一種工程機械用智能終端設計

曾 哲 陳永輝 夏敏敏 龍杰強 曾科力

(湖南中聯重科智能技術有限公司 湖南 長沙 410013)

近年，各大工程機械廠家都提出產品要提高競爭力，要將智能化技術應用到工程機械中，用信息技術、計算機技術、控制技術等高新技術融入工程機械，以提高工程機械的操縱性、平衡性、舒適性，提高工作效率，并向智能化方向發展[1]。這就要求工程機械產品能嵌入更多的傳感器，能將傳感器的數據通過網絡傳出來，從中提煉出關鍵數據，對產品進行管理和監測。智能化的需求促進了物聯網終端在工程機械行業中的應用，但目前大部分廠家使用的物聯網終端功能單一，主要用來實現兩個功能：一是通過遠程控制實現資產安全；二是數據傳輸，對工程機械產品智能化的提高有限。

基于工程機械產品智能化的需求以及傳統物聯網終端功能單一的特點，本文提出了一種智能終端的設計方案。

一、智能終端概述

智能終端不同于傳統的終端，定位為集數據采集、存儲、處理、傳輸為一體，可為電液控制系統提供更全聯接、更多感知、更高計算、更好記憶能力的全新一代終端產品，它在如下幾方面體現出對傳統物聯網終端的優勢：

(一)聯接多樣

工程機械設備傳感器繁多，且總線接口不統一，協議復雜。智能終端硬件支持多總線及無線通訊接口，軟件上采用模塊化設計，可為非標準智能化終端外設的驅動提供適配層的硬件抽象層(HAL)組件，能夠很好的解決異構網絡所帶來的聯接及協議轉換問題。

(二)業務實時

傳統的物聯網終端功能薄弱，運算能力和存儲能力有限，只能將數據分析和控制邏輯放在云端實現，不能滿足實時性業務場景的需求。智能終端部署在設備側，靠近數據源，其可內置多種算法，并根據需要進行動態加載，借助內置的高性能計算單元與高效的數據交互機制，能較好的解決業務的實時性問題。

(三)應用智能

智能終端內置多種傳感模塊，外接網絡攝像頭可采集視頻數據，利用其強大的運算能力和存儲能力，借助嵌入式數據庫技術，實現有組織的有效存儲和快速數據檢索，給預測性維護、自診斷、自主動態實時優化等典型應用提供支持。

二、智能終端網絡架構

圖1 智能終端系統網絡架構

在物聯網領域，現在普遍認可的三層網絡架構，即感知層、網絡層和應用層[2]。在物聯網感知層中主要包含的是傳感器等數據采集和獲取設備，以及將數據接入網關的傳感器網絡；網絡層則利用無線和有線網絡對采集的數據進行編碼、認證和傳輸；應用層提供基于物聯網的應用，結合行業需求信息實現智能化的解決方案。

本文研究的智能終端屬于物聯網中的感知層和網絡層設備，不僅具備靈敏的感知能力，對各種信息進行收集、處理、分析和控制的能力，同時還提供了將收集到的原始數據、預處理后的數據傳輸到云端，供云端應用的通道。

三、智能終端軟硬件平臺設計

(一)硬件設計

圖2 智能終端系統網絡架構

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全網通通信模塊，能夠為電控器件提供更多感知數據，處理更多應用數據，更快傳輸工況數據。它在硬件架構上采用功能獨立和模塊資源充分發揮的模塊化設計。

主要硬件模塊說明：

(1)高速處理器：為智能終端的主控器件，采用TI公司A8架構的AM3352芯片，承載數據處理、數據存儲及傳輸，WIFI、藍牙協議棧處理，充分發揮A8架構內部硬件資源，架構精簡穩定可靠，易于配置，成本較低。

(2)4G模塊：選用ME3630全網通工業級模塊，智能終端通過該模塊與云平臺交互數據。

(3)WIFI模塊：選用HF-ALL-1模組，可作為AP，近距離連接智能手機等移動設備，將數據傳至移動設備上進行顯示；也可作為STA，通過路由接入到互聯網，將數據回傳至云端。

(4)藍牙模塊：選用EH-MC10模組，近距離連接智能手機等移動設備，用以做數據顯示或近場控制。

(5)GPS/北斗雙模定位模塊：采用ublox的的MAX-8Q工業級模塊，體積小，功耗低，用以對設備的定位追蹤。

(6)總線模塊：包含Ethernet、CAN總線與RS485總線模塊，用以采集電控系統數據或進行控制。

(7)IO模塊：通過IO接口采集電控系統數據，通常用于主機設備上電檢測。

(8)音、視頻模塊：IO、總線或傳感器采集情況可觸發采集現場的音視頻信息，此部分信息存儲在存儲模快中，可實時查看或者進行歷史回看。

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

(10)存儲模塊：采用Micro SD卡實現，支持最大256G存儲，記錄現場音視頻信息以及智能終端本身工作狀態信息。

(二)軟件設計

針對工程機械產品物理接口、協議、數據差異造成終端軟件開發種類多，開發費時費力，軟件復用性不強，穩定性得不到保證的弊端。本設計提供了一套基于智能終端的二次開發平臺框架，框架按照功能劃分為HAL、CORE、Network、IPC等部分，可提供數據采集、存儲、傳輸、處理的核心服務功能。

圖3 智能終端軟件框架圖

1.HAL：負責框架與Linux API的通信，完成總線接口、協議適配并維護底層數據結構。

2.CORE：平臺系統資源加載，數據處理中心，負責數據的采集、分發，多協議通信接入、實時數據的結構化存儲。

3.Network：與云平臺通信，網絡連接維護，提供終端到云平臺(服務器)之間穩定可控的通信鏈路。

4.IPC：進程間通信，對外提供接口。

在此框架中，應用開發人員無須關心底層細節，可以通過IPC模塊的接口便利的獲取數據并對其進行處理，實現APP的開發，大大縮減了項目的開發時間，且模塊化和復用性的提高，也使得軟件的可靠性得到了提高。

四、結束語

本文針對工程機械行業智能化的需求及傳統物聯網終端功能單一的局限性，提出了一種智能終端的設計方案，目前已在起重機吊裝就地規劃控制系統、混凝土泵車健康監測系統、塔機安全監控系統等多個產品中得到了應用，提升了工程機械主機設備的自診斷能力、操作自動化程度和安全性，給工程機械行業智能化帶來了很好的示范性效應。