摘  要： 為了延長挖掘機(jī)通信終端的待機(jī)時(shí)間，提出了一種基于電瓶電量檢測的挖掘機(jī)通信終端的設(shè)計(jì)方案。該方案在選定的LM3S9B96微控制器的外圍，配置了3G無線通信模塊、BD2/GPS雙系統(tǒng)定位模塊和電源管理模塊等，構(gòu)建整個(gè)應(yīng)用裝置的硬件平臺。在該硬件平臺上可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、定位導(dǎo)航、狀態(tài)檢測等功能。而且，該方案通過電瓶電量的檢測來控制挖掘機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸周期，可有效地延長挖掘機(jī)通信終端的待機(jī)時(shí)間。
關(guān)鍵詞： 無線通信模塊；數(shù)據(jù)傳輸周期；電瓶電量

    挖掘機(jī)是國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要裝備之一，許多發(fā)達(dá)的工業(yè)國家都將挖掘機(jī)等機(jī)電裝備的發(fā)展作為國家重點(diǎn)支持的項(xiàng)目。當(dāng)大量不同類型的挖掘機(jī)之間要相互協(xié)調(diào)完成工程任務(wù)時(shí)，要求對作業(yè)的各單機(jī)及機(jī)群的工作狀態(tài)有準(zhǔn)確的掌握和控制[1]。這就需要以挖掘機(jī)通信終端為基石的監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)上述功能。
    通常，在挖掘機(jī)停機(jī)后，挖掘機(jī)上的通信終端還需與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心按一定的頻率進(jìn)行通信，向其上傳挖掘機(jī)狀態(tài)、位置等信息，以方便遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對挖掘機(jī)群進(jìn)行管理。通信終端一般由機(jī)載電瓶供電，但此時(shí)機(jī)載電瓶無法自動充電，當(dāng)挖掘機(jī)一定時(shí)間未啟動運(yùn)行時(shí)，車載電瓶電量將耗盡，不僅嚴(yán)重影響電瓶的使用壽命，并使挖掘機(jī)無法啟動；同時(shí)機(jī)載通信終端也將停止工作。目前大多數(shù)挖掘機(jī)通信終端并沒有有效的降低功耗的方案。因此本文針對上述問題，提出了一種基于電瓶電量檢測的挖掘機(jī)通信終端的設(shè)計(jì)方案。
1 系統(tǒng)整體方案
1.1系統(tǒng)功能需求
    一般來說，挖掘機(jī)通信終端需要與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行通信，具體就是一方面機(jī)載通信終端對作業(yè)中的挖掘機(jī)機(jī)載狀態(tài)、位置和施工進(jìn)度等進(jìn)行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳送回監(jiān)控中心進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)、診斷；另一方面現(xiàn)場施工人員通過機(jī)載通信終端將施工或維修過程中遇到無法解決的問題及時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)出診斷請求，監(jiān)控中心則會對其進(jìn)行遠(yuǎn)程技術(shù)支持。另外，由于挖掘機(jī)停機(jī)后，通信終端仍由機(jī)載電瓶供電，為了降低通信終端的功耗，延長其待機(jī)時(shí)間，就需要合適的電源管理。
1.2系統(tǒng)整體架構(gòu)
    本文所設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)通信終端，采用如圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。其中硬件系統(tǒng)是以微控制器為核心的硬件平臺，軟件系統(tǒng)包括嵌入式操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。

    其中微控制器為TI公司的群星系列的LM3S9B96，該微控制器基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有80 MHz的運(yùn)行速度，同時(shí)可配置睡眠模式及深度睡眠模式，這將有效地降低通信終端的功耗。
    定位模塊為和芯星通的UM220模塊，該模塊支持BD2和GPS雙系統(tǒng)聯(lián)合定位。而且功耗只有350 mW。同時(shí)無需外接CPU即可直接輸出NMEA數(shù)據(jù)。第二代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BD2）是我國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)營的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[2]，相對于GPS，北斗具有在地面通信設(shè)施被破壞的情況下還可進(jìn)行短報(bào)文通信的特點(diǎn)，這將為搶險(xiǎn)救災(zāi)的應(yīng)急通信帶來巨大的方便。采用BD2和GPS雙系統(tǒng)聯(lián)合定位，可降低對GPS系統(tǒng)的依賴性，縮短定位時(shí)間并提高定位精度。
    3G網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用SIMCOM公司的SIM5218模塊，SIM5218是一款WCDMA/HSDPA/GSM/GPRS/EDGE模塊解決方案，支持下行速率達(dá)7.2 Mb/s和上行速率為5.76 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。這對視頻和圖像等數(shù)據(jù)量較大的信號傳輸而言是非常理想的選擇。
    電源管理模塊采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MM912J637智能電池傳感器，它能準(zhǔn)確地測量鉛酸電池的電壓、電流和溫度并計(jì)算出電池的狀態(tài)，即使是在惡劣的行車狀態(tài)下也可完成。在挖掘機(jī)停機(jī)時(shí)，微控制器將憑借該傳感器所檢測得到的電瓶電量控制3G網(wǎng)絡(luò)通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸周期，從而降低車載通信終端功耗。
3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)包括嵌入式操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    其中嵌入式操作系統(tǒng)選用μC/OS-II，μC/OS-II是一種可移植的、可植入ROM的、可裁減的、搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理及任務(wù)間的通信與同步等基本功能[3]。本設(shè)計(jì)只需將μC/OS-II移植到微控制器LM3S9B96里。
驅(qū)動程序主要是各功能模塊如數(shù)據(jù)采集模塊、BD2/GPS雙系統(tǒng)定位模塊、3G網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和電源管理模塊的驅(qū)動程序。
    應(yīng)用程序主要包括狀態(tài)監(jiān)測與電源管理任務(wù)、數(shù)據(jù)采集存儲任務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸周期定時(shí)任務(wù)等等。所有的任務(wù)的運(yùn)行由μC/OS-II進(jìn)行管理和調(diào)度。μC/OS-II中，每個(gè)任務(wù)總處于休眠、就緒、運(yùn)行、等待或掛起、中斷服務(wù)5種狀態(tài)之一，任務(wù)間通信可使用全局變量、信號量、消息郵箱和消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。μC/OS-II使用優(yōu)先級調(diào)度法調(diào)度任務(wù)，即處于就緒狀態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)先運(yùn)行。
4 機(jī)載通信終端低功耗策略研究

    3G網(wǎng)絡(luò)通信模塊是挖掘機(jī)通信終端里功耗最大的部分。因此降低通信終端功耗的重點(diǎn)是降低3G無線通信模塊的功耗。本文提出了一種基于電瓶電量檢測的低功耗策略。通信終端的工作模式如表1所示。

    通過以上策略的實(shí)施，可以有效地降低挖掘機(jī)通信終端的功耗，從而延長其待機(jī)時(shí)間。
    本文所設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)通信終端，可以方便地實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)傳輸，并可對挖掘機(jī)進(jìn)行較高精度的定位。此外，本文所提出的低功耗策略，將很大程度地延長機(jī)載通信終端的待機(jī)時(shí)間。本文只對挖掘機(jī)通信終端進(jìn)行了研究，對于遠(yuǎn)程監(jiān)控中心如何對挖掘機(jī)機(jī)群進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度，有待在后續(xù)研究中進(jìn)一步探索和完善。
參考文獻(xiàn)
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