趙智佩，余震虹

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，無錫 214122)

當(dāng)前，為了降低汽車污染物的排放，人們逐漸使用電動(dòng)汽車作為交通工具.考慮到車輛電池在工作時(shí)的安全，需要一個(gè)系統(tǒng)對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便于后續(xù)工作的開展.此前，國(guó)內(nèi)外在電池信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上大量運(yùn)用了GPRS 和3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，部分運(yùn)用了4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都能達(dá)到較好的效果.

但為了提高整體的通信質(zhì)量和提供多種監(jiān)測(cè)方式，系統(tǒng)采用4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和WLAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù).4G網(wǎng)絡(luò)通信作為當(dāng)下流行的通信技術(shù)，它有較高的通信速度，提高了通信的靈活性以及智能性；有更寬的網(wǎng)絡(luò)頻譜，兼容性能平滑度大大提高，并改善了使用效率，多媒體通信質(zhì)量得到了優(yōu)化.同時(shí)結(jié)合了WiFi 無線通信建立局域網(wǎng)通信，極大的豐富了監(jiān)測(cè)終端的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與近程數(shù)據(jù)傳輸.無線局域網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)很多:具有傳輸速度快的優(yōu)勢(shì)；對(duì)人體健康危害較小等.WiFi的應(yīng)用范圍正在逐漸擴(kuò)大，WiFi 技術(shù)仍是將來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)，隨著科技的不斷發(fā)展與進(jìn)步，它也會(huì)得到不斷的完善與優(yōu)化.

目前，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)觀察電池的電壓與工作溫度，并且根據(jù)4G 和WiFi 組網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)近，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)準(zhǔn)確提供電池的電壓與環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，確保電池運(yùn)行的安全與穩(wěn)定.滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組網(wǎng)靈活，安全可靠，便于觀察的需求.

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的組成涉及了數(shù)據(jù)采集客戶端和服務(wù)器兩部分，首先數(shù)據(jù)采集客戶端是以S3C2440處理器為核心，并包括內(nèi)部自帶A/D 轉(zhuǎn)換器，溫度傳感器，4G 通信模塊和WiFi 通信模塊等；服務(wù)器由兩部分組成，一是數(shù)據(jù)采集客戶端由4G 通信模塊通過Internet 向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，二是由WiFi 通信模塊向周邊用戶的移動(dòng)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù).另外檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)可以組成4G-WiFi網(wǎng)絡(luò)向用戶提供流量數(shù)據(jù)服務(wù).監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的示意圖如圖1.

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體示意圖

2 系統(tǒng)客戶終端硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分包括:ARM9 嵌入式開發(fā)板，4G 通信模塊，WiFi 通信模塊和溫度傳感器DS18B20模塊.硬件連接如圖2所示.

2.1 ARM9 主控處理器

主控芯片采用的是三星公司的一款基于ARM9 內(nèi)核1 6/3 2 位精簡(jiǎn)指令集(R I S C)3 2 位微處理器S3C2440A 芯片，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)等功能，是整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心.具體采用的是友善之臂MINI2440-FriendlyARM 核心板，該核心基于Linux2.6.32.2 內(nèi)核，采用沉金工藝的4 層板設(shè)計(jì)，專業(yè)等長(zhǎng)布線，保證關(guān)鍵信號(hào)線的信號(hào)的完整性，并采用專業(yè)穩(wěn)定的CPU 內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性.其主頻400 MHz，最高533 MHz，在板64MSDRAM，32 bit 數(shù)據(jù)總線，256 M/1 GB Nand Flash 和2MNor Flash.接口和資源:1個(gè)34pin GPIO 接口，1個(gè)USB Host 和1個(gè)100 M 以太網(wǎng)RJ-45 接口(采用DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片)等.如圖3所示.

圖2 整體硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 MINI2440 開發(fā)板

ARM9 S3C2440 芯片自帶一個(gè)8 路10 位A/D 轉(zhuǎn)換器，它的最大轉(zhuǎn)換率為500 kHz，非線性度為正負(fù)1.5 位，其轉(zhuǎn)換時(shí)間[1]:當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz，比例(預(yù)分頻器)值為49，則:

A/D 轉(zhuǎn)換器的供電電壓為3.3 V，模擬輸入電壓范圍為0～5 V，滿量程為5 V/1024，最小有效位(LSB)為4.88 mV，最小有效位(LSB)與模擬輸入電壓有關(guān).

2.2 4G 通信模塊

系統(tǒng)采用的4G模塊是上海移遠(yuǎn)EC20 LTE模塊，采用LTE 3 GPP Rel.9 技術(shù)，雖然在功能上與目前最新Rel.14 版有一定的差異，但并不影響正常使用.此模塊支持最大下行速率100 Mbps 和最大上行速率50 Mbps.EC20 LTE模塊采用Mini PCIe 封裝通過通信模塊轉(zhuǎn)接板(Mini PCI-E 接口卡)與主控板進(jìn)行USB 連接通信，Mini PCI-E 接口定義為USB 信號(hào)及3.6 V 電壓，USB 接口5 V 電壓通過DC to DC 電壓源芯片轉(zhuǎn)換成3.6 V 電壓和2 A 電流供給模塊及UIM/SIM 卡工作.EC20 LTE模塊支持頻段FDD-LTE:B1/B3 和TDD-LTE:B38/B39/B40/B41；支持Mini PCIe 接口:采用PCI Express Mini Card 1.2 標(biāo)準(zhǔn)接口；支持LTE 特性:符合3 GPP R9 CAT3 FDD 和TDD，支持1.4-20 MHz 射頻帶寬，F(xiàn)DD:Max 100 MHz (DL)50 MHz(UL)，TDD:Max 61 MHz (DL)18 MHz (UL)；支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為:支持TCP/UDP/PPP/QMI/HTTP 等協(xié)議，支持PAP 和CHAP 協(xié)議，支持標(biāo)準(zhǔn)AT 指令集及擴(kuò)展AT 指令集.其中，Mini PCI-E 轉(zhuǎn)USB 電路原理圖如圖4.

圖4 Mini PCI-E 轉(zhuǎn)USB 電路原理圖

2.3 WiFi 通信模塊

系統(tǒng)采用的無線通信模塊RT3070 是高度集成的MAC/BBP 和2.4 G RF 單芯片，芯片支持150 Mbps 至300 Mbps的吞吐量.它完全符合IEEE802.11n draft 4.0 和IEEE802.11 b/g 標(biāo)準(zhǔn)，在較遠(yuǎn)的高吞吐量下提供可靠，成本效益高，功能豐富的無線連接.由優(yōu)化的RF 結(jié)構(gòu)和基帶算法提供了卓越的性能和低功耗.智能的MAC 設(shè)計(jì)采用了高效的USB 引擎和硬件數(shù)據(jù)處理加速器，從而不使主機(jī)處理器過載.符合本系統(tǒng)的需求.

2.4 DS18B20 溫度傳感器模塊

DS18B20 是美國(guó)Dallas 公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化，低功耗，高性能，抗干擾能力強(qiáng)，易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)處理器處理.測(cè)量溫度范圍是-55°C～125°C，測(cè)溫誤差為±0.5°C.可編程的分辨率為9～12 位，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量.具有負(fù)壓特性:電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱燒毀.由電源線，信號(hào)線和地線三個(gè)引腳組成的三極管集成電路.DS18B20的應(yīng)用電路有:寄生電源供電方式，寄生電源強(qiáng)上拉供電方式和外部電源供電方式[2].該系統(tǒng)采用外部電源供電方式，DS18B20的工作電壓范圍3.0V～5.5V，信號(hào)引腳的上拉電阻范圍4.7 KΩ～10 KΩ.其中應(yīng)用原理圖如圖5.

圖5 DS18B20 外部電源供電電路圖

2.5 USB 通信接口及USB 集線器模塊

系統(tǒng)所采用的S3C2440 芯片內(nèi)部含有USB 主機(jī)接口和USB 設(shè)備接口，系統(tǒng)主要應(yīng)用的是USB 設(shè)備接口，它采用DMA 接口方案，允許控制傳輸，中斷傳輸和DMA 接口的批量傳輸，具有5個(gè)帶FIFO的端點(diǎn)，支持USB2.0 協(xié)議，高速的理論速度為480 Mbps 和全速的理論速度為12 Mbps，包括支持熱拔插，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和多設(shè)備連接等優(yōu)點(diǎn).其應(yīng)用電路圖如圖6所示.

圖6 USB Host 硬件電路圖

系統(tǒng)USB 集線器模塊采用FE2.1 集線器控制芯片，它是集成性比較高，品質(zhì)高，性能高，能耗低的高速七端USB2.0 集線器，系統(tǒng)應(yīng)用其中三個(gè)端.FE2.1模塊電路原理圖如圖7所示.

圖7 FE2.1模塊電路原理圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在友善之臂Linux-2.6.32.2-mini2440-20150709 內(nèi)核的基礎(chǔ)上所開發(fā)設(shè)計(jì)的，主要包括Linux 操作系統(tǒng)的移植[3]，4G-LTE模塊的驅(qū)動(dòng)移植和RT3070 無線模塊的驅(qū)動(dòng)移植以及所依賴的文件移植.通信模塊中的4G模塊和WiFi模塊都是通過USB 接口建立的驅(qū)動(dòng)模塊，在移植通信模塊前先要編譯Linux 內(nèi)核然后移植驅(qū)動(dòng).要實(shí)現(xiàn)4G-WiFi 路由則需要移植iptables，它可以完成封包過濾，封包重定向和網(wǎng)絡(luò)地址數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換(NAT)等功能.關(guān)于iptables的具體移植方法，可以從網(wǎng)絡(luò)上了解.

3.1 4G 通信模塊的移植

(1)支持4G模塊的內(nèi)核編譯

進(jìn)入內(nèi)核的目錄并對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁剪，執(zhí)行make menuconfig 進(jìn)行界面選擇Multi-purpose USB Networking Framework 將Linux 內(nèi)核的rndis_host 配置為動(dòng)態(tài)模塊，可以在Linux 下使用USB網(wǎng)絡(luò).選擇USB driver for GSM and CDMA mdems，實(shí)現(xiàn)Linux 內(nèi)核對(duì)4G模塊驅(qū)動(dòng)的支持.選擇所有PPP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選項(xiàng)，可以使Linux 內(nèi)核支持4G網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)，當(dāng)4G 通信模塊移植完成后可以通過PPP 撥號(hào)的方式連接網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng).

(2)4G 通信模塊驅(qū)動(dòng)移植安裝

通過對(duì)所提供的Linux 驅(qū)動(dòng)源碼和撥號(hào)聯(lián)網(wǎng)程序進(jìn)行修改編譯生成可執(zhí)行4G模塊驅(qū)動(dòng)文件.使用insmod 命令將4G模塊加載到內(nèi)核中，移植成功后可以看出在4G模塊在系統(tǒng)中被映射成為的網(wǎng)口和4G網(wǎng)卡IP 地址等信息，可以Ping 公網(wǎng)測(cè)試則移植成功[4，5].

3.2 WiFi 通信模塊的移植

(1)支持WiFi模塊AP模式的內(nèi)核編譯

在Linux 內(nèi)核選項(xiàng)中選擇IEEE 802.11 for Host AP (Prism2/2.5/3 and WEP/TKIP/CCMP)使內(nèi)核支持WiFi模塊的AP 功能.選擇RF switch subsystemsupport，此選項(xiàng)為了節(jié)約電力，很多無線網(wǎng)卡都有內(nèi)置的射頻開關(guān)用于開啟和關(guān)閉設(shè)備.選擇Generic IEEE802.11 Networking Stack (mac80211)，Generic IEEE 802.11 Networking Stack (mac80211)選項(xiàng)是獨(dú)立于硬件的通用IEEE 802.11 協(xié)議棧模塊，可以讓系統(tǒng)能更好的控制硬件.

(2)WiFi 通信模塊驅(qū)動(dòng)的移植

2010_0203_RT3070_SoftAP_v2.4.0.1_DPA.bz2 驅(qū)動(dòng)下載，此驅(qū)動(dòng)是RT3070 在Linux 操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)軟AP模式的驅(qū)動(dòng).解壓縮文件后，在2010_0203_RT3070_SoftAP_v2.4.0.1_DPA 目錄下有三個(gè)文件夾分別為MODULE，NETIF，UTIL，在這三個(gè)文件中均有Makefile，在所有Makefile中修改其中的支持平臺(tái)與平臺(tái)下的內(nèi)核路徑和交叉編譯器.編譯通過后，在開發(fā)板修改rt2870ap.dat 文件讓rt3070ap 在啟動(dòng)的時(shí)候配置成WPA2的加密方式，并依次執(zhí)行insmod rtutil3070ap.ko，insmod rt3070ap.ko，insmod rtnet3070ap.ko.則可以系統(tǒng)可以識(shí)別無線模塊，并被映射成為相應(yīng)的網(wǎng)口[6，7].

3.3 DS18B20 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

對(duì)于單總線結(jié)構(gòu)的DS18B20的讀寫控制必須嚴(yán)格按照時(shí)序圖進(jìn)行編程，通過嵌入式設(shè)備的通用I/O 口GPF0 直接驅(qū)動(dòng)DS18B20的DQ 信號(hào)的交流端.通過調(diào)用精確的延時(shí)子程序，來對(duì)其準(zhǔn)確時(shí)序控制[1].DS18B20的讀寫時(shí)序圖如圖8 和圖9.

圖8 DS18B20 寫時(shí)序

圖9 DS18B20 讀時(shí)序

在Linux 系統(tǒng)中把DS18B20的溫度傳感器程序通過運(yùn)行交叉編譯器編譯成字符設(shè)備驅(qū)動(dòng).使用insmod 命令將溫度傳感器模塊加載到內(nèi)核中，移植成功后可以在系統(tǒng)/dev中發(fā)現(xiàn)溫度傳感器模塊被映射成為DS18B20的驅(qū)動(dòng)設(shè)備號(hào).

3.4 通信方式的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Socket 接口是支持TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序編程接口，是支持Linux 系統(tǒng)中通用的網(wǎng)絡(luò)接口，網(wǎng)絡(luò)的Socket 數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O 接口，Socket 也是一種文件描述.在Socket 通信中有兩種通信協(xié)議:UDP協(xié)議(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，面向無連接)和TCP 協(xié)議(傳輸控制協(xié)議，面向連接).UDP 協(xié)議和TCP 協(xié)議之間的區(qū)別如表1所示[8，9].

表1 UDP 協(xié)議和TCP 協(xié)議之間的區(qū)別

TCP 協(xié)議提供IP 環(huán)境下的數(shù)據(jù)可靠傳輸能力，它提供的服務(wù)包括數(shù)據(jù)流傳送，可靠性，有效流控，全雙工操作和多路復(fù)用.它建立連接使用三次握手過程，使一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)出的字節(jié)流無差錯(cuò)的發(fā)向網(wǎng)絡(luò)上的其他計(jì)算機(jī).在網(wǎng)絡(luò)比較弱的時(shí)候也能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，所以該系統(tǒng)選擇TCP 協(xié)議C/S 結(jié)構(gòu)的Linux Socket網(wǎng)絡(luò)編程[10].TCP 協(xié)議的編程流程圖如圖10.

圖10 TCP 協(xié)議的編程流程圖

以4G網(wǎng)絡(luò)為例.TCP 協(xié)議的Socket的服務(wù)器首先運(yùn)行，通過調(diào)用socket 函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)Socket，然后調(diào)用bind 函數(shù)將其與本機(jī)地址以及一個(gè)本地端口號(hào)綁定，然后調(diào)用listen 函數(shù)在該Socket 上監(jiān)聽，等待客戶端的連接，接著調(diào)用accept 函數(shù)來接受連接服務(wù).客戶端程序先將接受的數(shù)據(jù)使用setsockopt 函數(shù)綁定到指定4G網(wǎng)絡(luò)端口，然后調(diào)用connect 函數(shù)和服務(wù)器建立連接，連接成功后客戶端和服務(wù)器之間調(diào)用send 和recv 來發(fā)送和接受數(shù)據(jù).最后，兩邊都關(guān)閉Socket.其中數(shù)據(jù)信息前兩位為溫度數(shù)據(jù)，中間兩個(gè)空格，最后五位是電壓數(shù)據(jù).

3.5 Android 手機(jī)端通信

手機(jī)端通信采用C/S模式Android 開發(fā)結(jié)合Socket 完成網(wǎng)絡(luò)通信.通信系統(tǒng)采用Android 6 版本，以JDK7+Eclipse+SDK 為開發(fā)環(huán)境，客戶進(jìn)入系統(tǒng)可以獲取WiFi 通信系統(tǒng)分配的IP 地址及設(shè)置通信端口號(hào)[11，12]，啟動(dòng)創(chuàng)建可以接受到客戶端發(fā)來的電池電壓與工作溫度數(shù)據(jù).

4 系統(tǒng)測(cè)試

數(shù)據(jù)采集采用3.3 V 電壓供電模擬電池實(shí)際5 V電壓，來測(cè)試電壓采集的數(shù)據(jù)如表2所示，電壓最大差約為0.33%，平均誤差為0.27%.采集的溫度數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度沒有明顯的差距.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以總結(jié)出，該系統(tǒng)采集性能良好，電壓與溫度數(shù)據(jù)誤差較小，比較好的完成對(duì)模擬電池的信息數(shù)據(jù)的讀取.

表2 模擬電池信息采集表

通過制定好的通信協(xié)議對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)打包，然后經(jīng)過嵌入式控制系統(tǒng)通過USB 接口傳到4G 通信模塊，通過4G 通信模塊向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù).如圖11，在客戶端運(yùn)行發(fā)送數(shù)據(jù)程序.

如圖12，Linux 服務(wù)器通過Internet網(wǎng)絡(luò)接受到客戶端發(fā)送來數(shù)據(jù)后采用制定好的協(xié)議解析，然后加上系統(tǒng)的日期和時(shí)間.

如圖13，PC 機(jī)服務(wù)器通過Internet網(wǎng)絡(luò)接受到客戶端發(fā)送來數(shù)據(jù)后采用制定好的協(xié)議解析，然后加上系統(tǒng)的日期和時(shí)間.

圖11 客戶端運(yùn)行狀態(tài)

圖12 服務(wù)器接收狀態(tài)

圖13 PC 機(jī)服務(wù)器接受狀態(tài)

手機(jī)通信服務(wù)端接受數(shù)據(jù)信息如圖14所示，每一條數(shù)據(jù)都占有客戶端不同的端口，并包含了每條數(shù)據(jù)發(fā)來的時(shí)間.

圖14 手機(jī)通信服務(wù)端接受效果

通過手機(jī)連接4G-WiFi 系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試.通過串口通信在LTE 制式下測(cè)試不同環(huán)境(第一組:室外，第二組:室內(nèi)，第三組:地下車庫)的丟包率和往返延時(shí).測(cè)試結(jié)果如表3所示.

表3 LTE 制式下測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文系統(tǒng)在MINI2440 開發(fā)板上運(yùn)行Linux 操作系統(tǒng)，將當(dāng)前階段網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率傳播最快的4G 移動(dòng)通信技術(shù)和常用的WiFi 無線通信技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了可移動(dòng)強(qiáng)，安全，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了溫度與電壓數(shù)據(jù)采集與傳輸，同時(shí)用戶可以隨時(shí)通過WiFi 終端連接上互聯(lián)網(wǎng)，為客戶端解決了網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差，網(wǎng)速慢的問題.特別是具有實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，設(shè)置簡(jiǎn)單和實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)，非常適合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的場(chǎng)景.