一种低功耗工程机械车载终端的设计与实现

冶志强，王迎超，2，丁永亮，李 娜，2

（1.新疆电子研究所股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学计算机与信息工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000）

由于工程机械普遍作业的环境恶劣，经常遭遇雨水、道路泥泞等各种天气不利因素，再加上自身体积庞大，振动负荷大等因素，很容易导致车身零部件故障，导致工程无法按时进行，给企业和用户带来一些不必要的经济损失[1-8]。当前，我国关于工程机械的管理还比较依赖于人工监管，借助人工巡检的方式，对管辖范围内的工程机械进行排查。但是由于目前工程机械种类繁多、更趋于大型化、机电一体化，对于巡检人员的要求也越来越高，并且人工巡检由于人为主观原因也会导致监测不准、漏检等现象发生[9-15]。因此该文设计了一款低功耗的工程机械车载终端产品，旨在解决上述问题。

1 系统组成及原理

该文以STM32F407ZET6 芯片作为中央处理单元，结合定位模块、通信模块、传感器模块以及电源管理模块设计了一款低功耗工程机械车载终端。重点对工程机械的发动机状态、油耗、故障位置等进行监测管理。当故障发生时能够进行远程报警并上传报警故障类型及车辆的位置信息。图1 为车载终端整体设计框图。

图1 工程机械车载终端整体设计框图

车载终端一般由低功耗嵌入式中央处理器、北斗（BD）定位模块、4G 通信模块、电源管理模块等组成，系统硬件结构如图2 所示。

图2 系统硬件结构

1.1 低功耗嵌入式中央处理器

作为一种嵌入式电子设备，正常工作必定产生功耗。过多的功耗浪费将会使得企业投入更多的成本。低功耗的设计可减少系统的电磁辐射，减少能耗浪费，节约成本。文中从以下三个方面进行低功耗设计:

1）电源电压

对于整个终端系统来说，过高的电源电压会因流入电流增大而导致整个电路功耗提升。因此保持系统在额定的工作电压下工作可以确保系统不会因为电压的增大而产生不必要的功耗。

2）时钟电路

终端系统依据设定频率的大小而进行工作。当时钟频率过快时，整个系统将会一直处于高速工作状态，很容易造成系统产生大量的功耗。时钟电路作为调节频率的主要途径，因此在满足要求的前提下，尽可能降低系统工作时钟的频率。

3）系 统

在非必要的前提下，可停止系统的工作，如关闭工作时钟，停止对内存的访问，停止总线定时操作等。

1.2 北斗卫星导航

根据《北斗卫星导航系统公开服务性能规范3.0版》阐述，北斗卫星导航系统由三部分组成，分别是空间段、地面控制段和用户段[16-18]。

空间段主要由30 颗轨道卫星组成，其中包括3 颗静止轨道卫星、24 颗中圆地球轨道卫星及3 颗倾斜同步轨道卫星。

地面控制段由主控站、注入站和监测站组成，主要功能是监测卫星的运行状态、收集卫星数据、计算导航信息、维护每颗卫星能够正常运转。

用户段即是各种类型的北斗用户终端，可以追踪北斗导航卫星，并实时地计算出接收机所在位置的坐标、移动速度及时间。

北斗导航卫星的定位原理可分为以下三步:1）确定卫星与用户接收机之间相隔的距离；2）将所有卫星的数据进行综合分析；

3）确定接收机的地理信息。

2 终端总体设计

2.1 硬件设计

车载信息采集终端借助北斗导航卫星定位技术实现车辆定位，微处理器读取安装在工程机械上各传感器采集的数据信息，通过多传感器数据融合方式实现对多个维度信息的综合分析。利用4G 通信网络技术上传至监管平台，对正在作业的工程机械的油耗、蓄电瓶电压、车辆位置等状态信息进行统一、实时信息化管理。具体设计如图3 所示。

图3 硬件设计框图

2.2 软件设计

软件设计部分采用模块化、结构化设计。主要包含系统初始化、4G 接收、Socket 重连接、定时器、北斗接收、油位采集、电压采集模块。软件整体设计方案如图4 所示。

图4 系统软件设计方案

4G 接收：主要完成车载终端采集信息的接收、心跳包的发送以及数据的上传。

Socket 重连接：主要完成当服务器与4G 之间发生断连时，自动进行两者之间的重连接。

定时器：定时采集油位、发动机状态及位置信息。

北斗接收：主要接收工程机械在某一时间内的位置信息，通过采集时间与经纬度信息实现。部分代码如下：

油位采集：完成对工程机械油耗的监测，对油耗异常情况进行预警。

电压采集：主要借助发动机状态与蓄电瓶电压的关系曲线，通过得到的蓄电瓶电压值来表示当前的发动机状态信息。

2.3 主要功能

1）发动机工作状态采集

单一地从发动机本身来远程判定是否工作存在诸多困难。发动机的工作状态与车载蓄电瓶的电压紧密相关，两者关系如图5 所示。从图中可以看出，发动机在发动前的蓄电瓶电压为U0。当启动发动机时，蓄电瓶电压会短时间降到U1。发动机处于工作状态时，蓄电瓶维持发动机的工作状态，电压为U2。发动机熄停后，电压恢复到U3。因此，通过采集蓄电瓶的电压来判断发动机的启停。由表1 可以看出，对于发动机的启动、运行、停止工作都有非常明显的划分范围，因此借助蓄电瓶的电压状态来间接判断发动机状态是可行的，需要说明的是工程机械一般为两节12 V 蓄电瓶串联。

表1 12 V蓄电瓶电压区间划分表

图5 发动机状态与蓄电瓶电压关系图

2）终端输入电压保护

输入电压过大会导致电路的破坏或者元器件的损坏，因此有必要对输入电压进行保护，即电平电压高于正常区间时自动切断取电。在该文中，通过搭建如图6 所示的电路，来完成对输入电压的过压、防反接的保护。

图6 车载电池保护电路

其中，虚线框T1 内为防反接保护电路，当电源反接时，Q1 NMOS 处于截止，只有当NMOS 的Vgs 电压大于其阈值电压时，才导通。T2 虚线框内为蓄电池过放保护电路，当蓄电池电压处于正常区间，稳压二极管D1 击穿导通，Q2 NPN 三极管与Q3 PMOS 场效应管都导通，只有当蓄电池电压低于稳压二极管D1 的稳压值（24 V）时（低于23.6 V 时蓄电瓶电压处于偏低状态），三极管Q2 截止，Q3 PMOS 也处于截止状态，因此电流无法通过Q3 场效应管，实现欠压保护功能。需要说明的是在选择场效应管时，其VDSS电压要高于蓄电瓶的最大电压，同时其导通电阻要小，以进一步降低功耗。此外虚线框T3 内电路提供过流、过压保护功能。

3）油耗监测

对于油耗的实时监测有助于管理方及时预防油箱破裂、漏油等问题的出现，进而能够节省更多的资源。油位传感器输出信号一般为0～5 V、0.5～4.5 V或4～20 mA 的模拟量信号或通过RS485 串行通信的方式输出油位信息。该文采用RS485（F3 协议）串行通信方式，完成对油耗的监测。其中，油位传感器采用SFP 系列压力式液位传感器，主要性能参数如表2所示。

表2 SFP系列压力式液位传感器参数

4）双模定位

定位的设计主要需要考虑的因素包括定位精度、跟踪灵敏度、功耗等。中科微的ATGM336H-5N-31北斗及GPS 双模定位模块具有高灵敏度、低功耗、低成本等优势可实现优于2.5M（CEP50）的车辆定位能力。该模块通过UART 作为主要输出通道，按照NMEA0183 的协议格式输出定位信息。同时，由于模块内置天线检测及天线短路保护功能，当天线意外短路时，限制天线的电源电流（50 mA）以保护天线。当天线三个端口的状态发生变化时，可以将相关信息从端口导出到监测平台，实现北斗卫星在线监测。

3 关键技术

3.1 低功耗设计

1）硬件方面

工程机械车载信息采集终端供电由车载蓄电瓶提供，因此在车辆熄火状态下采用低功耗的设计尤为重要。为了最大化的节能，除了合理优化软件控制策略外，硬件方面也采用低功耗设计，因此该文采用的供电方案如图7 所示。在硬件上的低功耗设计分为两部分，分别是采用DC-DC 电源模块和采用DC-LDO 的方式，主要是为了有效降低功耗及电源纹波。

图7 供电方案

①DC-DC 电源

工程机械车载蓄电瓶电压范围通常为21.6～29.6 V，而该设计中终端模块负载电平为5 V 或3.3V。DC-DC 电源芯片相对于LDO 芯片转换效率更高，因此该设计采用DC-DC 稳压器为蓄电瓶降压。TI的TPS5430因其具有宽电压（5.5～36 V）输入、大电流（持续3 A）输出、转换效率高（95%）等优势，因此该文采用TPS5430 作为DC-DC 的电源芯片。

②DC-LDO

相对于DC-DC 芯片的高效率，LDO 稳压器具有稳压精度高、输出纹波低的特性。因此对纹波要求苛刻的4G 模组、BD/GPS 模组等终端核心电路单元采用LDO 供电。该设计采用三颗不同的LDO 稳压芯片，其中LDO2 及LDO3 具有关断使能引脚功能，当设备处于休眠时可切断4G 模组及BD/GPS 双模定位模组电源，进一步降低功耗。

2）软件方面

低功耗软件设计包含两个方面，一方面，该文采用的编程环境RT-Thread 自身带有低功耗的设计，通过使用RT-Thread 的电源管理组件，在IDLE 任务中通过对CPU、时钟和设备等进行管理，从而有效降低系统的功耗；另一方面，当高优先级任务运行结束或被挂起时，系统将进入IDLE 任务中。在IDLE任务完成之后，它将通过判断功能辨别整个车载系统是否处于待机状态，以此来降低功耗。在进入休眠状态时，某些硬件模块将根据芯片的状态关闭。这时在电源模块控制中将通过系统定时器计算下一个延迟点，并设置低功率定时器，使设备能够在该点上唤醒并进行后续工作[19]。

3.2 通信网络

为了确保在传输过程中，数据格式不发生变化，支持不同运营商的网络制式，且能够兼容EDGE 和GSM/GPRS 网络。该文采用EC20 模组作为4G 通信单元。

3.3 多线程共享技术

为了更好地利用系统资源，最大化地利用单片机，在信息采集过程中采用多线程技术，充分利用单片机的空闲时间，在最短的时间内实现全多点数据采集，提高数据采集系统的整体效率。由于所有线程都具有统一的内存，因此不需要专门的数据传输、文件共享和共享机制，这将有助于解决不同任务之间的业务和操作协调、数据交互和资源分配问题。

4 结论

该文针对目前工程机械领域所面临的一些问题，提出了一种低功耗的工程机械车载终端信息采集方式，对该终端的整体结构、主要功能、关键技术及软件设计进行了分析探讨，并在此基础上搭建了远程监管平台。目前，车载终端已经投入运行，运行状态稳定可靠，为企业和用户提供了非常大的便利。此外，该款车载终端的设计也存在一些不足，比如在低功耗的设计方面，依旧存在可提升的空间，在下一步的研究中，将继续采用更优的方法来解决低功耗的问题。