顯示器單元進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2）GPS/GPRS處理單元。經(jīng)北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)獲取車輛的GPS信息，并從顯示器單元獲取工況信息經(jīng)GPRS系統(tǒng)發(fā)送給服務(wù)器。同時(shí)，也接收服務(wù)器下傳的信息，轉(zhuǎn)發(fā)給顯示器單元或傳輸至存儲(chǔ)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存處理。

3）專用顯示器集成單元。顯示器單元內(nèi)部集成有控制器、驅(qū)動(dòng)電路、存儲(chǔ)設(shè)備和其他功能單元，能夠接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息，執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、狀態(tài)報(bào)警與異常顯示、故障診斷與維修指導(dǎo)、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)電子手冊(cè)的顯示與查詢等功能。

4）控制中心。控制中心接收車載終端傳來(lái)的GPS定位信息，在電子地圖上標(biāo)示出裝備的地理位置；通過(guò)分析車載終端傳來(lái)的裝備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械裝備的遠(yuǎn)程管理，遠(yuǎn)程維修和遠(yuǎn)程控制；管理系統(tǒng)軟件可以明確掌握配發(fā)裝備的地理位置、運(yùn)行的性能參數(shù)、整機(jī)工作時(shí)間、故障發(fā)生頻率、遠(yuǎn)程故障診斷等信息。

2 智能嵌入式終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 車載終端硬件結(jié)構(gòu)

車載終端由數(shù)據(jù)采集器、LCD觸摸/顯示器、GPS/GPRS模塊、通信收發(fā)模塊和信號(hào)調(diào)理模塊等組成，總體架構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)采集器是其中的控制核心，包含STM32嵌入式處理器、電源模塊、北斗定位信號(hào)處理模塊、通用無(wú)線分級(jí)協(xié)議/短信息處理模塊、液晶大屏（LCD）集成處理模塊等。該終端的電源供給來(lái)自于車載電瓶，由電源模塊處理后，既可在線向LCD模塊提供驅(qū)動(dòng)電壓，也可向可充電電池組充電，當(dāng)車輛熄火或故障不能向智能終端供電時(shí)，由后備可充電電池向整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)供電，以保證在較低功耗模式下，采集必要的工況數(shù)據(jù)，進(jìn)行報(bào)警和數(shù)據(jù)信息向管理中心的上傳。智能終端的信息包含了GPS定位信息、GPRS短信、CAN通信總線等，種類多、通信機(jī)理復(fù)雜，電路中設(shè)計(jì)中多種通信處理模塊進(jìn)行處理，因此應(yīng)針對(duì)性地設(shè)計(jì)專門的模塊供電電源。STM32處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、系統(tǒng)管理及模塊間信息交互等。SIM900A工業(yè)級(jí)通信處理模塊主要用于將ARM微處理器STM32發(fā)出的控制信息轉(zhuǎn)送給終端器件和管理中心。鑒于國(guó)內(nèi)分布廣泛、通信可靠的GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)硬件條件的成熟，該系統(tǒng)可以方便、可靠地通過(guò)GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)工程車輛智能監(jiān)控終端和管理中心之間的通信連接。通用信息的收發(fā)通常采用GPRS通信方式，而對(duì)于重要的關(guān)鍵參數(shù)和一些報(bào)警參數(shù)信息則采用手機(jī)短信發(fā)送形式。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖

工程車智能監(jiān)控終端硬件除上述主要模塊外，還有一些硬件附屬電路。如用于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的SD卡接口電路、非易失存儲(chǔ)電路（E2PROM）、模塊間的地址轉(zhuǎn)換與信號(hào)匹配電路等。對(duì)于字符和一些圖形與圖片資源的顯示，則采用事先制作相應(yīng)的字庫(kù)或圖片資源并將其存儲(chǔ)為文件格式保存在SD卡中，觸摸顯示屏通過(guò)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)換電路從文件中讀取相應(yīng)的漢字或圖片資源并顯示在LCD上。系統(tǒng)中的斷電保護(hù)電路的功能是在系統(tǒng)失電情況下，將電路轉(zhuǎn)入低功耗狀態(tài)，保持存儲(chǔ)電路及其他關(guān)鍵電路的工作。車載終端的重要參數(shù)和配置化信息存儲(chǔ)在類似BIOS（E2PROM）電路中。

2.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 MCU電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控制芯片（STM32）是數(shù)據(jù)采集器和整個(gè)智能終端的核心元件，負(fù)責(zé)裝備工況參數(shù)（如油溫、油壓、油量、轉(zhuǎn)速、行駛速度和工作時(shí)間等）的采集與處理，LCD觸摸顯示屏和其他通信模塊的驅(qū)動(dòng)與信息交互等[6]。智能監(jiān)控終端的主MCU采用了增強(qiáng)型32位ARM微控制器STM32F103ZET6，片內(nèi)集成有512 kB字節(jié)的閃存存儲(chǔ)器、64 kB字節(jié)的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SDRM）等。MCU的主振蕩頻率為高達(dá)72 MHz，封裝形式采用144腳封裝。芯片的功能十分強(qiáng)大，性價(jià)比很高。芯片自帶擴(kuò)展總線FSMC，能夠很方便地?cái)U(kuò)展外部SRAM容量和連接外接顯示電路（LCD）。FSMC總線具有很高的傳輸特性，用其驅(qū)動(dòng)顯示電路可顯著提高LCD的刷新頻率。

2.2.2 UM220電路設(shè)計(jì)

UM220模塊是一種北斗衛(wèi)星定位模塊，在實(shí)際使用時(shí)通常配置為北斗/GPS雙通信模式系統(tǒng)。該芯片具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大和能耗較低等優(yōu)點(diǎn)，能夠用于多種移動(dòng)車輛的定位。

2.2.3 SIM900A模塊電路設(shè)計(jì)

SIM900A是一款GSM/GPRS通信芯片，其封裝形式為SMT模式，其微控制器架構(gòu)采用了32位ARM架構(gòu)，芯片集成有內(nèi)置程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用戶應(yīng)用程序可直接寫(xiě)入其芯片的程序存儲(chǔ)區(qū)域。該芯片功能強(qiáng)大、應(yīng)用面廣、可靠性強(qiáng)，可應(yīng)用于各種車輛等移動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)跟蹤、機(jī)群智能化管理、手持式POS機(jī)和個(gè)人智能數(shù)據(jù)終端（PDA）、手持式抄表與遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種領(lǐng)域。該芯片的接口采用了業(yè)界最可靠的工業(yè)級(jí)接口，頻率范圍從900到1800 MHz，支持多種低功耗信息傳輸模式，如語(yǔ)言信號(hào)、短消息、數(shù)據(jù)流等。

2.2.4 專用觸摸顯示屏

顯示屏是系統(tǒng)管理操作人員與智能監(jiān)控終端的交互接口，駕駛操作人員通過(guò)操作顯示屏上的虛擬按鍵發(fā)送控制指令，同時(shí)接收相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)與后方管理控制中心的信息交互。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 車載終端軟件設(shè)計(jì)

終端軟件由主進(jìn)程模塊、衛(wèi)星通信與處理模塊、GPS/GPRS通信處理模塊、車輛工況參數(shù)采集與處理模塊等組成。軟件采用結(jié)構(gòu)化理念設(shè)計(jì)，圖3所示為其運(yùn)行流程圖。

各個(gè)軟件模塊的主要功能及設(shè)計(jì)流程如下。

1）衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理模塊。硬件電路設(shè)計(jì)中，UM220北斗定位接收模塊與微控制器STM32的信號(hào)傳輸是通過(guò)UART2串行接口進(jìn)行的，控制指令信號(hào)的刷新頻率為1 s，CPU通過(guò)中斷函數(shù)處理從UART2口線傳送的數(shù)據(jù)。UM220模塊發(fā)送給STM32的指令形式為NEMA制式，指令前綴為多個(gè)“MYM”字符串連接而成，指令的結(jié)合字符為“*”號(hào)。NEMA指令的前綴和結(jié)束符相同，而長(zhǎng)度可變。車輛的經(jīng)緯度、高度、速度和角度等定位信息指令格式為BDGGA和BDRMC，通過(guò)正確地存儲(chǔ)和解析相應(yīng)指令，即能獲取所需的定位信息。

2）SIM900A通信模塊。本地網(wǎng)或局域網(wǎng)最流行的通信協(xié)議即TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議，通信模塊內(nèi)嵌的這兩種協(xié)議可以完成數(shù)據(jù)的傳輸和接口識(shí)別，考慮到信息傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，本文采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。該模塊同時(shí)提供了GPRS數(shù)據(jù)通信功能，滿足了智能監(jiān)控終端的通信需求。該模塊與主控制器的通信采用串口模式，配置過(guò)程是通過(guò)CPU向模塊發(fā)送AT操作指令來(lái)完成。系統(tǒng)啟動(dòng)并與管理中心完成連接、注冊(cè)后，通過(guò)串口發(fā)送“AT+CIPSEND”指令完成雙方的實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)傳遞。

圖3 智能監(jiān)控終端程序流程圖

3）終端驗(yàn)證與通信測(cè)試。當(dāng)終端成功連接到管理控制中心時(shí)，服務(wù)器管理程序即與智能監(jiān)控終端建立連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信與在線監(jiān)控。從智能終端獲取的定位數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)和其他信息可進(jìn)行處理或存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。智能終端的主運(yùn)行界面和故障自診斷服務(wù)界面如下頁(yè)圖4所示，其中圖4-1為主界面，圖4-2為故障自診斷界面。

通過(guò)控制管理中心服務(wù)器上運(yùn)行的上位機(jī)監(jiān)控程序，可以觀察電子地圖上通過(guò)終端定時(shí)上報(bào)的位置圖標(biāo)、位置參數(shù)、裝備的工況參數(shù)和其他的控制信息，包括裝備定位監(jiān)控、實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)、裝備數(shù)據(jù)管理等。后方維護(hù)管理人員通過(guò)獲取智能終端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工程車輛的遠(yuǎn)程調(diào)度、管理與精確化保障。

4 結(jié)論

該車載智能數(shù)據(jù)監(jiān)控終端基于ARM微控制器和模塊化設(shè)計(jì)制作，通過(guò)與北斗定位模塊、專用顯示模塊和通信模塊的集成與協(xié)同，完成車輛的現(xiàn)場(chǎng)定位、通信、工況參數(shù)的采集與傳輸、車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控等。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了低功耗、小體積、高可靠性和適應(yīng)性等要素，能夠在各種野外環(huán)境下可靠運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試也驗(yàn)證了該系統(tǒng)在定位、通信、采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的優(yōu)良特性，證明該系統(tǒng)具有較好的適應(yīng)性和推廣應(yīng)用前景。

圖4 終端運(yùn)行界面

參考文獻(xiàn)

[1]崔培枝，姚巨坤，李超宇.基于信息流的裝備維修備件精確保障模式與體系[J].設(shè)備管理與維修，2017（5）：14-16.

[2]馬麗芳.基于北斗和GPRS車載終端的設(shè)計(jì)與研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2013.

[3]潘未莊，陳石平.采用北斗模塊的車載監(jiān)控終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試，2013（16）：45-47.

[4]韓月霞，李雄偉，張陽(yáng)，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的物流車載終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34（5）：69-71.

[5]劉津，馮繼新，曹有輝，等.基于CoDeSys的某工程車控制器軟件設(shè)計(jì)[J].工兵裝備研究，2015，34（3）：14-180

[6]趙振宇，周新建，成文婧，等.提升信息化工程車輛質(zhì)量方法研究[J].工兵裝備研究，2017，36（2）：8-10.