基于嵌入式Linux的智能重型拖拉機遠程監控系統開發

朱青松，李軍偉*，王進，李德芳，高松

1.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；2.雷沃重工股份有限公司，山東 濰坊 261200

0 引言

通信技術的發展推動了農業智能化的蓬勃發展，智能化重型拖拉機不再是傳統的純機械式的拖拉機，它集成了眾多電控單元，各個單元相互協作共同完成對重型拖拉機的控制。為實現對重型拖拉機運行狀態的監控，實時獲取重型拖拉機的運行狀態，及時發現異常狀態并進行處理，開發一套基于Linux的智能重型拖拉機監控系統非常有必要。文獻[1]中基于Fescale 9S12X128芯片研究了電控拖拉機遠程監控系統，通過控制器局域網絡(controller area network,CAN)總線采集拖拉機的運行數據，通用無線分組業務(general packet radio service,GPRS)網絡將數據發送到Internet，但此系統受控制芯片處理能力,局限較大，而且可移植性較差。

本文中采用具有先進處理性能和多內核處理器的IMAX6Q芯片，該芯片可搭載嵌入式Linux系統，嵌入式Linux系統具有開源、多體系、多驅動的優點，并且具有定制化功能，使設計的監控系統具有高效、穩定以及處理能力強大的優點，系統結合GPRS和全球定位系統(global positioning system,GPS)模塊使用，能夠實時高效地監控智能重型拖拉機的運行狀態。

1 系統總體方案

圖1 遠程監控系統總體設計圖

基于嵌入式Linux的智能重型拖拉機遠程監控系統總體方案如圖1所示。由圖1可知：重型拖拉機的整車控制器(vehicle control unit,VCU)通過CAN總線與監控系統相連接，監控系統接收來自VCU的CAN報文并根據文獻[2]協議對接收到的CAN報文進行解析[3-5]，獲取當前拖拉機運行的狀態信息；監控系統的GPS模塊接收到來自衛星的信息，由監控系統選取所需的數據進行提取，獲取當前拖拉機的位置信息；然后監控系統將采集到的重型拖拉機的運行數據通過傳輸控制協議/網際協議(transmission control protocol/Internet protocol,TCP/IP)進行打包處理[6-7]，并通過4G模塊將打包好的數據發送到移動基站，轉發至Internet，上傳到云服務器，在云服務器將數據包進行解析，后臺監控端訪問服務器獲取數據，從而實現對重型拖拉機行駛狀態的遠程監控。

2 程序設計及測試

2.1 CAN模塊設計

CAN模塊的使用在整個智能重型拖拉機遠程監控系統中至關重要，因此重點對CAN模塊進行程序設計。本文中智能重型拖拉機遠程監控系統開發時，由于所用的Ubuntu系統缺少使用CAN模塊所必須的庫文件，因此首先應設計CAN模塊的庫文件并掛載到Ubuntu系統，將設計的庫文件設置為普通用戶級讀寫權限，將庫文件生成鏈接文件，確保程序能夠正常運行。CAN模塊的程序設計及數據收發過程的流程如圖2所示。

圖2 CAN模塊收發數據流程圖

設計CAN模塊程序時，應將CAN模塊禁止，將波特率設置為500 kbits/s。Linux系統中，CAN設備被當作網絡設備進行管理，所以需要設計專用于CAN通信的套接字來實現CAN通信，分配CAN設備，設計CAN模塊的連接程序，進入接收或發送數據狀態[8]。CAN模塊接收數據程序時，首先在can_filter結構體中定義接收 CAN節點的報文ID和掩碼(MASK)，設計該結構體，并進入接收狀態，read函數讀取can_frame結構體中的報文信息。

將監控系統的CAN_H和CAN_L用雙絞線連接到智能重型拖拉機VCU的CAN_H和CAN_L上完成硬件連接[9]，通過CAN總線獲取重型拖拉機的車速、發動機轉速、動力輸出軸(power take off,PTO)轉速、差動鎖狀態、行駛里程、剩余油量等信息[10]。

2.2 GPS模塊程序設計

2.2.1 串口初始化

由于IMAX6Q開發板中外擴了GPS模塊，利用GPS模塊可以實現全球范圍內的定位，滿足實時監測智能重型拖拉機位置的需求。Linux內核中安裝了相應的驅動，GPS模塊對應的文件名為/dev/ttymxc，GPS模塊通過串口進行數據傳輸，程序設計流程如圖3所示。

圖3 GPS串口程序設計流程圖

Linux系統中設備是以文件的方式進行讀寫，因此首先在程序中設置串口的文件句柄用于打開文件”/dev/ttymxc”，將串口設為阻塞狀態，并檢測是否為終端設備，獲取串口對應終端的相關參數并在程序中將其初始化，然后設置串口的波特率、初始位、停止位、奇偶校驗位和處理未接收的字符。串口初始化函數是串口初始化的通用函數，其它需要使用的模塊可直接移植調用。

2.2.2 數據解析

由于GPS的數據$GPRMC為結構體格式，因此首先定義一個結構體data[ ]，用于存放GPS數據，然后定義buffer[ ]數組作為緩沖數組存放從串口中讀到的數據[11]。讀取數據時，從文件句柄 fd 中讀取一個字符存放在buffer[ ]數組中，并將該數據連接至dest[ ]的尾部。GPS數據解析流程如圖4所示。

對該組數據進行解析的軟件流程如圖5所示。首先定義一個標志位變量 SectionID，用于標識數據組的不同信息，然后通過判斷$GPRMC 數據組中的字符串是否是“,”來區分不同的數據信息。每當檢測到一個“,”,則 SectionID加1，通過 switch 語句根據 SectionID判別該字符屬于哪個數據，并根據不同的數據(如時間、經緯度等)進行相應的計算，將信息存儲到 data[ ]數組里，便于打印或傳輸。

圖4 GPS數據解析流程圖 圖5 GPS_$GPRMC組數據提取流程圖

2.3 4G通信模塊

2.3.1 USB驅動架構

圖6 USB驅動架構

設計時選用EC20模塊用于4G通信，由于IMAX6Q開發板中沒有EC20模塊的驅動程序，導致無法識別該設備，因此需要向 Linux 內核源碼中添加EC20模塊驅動程序，再編譯生成Ubuntu系統文件后燒錄到開發板，才能使用EC20模塊與服務器進行數據傳輸[12]。EC20模塊驅動程序設計完成后，在Ubuntu下作為通用串行總線(universal serial bus,USB)設備使用。USB是分級的總線結構，通過USB模塊實現USB設備與主機之間的數據傳輸。USB驅動程序的體系結構如圖6所示。

Linux USB主機驅動程序包括USB主機控制器驅動程序、USB 內核和 USB 設備驅動程序3部分。USB主機控制器驅動程序是架構的底層，直接與硬件交互；USB內核是整個USB主機驅動程序的核心，負責管理USB總線、USB總線設備和USB總線帶寬，為USB設備驅動程序提供接口，應用程序可以通過接口訪問USB系統文件；USB設備驅動程序與應用程序交互，主要提供訪問特定USB設備的接口。

2.3.2 Linux內核源碼修改

將EC20模塊連接到USB串口即設置成USB串口設備，并將EC20模塊的廠商識別碼和產品識別碼添加到設計程序中，Ubuntu系統會自動識別該設備，但應在相關文件中刪除和EC20沖突的USB驅動的代碼。設計修改內核源碼時，添加回調代碼，用來恢復由于Linux系統進入掛起或休眠模式時部分USB主機控制器或USB集線器的斷電或復位。完成上述設計后進入內核目錄下，修改環境變量ARCH為arm、交叉編譯器為arm-none-linux-gnueabi，輸入相關命令使能USB驅動，完成后輸入加載驅動的命令并重啟Ubuntu。

2.3.3 Ubuntu系統文件編譯

Ubuntu系統包括引導文件、內核文件、文件系統3個文件。因此，設計完成 EC20 的內核驅動后，應交叉編譯生成上述3個文件。在源碼文件夾下的引導文件目錄中，編譯腳本build_uboot.sh，編譯該文件即可在該文件夾下生成uboot.bin文件，即引導文件。在內核文件目錄中，編譯腳本文件build_qt_kernel.sh，生成uImage文件即內核鏡像。將Ubuntu系統壓縮包上傳至虛擬機并進行解壓，可以在解壓后的文件中進行修改，實現相應的功能。源碼修改完成后，再壓縮生成.tar.gz文件，即為 Ubuntu 的文件系統。

2.3.4 Ubuntu系統燒錄

將引導文件、內核文件和文件系統使用飛思卡爾燒寫工具Mfgtools燒錄至開發板，并根據開發板的型號進行相應的屏幕參數設置。燒錄成功的Ubuntu系統，使用ls /dev/ttyUSB*命令可以看到系統中已存在ttyUSB 0～4共5個文件。其中，ttyUSB1用于GPS信息的輸出接口，ttyUSB2用于終端設備與PC應用之間的連接與通信指令(attention,AT)的輸入接口，ttyUSB3既可以用于AT指令的輸入接口，也可以作為點到點協議連接的接口。

2.3.5 EC20 數據傳輸軟件設計

EC20模塊的驅動設計安裝完成后，對其進行數據傳輸的軟件設計。EC20模塊的初始化程序設計流程為：首先給模塊上電，通過“AT + CPIN?”指令查詢SIM卡的狀態，如果返回“READY! OK”，則進行下一步，否則重新啟動該模塊。繼續使用“AT + CREG?” “AT + CGREG?”指令查詢相關初始狀態值；在查詢狀態為全部正常后，使用“AT + QIAT=”指令激活相應的報文ID；使用“AT+QIACT?”可以查詢到本機IP；然后使用“AT + QIOPEN”指令進行服務器的連接，在參數中可以設置數據傳輸方式[13-14]。

2.4 監控系統設計

圖7 系統總體程序流程圖

遠程監控系統所需要的各個模塊的程序設計完成后，需要在Linux開發環境下對系統總體程序進行開發設計，程序設計流程如圖7所示。首先要Linux開發環境下分別對CAN設備、GPS串口、EC20模塊進行初始化，然后向Linux系統內核注冊中斷，最后對程序的主函數進行設計，主函數設計包括將GPS數據采用輪詢方式采集，CAN總線數據采用中斷方式采集，并且設置每隔一段時間對采集的GPS和CAN總線信息進行數據處理和打包，通過4G模塊發送至遠程服務器端[15-16]。

2.5 系統測試

將開發板作為CAN總線的一個節點，掛載在重型拖拉機的CAN總線網絡，然后將開發板設置為可以接收所有的報文信息。來自重型拖拉機VCU的報文經開發板傳送到監控端，開發板與車載端連接，在 PC 機上登錄監控后臺界面，通過訪問遠程服務器，實現車載端與PC端的連接，客戶端工作界面如圖8所示。部分監控系統端采集到的報文信息及其解析如表1所示，其中報文信息為車速、整車狀態(“1”為運行狀態，“0”為停止狀態)、緯度、經度信息，經解析后轉化為重型拖拉機的車速、發動機轉速、PTO轉速、差動鎖狀態、行駛里程、剩余油量、地理位置等信息。

圖8 PC端客戶端工作界面

表1 部分報文數據解析表

由圖8和表1可知，來自監控系統端的CAN報文能夠通過開發板傳送至服務器端，再通過服務器傳到后臺客戶端。重型拖拉機的車速、發動機轉速、PTO轉速、差動鎖狀態、行駛里程、剩余油量、地理位置等數據均可以在監控界面實時顯示，達到設計要求。

3 結論

基于嵌入式Linux操作系統研究開發了智能重型拖拉機遠程監控系統，包括CAN模塊、GPS模塊、4G通信模塊及控制軟件，并對開發的監控系統進行了測試。

1)設計了智能重型拖拉機遠程監控系統的總體方案。

2)在Linux開發環境下設計CAN通信模塊程序，通過CAN總線將監控系統掛載到重型拖拉機的控制器上，實現數據采集。通過Linux系統自帶GPS驅動，將GPS模塊作為USB設備在Linux系統中進行程序設計并獲取位置信息，針對4G通信模塊，修改了Linux內核驅動及相關文件，對修改后的 Linux 內核進行編譯，4G模塊程序設計完成后能夠將數據上傳到服務器端。

3)對開發的基于嵌入式Linux的智能重型拖拉機遠程監控系統進行試驗測試，遠程監控端能夠接收到來自重型拖拉機的車速、發動機轉速、PTO轉速、差動鎖狀態、行駛里程、剩余油量、地理位置等數據，滿足設計要求。