曾 哲 陳永輝 夏敏敏 龍杰強 曾科力

(湖南中聯(lián)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(fā)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(shù)據(jù)通過網絡傳出來，從中提煉出關鍵數(shù)據(jù)，對產品進行管理和監(jiān)測。智能化的需求促進了物聯(lián)網終端在工程機械行業(yè)中的應用，但目前大部分廠家使用的物聯(lián)網終端功能單一，主要用來實現(xiàn)兩個功能：一是通過遠程控制實現(xiàn)資產安全；二是數(shù)據(jù)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(tǒng)物聯(lián)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(tǒng)的終端，定位為集數(shù)據(jù)采集、存儲、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(xiàn)出對傳統(tǒng)物聯(lián)網終端的優(yōu)勢：

(一)聯(lián)接多樣

工程機械設備傳感器繁多，且總線接口不統(tǒng)一，協(xié)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(lián)接及協(xié)議轉換問題。

(二)業(yè)務實時

傳統(tǒng)的物聯(lián)網終端功能薄弱，運算能力和存儲能力有限，只能將數(shù)據(jù)分析和控制邏輯放在云端實現(xiàn)，不能滿足實時性業(yè)務場景的需求。智能終端部署在設備側，靠近數(shù)據(jù)源，其可內置多種算法，并根據(jù)需要進行動態(tài)加載，借助內置的高性能計算單元與高效的數(shù)據(jù)交互機制，能較好的解決業(yè)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(shù)據(jù)，利用其強大的運算能力和存儲能力，借助嵌入式數(shù)據(jù)庫技術，實現(xiàn)有組織的有效存儲和快速數(shù)據(jù)檢索，給預測性維護、自診斷、自主動態(tài)實時優(yōu)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(tǒng)網絡架構

在物聯(lián)網領域，現(xiàn)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(lián)網感知層中主要包含的是傳感器等數(shù)據(jù)采集和獲取設備，以及將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行編碼、認證和傳輸；應用層提供基于物聯(lián)網的應用，結合行業(yè)需求信息實現(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(shù)據(jù)、預處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍┰贫藨玫耐ǖ馈?/p>

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(tǒng)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(shù)據(jù)，處理更多應用數(shù)據(jù)，更快傳輸工況數(shù)據(jù)。它在硬件架構上采用功能獨立和模塊資源充分發(fā)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(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲及傳輸，WIFI、藍牙協(xié)議棧處理，充分發(fā)揮A8架構內部硬件資源，架構精簡穩(wěn)定可靠，易于配置，成本較低。

(2)4G模塊：選用ME3630全網通工業(yè)級模塊，智能終端通過該模塊與云平臺交互數(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等移動設備，將數(shù)據(jù)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(lián)網，將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yè)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(tǒng)數(shù)據(jù)或進行控制。

(7)IO模塊：通過IO接口采集電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，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(fā)采集現(xiàn)場的音視頻信息，此部分信息存儲在存儲?？熘?，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(jiān)控智能終端的工作溫度，三軸傳感器用于監(jiān)控主機設備的姿態(tài)信息。

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

(二)軟件設計

針對工程機械產品物理接口、協(xié)議、數(shù)據(jù)差異造成終端軟件開發(fā)種類多，開發(fā)費時費力，軟件復用性不強，穩(wěn)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(fā)平臺框架，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、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(xié)議適配并維護底層數(shù)據(jù)結構。

2.CORE：平臺系統(tǒng)資源加載，數(shù)據(jù)處理中心，負責數(shù)據(jù)的采集、分發(fā)，多協(xié)議通信接入、實時數(shù)據(jù)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(wěn)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(fā)人員無須關心底層細節(jié)，可以通過IPC模塊的接口便利的獲取數(shù)據(jù)并對其進行處理，實現(xiàn)APP的開發(fā)，大大縮減了項目的開發(fā)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(yè)智能化的需求及傳統(tǒng)物聯(lián)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(guī)劃控制系統(tǒng)、混凝土泵車健康監(jiān)測系統(tǒng)、塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)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(yè)智能化帶來了很好的示范性效應。