曾 哲 陳永輝 夏敏敏 龍杰強(qiáng) 曾科力

(湖南中聯(lián)重科智能技術(shù)有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410013)

近年，各大工程機(jī)械廠家都提出產(chǎn)品要提高競(jìng)爭(zhēng)力，要將智能化技術(shù)應(yīng)用到工程機(jī)械中，用信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等高新技術(shù)融入工程機(jī)械，以提高工程機(jī)械的操縱性、平衡性、舒適性，提高工作效率，并向智能化方向發(fā)展[1]。這就要求工程機(jī)械產(chǎn)品能嵌入更多的傳感器，能將傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳出來(lái)，從中提煉出關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行管理和監(jiān)測(cè)。智能化的需求促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)終端在工程機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用，但目前大部分廠家使用的物聯(lián)網(wǎng)終端功能單一，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)安全；二是數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品智能化的提高有限。

基于工程機(jī)械產(chǎn)品智能化的需求以及傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端功能單一的特點(diǎn)，本文提出了一種智能終端的設(shè)計(jì)方案。

一、智能終端概述

智能終端不同于傳統(tǒng)的終端，定位為集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、傳輸為一體，可為電液控制系統(tǒng)提供更全聯(lián)接、更多感知、更高計(jì)算、更好記憶能力的全新一代終端產(chǎn)品，它在如下幾方面體現(xiàn)出對(duì)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端的優(yōu)勢(shì)：

(一)聯(lián)接多樣

工程機(jī)械設(shè)備傳感器繁多，且總線接口不統(tǒng)一，協(xié)議復(fù)雜。智能終端硬件支持多總線及無(wú)線通訊接口，軟件上采用模塊化設(shè)計(jì)，可為非標(biāo)準(zhǔn)智能化終端外設(shè)的驅(qū)動(dòng)提供適配層的硬件抽象層(HAL)組件，能夠很好的解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所帶來(lái)的聯(lián)接及協(xié)議轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

(二)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)終端功能薄弱，運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力有限，只能將數(shù)據(jù)分析和控制邏輯放在云端實(shí)現(xiàn)，不能滿足實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求。智能終端部署在設(shè)備側(cè)，靠近數(shù)據(jù)源，其可內(nèi)置多種算法，并根據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，借助內(nèi)置的高性能計(jì)算單元與高效的數(shù)據(jù)交互機(jī)制，能較好的解決業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。

(三)應(yīng)用智能

智能終端內(nèi)置多種傳感模塊，外接網(wǎng)絡(luò)攝像頭可采集視頻數(shù)據(jù)，利用其強(qiáng)大的運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力，借助嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有組織的有效存儲(chǔ)和快速數(shù)據(jù)檢索，給預(yù)測(cè)性維護(hù)、自診斷、自主動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化等典型應(yīng)用提供支持。

二、智能終端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1 智能終端系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，現(xiàn)在普遍認(rèn)可的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[2]。在物聯(lián)網(wǎng)感知層中主要包含的是傳感器等數(shù)據(jù)采集和獲取設(shè)備，以及將數(shù)據(jù)接入網(wǎng)關(guān)的傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)層則利用無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、認(rèn)證和傳輸；應(yīng)用層提供基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，結(jié)合行業(yè)需求信息實(shí)現(xiàn)智能化的解決方案。

本文研究的智能終端屬于物聯(lián)網(wǎng)中的感知層和網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，不僅具備靈敏的感知能力，對(duì)各種信息進(jìn)行收集、處理、分析和控制的能力，同時(shí)還提供了將收集到的原始數(shù)據(jù)、預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍┰贫藨?yīng)用的通道。

三、智能終端軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

(一)硬件設(shè)計(jì)

圖2 智能終端系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

智能終端涵蓋了Ethernet、CAN、RS485等多總線接口類型，搭載高速處理器及4G全網(wǎng)通通信模塊，能夠?yàn)殡娍仄骷峁└喔兄獢?shù)據(jù)，處理更多應(yīng)用數(shù)據(jù)，更快傳輸工況數(shù)據(jù)。它在硬件架構(gòu)上采用功能獨(dú)立和模塊資源充分發(fā)揮的模塊化設(shè)計(jì)。

主要硬件模塊說(shuō)明：

(1)高速處理器：為智能終端的主控器件，采用TI公司A8架構(gòu)的AM3352芯片，承載數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸，WIFI、藍(lán)牙協(xié)議棧處理，充分發(fā)揮A8架構(gòu)內(nèi)部硬件資源，架構(gòu)精簡(jiǎn)穩(wěn)定可靠，易于配置，成本較低。

(2)4G模塊：選用ME3630全網(wǎng)通工業(yè)級(jí)模塊，智能終端通過(guò)該模塊與云平臺(tái)交互數(shù)據(jù)。

(3)WIFI模塊：選用HF-ALL-1模組，可作為AP，近距離連接智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，將數(shù)據(jù)傳至移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行顯示；也可作為STA，通過(guò)路由接入到互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)回傳至云端。

(4)藍(lán)牙模塊：選用EH-MC10模組，近距離連接智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，用以做數(shù)據(jù)顯示或近場(chǎng)控制。

(5)GPS/北斗雙模定位模塊：采用ublox的的MAX-8Q工業(yè)級(jí)模塊，體積小，功耗低，用以對(duì)設(shè)備的定位追蹤。

(6)總線模塊：包含Ethernet、CAN總線與RS485總線模塊，用以采集電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)或進(jìn)行控制。

(7)IO模塊：通過(guò)IO接口采集電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通常用于主機(jī)設(shè)備上電檢測(cè)。

(8)音、視頻模塊：IO、總線或傳感器采集情況可觸發(fā)采集現(xiàn)場(chǎng)的音視頻信息，此部分信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模快中，可實(shí)時(shí)查看或者進(jìn)行歷史回看。

(9)傳感模塊：主要有溫度傳感器和三軸傳感器，溫度傳感器監(jiān)控智能終端的工作溫度，三軸傳感器用于監(jiān)控主機(jī)設(shè)備的姿態(tài)信息。

(10)存儲(chǔ)模塊：采用Micro SD卡實(shí)現(xiàn)，支持最大256G存儲(chǔ)，記錄現(xiàn)場(chǎng)音視頻信息以及智能終端本身工作狀態(tài)信息。

(二)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品物理接口、協(xié)議、數(shù)據(jù)差異造成終端軟件開發(fā)種類多，開發(fā)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，軟件復(fù)用性不強(qiáng)，穩(wěn)定性得不到保證的弊端。本設(shè)計(jì)提供了一套基于智能終端的二次開發(fā)平臺(tái)框架，框架按照功能劃分為HAL、CORE、Network、IPC等部分，可提供數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸、處理的核心服務(wù)功能。

圖3 智能終端軟件框架圖

1.HAL：負(fù)責(zé)框架與Linux API的通信，完成總線接口、協(xié)議適配并維護(hù)底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.CORE：平臺(tái)系統(tǒng)資源加載，數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、分發(fā)，多協(xié)議通信接入、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)。

3.Network：與云平臺(tái)通信，網(wǎng)絡(luò)連接維護(hù)，提供終端到云平臺(tái)(服務(wù)器)之間穩(wěn)定可控的通信鏈路。

4.IPC：進(jìn)程間通信，對(duì)外提供接口。

在此框架中，應(yīng)用開發(fā)人員無(wú)須關(guān)心底層細(xì)節(jié)，可以通過(guò)IPC模塊的接口便利的獲取數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)APP的開發(fā)，大大縮減了項(xiàng)目的開發(fā)時(shí)間，且模塊化和復(fù)用性的提高，也使得軟件的可靠性得到了提高。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)工程機(jī)械行業(yè)智能化的需求及傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端功能單一的局限性，提出了一種智能終端的設(shè)計(jì)方案，目前已在起重機(jī)吊裝就地規(guī)劃控制系統(tǒng)、混凝土泵車健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)等多個(gè)產(chǎn)品中得到了應(yīng)用，提升了工程機(jī)械主機(jī)設(shè)備的自診斷能力、操作自動(dòng)化程度和安全性，給工程機(jī)械行業(yè)智能化帶來(lái)了很好的示范性效應(yīng)。