基于ARM11的农机车载状态监测系统的设计

然后通过 5G 功能模块向服务器发送数据；（3）观察客户 端接收数据，然后与 CANtest 软件发送的数据对比，测试
＊ [7] 黄韦 , 王忠 , 王鑫 . 基于 51 单片机的多种通信方式的设计与 实现 [J]. 工业控制计算机 ,2017,30(11):39-40.
1000 次，测试两数据之间的区别，测试数据传输的可靠性。 测试结果如下，远程服务端接收的数据与 CANtest 软件发 送的数据相同的概率为 99.8%，且位置数据采集的结果与 实际结果基本相同。
构的 S3C6410 处理器为核心，利用北斗定位技术和 5G 通 本文采用了集成 CAN 控制器的 S3C6410 处理器。为了降
信技术设计了远程农机车载状态监测系统，详细阐述了车载 低硬件成本和尺寸，在 CAN 收发器上采用 3.3V 电压，CAN
终端的部分软硬件设计，包括系统部分电路的详细设计，以 通信模块电路如图 2 所示。
车载状态监测系统获取车辆的位置信息，车辆运行状态信 通过 USART2 接口与北斗导航模块连接，MCU 采集农机内
息，车辆异常检测，车辆是否处于违规状态，远程车辆操作， 部数据后通过 CAN 接口发送给处理器。以 ARM11 为架构
如远程锁车，远程限速等，以保证供应商的权益。同时由于 的 S3C6410 支 持 Normal，Idle，Stop 和 Sleep 模 式， 在
电子基础
基于 ARM11 的农机车载状态监测系统的设计
郝立元 （兰州文理学院传媒工程学院，甘肃兰州，730000）
基金项目：甘肃省高等学校创新能力提升项目(项目编号：2019B-197)。 摘要：随着我国农业现代化水平的不断推进，大型农机设备自动化和智能化的需求越发迫切。提出了以ARM11体系结构的S3C6410处理器 为核心，利用北斗定位技术和5G通信技术设计了远程农机车载状态监测系统，对车载终端的软硬件设计，包括系统的部分电路的详细设 计，以及软件整体架构的设计和各功能模块的具体实现，包括车辆定位，异常检测，故障报警，以及远程无线升级等功能，模拟实验结果 表明，该系统运行状态稳定，可以较好的满足农机的状态监控。 关键词： Arm11；农机状态监测；数据采集
精度高，同时内建 LNA 信号放大器，输出信号更强，具有 降低流量费用，降低数据传输中可能出现的问题，需要对传
多种输出速率可选，数据输出遵循 NMEA0183 协议。北斗 输的数据进行压缩。由于终端采集的数据大多是固定参数，
模块电路如图 3 所示。
对于固定参数的固定格式，采用 BCD 码 [6] 进行压缩，由于
图 5 飞凌 S3C6410 开发板
■■3.2 功能测试 功能测试是在仿真环境下完成的，测试过程：（1）将
终端设备与 USB-CAN 设备相连，然后给终端设备上电，测 试终端设备的初始化过程；（2）5G 功能模块连接成功， 然后 CANtest 软件发送数据，模拟终端采集的农机状态数据，
＊ [4] 闻霞 , 任雯 , 赖森财 , 曾显杰 . 基于有限状态机模型的全自动 烫印机控制系统设计 [J]. 工程设计学报 ,2020,27(06):771-780.
农机工作环境较为恶劣，工作强度大，农机出现故障的频率 农机工作状态时，主控芯片可以处于 Normal 状态，其他时
大大增加，通过车载状态监测系统获取车辆的使用信息诊断 间处于 Sleep 模式，从而降低系统的功耗，在最大程度上
车辆可能出现的问题，一方面可以预防性维护，另一方面也 保证系统的续航时间。
从而防止 EMI 浪涌电压和 ESB 保护，同时需要在 CAN 总线 ■■2.2 数据传输
收发端两端 CAN_H 和 CAN_L 之间匹配 100Ω 的电阻防止
数据传输的可靠性实时性和降低传输数据的费用是车
信号反射，保证数据传输的稳定性。 ■■1.3 北斗数据采集电路
载终端必须考虑的问题。对于前者，通过采用闭环形式的双 向数据传输方式，同时在接受数据时采用 CRC 校验 [5]。对
（上接第 71 页）
118(25):13424-13431.
＊ [6]Gao L, Ge C, Li W, et al. Flexible Filter-Free Narrowband Phot odetector with High Gain and Customized Responsive Spectru m[J]. Advanced Functional Materials, 2017, 27(33):1702360.11702360.9.
可以快递诊断故障原因，降低农机维修的时间成本。
■■1.2 CAN 总线数据采集电路
农机信息化智能化是我国农业现代化的必经之路 [2]，为
CAN 通信模块由 CAN 控制器和收发器组成，负责 CAN
了应对农信信息化智能化的需求，提出了以 ARM11 体系结 总线物理层与数据链路层的封装任务，为了简化电路设计，
电压 采集电 路 ECU
CAN收发 器 隔离 器
视频 采集模 块 数据 采集
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统中处于核心地位，负责数据的发送和接
收，同时负责任务状态机状态的转换，从
而实现主控程序对任务的调度。车载终端
的软件流程如图 4 所示。
终端上电之后，系统首先进行硬件和
软件的初始化工作，硬件初始化结束后，
为了降低农机车载终端设备的功耗，利用 LD33 芯片对 农机的工作环境非常恶劣，因此车载终端作业收到的干扰也
北斗定位模块进行功耗控制，通过控制 GPS_POWER_CTR 多于常规车辆。为了保证车载终端能够良好的运行，终端本
管脚的电压使能功能，间歇性供电有效提高定位芯片的功耗 身必须具备一定的自诊断和自恢复能力。终端自诊断管理模
针对农机设备的工作环境，车载终端监控
设备在硬件设计上必须具有高可靠性和可维护
北斗 模块
性，因此终端硬件采用模块化设计，系统的硬
件包括供电电路，数据采集，5G 无线通信电路，
天线 接口
数据存储以及硬件看门狗等，终端的硬件结构
如图 1 所示。
图 1 硬件总体设计
S3C6410处理 器 RCT6最小 系统
和稳定性。
块需要根据硬件故障出现的不同的症状采用不同的处理方
2 农机车载终端软件设计
式，如当 5G 网络连接失败次数超过预设的数值后，会产生 复位操作，通过主控 CPU 的 MODE_PWR 引脚输出高电平
■■2.1 总体设计
农机车载终端的软件主要负责
实现农机各项数据的采集，并将数
据通过 5G 数据链路发送到远程服
3 系统测试验证
■■3.1 实验环境搭建 在本实验中，采用模拟和实际机器相结合的方式进行测
试，其中终端基于飞凌 S3C6410 开发板开发，通过外接 5G 模块嵌入式工业通讯模组，实现 5G 通信，如图 5 所示。同 时使用 USB-CAN 设备 [7] 模拟实现农机车载终端 S3C6410 开发板的 ECU 接口，同时通过 CANtest 软件 [8] 发送 ECU 数据，测试 CAN 数据的发送和接收任务。
始
初 始 化
连 接
系，在各任务中配置中断信息，并
5G
是否连接 到服务器
数
据
Y
发 送
结收到服务 器应答回复 NhomakorabeaY
束
将具体的任务处理放在相应的中断
N
处理函数中。5G 通信模块在软件系 图 4 车载终端软件总体流程图
76 | 电子制作 2021 年 07 月
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关闭电源，然后恢复供电，硬件重启 5G 通信模块。
为了提高系统的稳定性和可用性，系统采用端联信息技 于后者，在终端上传数据前，需要对数据进行无损压缩，降
术有限公司的北斗 /GSP 双模定位模块 DL-WH6558，该模 低数据传输量，从而提高系统响应的实时性和通信效率。
组采用低功耗芯片 AT6558，具有超高的灵敏度，模块定位
终端向远程服务器传输数据都需要使用 5G 流量，为了
在车辆模拟测试过程中，使用一台电脑作为服务器运行
＊ [8]Fiona M. Walter,Matthew J. Thompson,Ian Wellwood,Gary A. Abel,William Hamilton,Margaret Johnson,Georgios Lyratzo poulos,Michael P. Messenger,Richard D. Neal,Greg Rubin,Hard eep Singh,Anne Spencer,Stephen Sutton,Peter Vedsted,Jon D. Emery. Evaluating diagnostic strategies for early detection of cancer: the CanTest framework[J]. BioMed Central,2019,19(1).
及软件整体架构的设计和各功能模块的具体实
现，包括车辆定位，异常检测，故障报警，以
服务 器
天线 接口
车载 电瓶
调试 模块
及远程无线升级等功能，模拟实验结果表明，
该系统运行状态稳定，可以较好的满足农机的
Flash存储
5G通信 模块
锂电 池
硬件 看门狗
状态监控。
1 农机车载终端硬件设计
■■1.1 整体设计
0 引言
随着我国土地三权分离政策的实施 [1]，传统的农业向着
电源管理模块中，车载终端监控设备使用锂电池和车载 电瓶联合供电，当车载电瓶有电时，硬件设备使用电瓶供电， 电瓶处于亏电状态时切换到备用锂电池供电，同时向控制中
规模化集约化的方向发展，随之而来的是不断增强的农机租 心发送报警信息，从而保证整个供电系统不会终止供电。数
图 2 CAN 通信模块电路图
系统首先通过 5G 链路进行终端的注册和服 务器的连接，接连成功之后持续保持心跳
为了提高 CAN 通信的稳定性，需要在通信模块中添加 信息，上传农机的状态信息，同时接收服务端发送过来的命
CAN 总线保护器 NUP2015L，可以优化 PN 结的有源区域， 令，根据命令类型执行并回复执行结果。
远程服务端，同时使用计算机向终端模拟发送模拟数据，然 后观察终端及软件的运行状态，测试结果表明，在服务端和 客户端软件 3×24 小时的测试过程中，均能够正常稳定的 运行，但随着模拟数据量的增加，网络出现一定程度的拥堵。
4 结束语
为了满足自动大型农机设备自动化和智能化的需求，提 出了以 ARM11 体系结构的 S3C6410 处理器为核心，利用 北斗定位技术和 5G 通信技术设计了远程农机车载状态监测 系统，实现了一套成本低，功耗低，稳定性高同时具备较高 集成度的车载监控终端。实验结果表明，本设计可以有效满 足农机车载终端的日程工作。
参考文献
＊ [1] 杨伟康 . 法学视角中的农村土地三权分离改革 [J]. 法制博 览 ,2019(18):135.
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＊ [6]K. Saranya,K. N. Vijeyakumar. A Novel n -Decimal Reversible Radix Binary-Coded Decimal Multiplier Using Radix Encoding Scheme[J]. Circuits, Systems, and Signal Processing,2020(pre publish).
务器，同时还需要通过 5G 通信链
路监听并响应远程服务器下发的车
辆控制命令。为了实现上述功能，
车载终端需要具备一定的实时性和
并行处理能力，在软件系统上需要 采用中断并发 [3] 和状态机控制 [4] 相
图 3 北斗模块电路图
结合的架构，针对不同的任务采用
数据 存储
N
不同的控制逻辑。中断并发机制在
开
主程序中处理各任务之间的逻辑关
赁业务需求。对于农机租赁商来说，为了维护其利益，希望 据采集模块中，数据采集电路可以分为位置信息采集电路，
可以通过一种有效的车载状态监测系统监控车辆的使用状 农机运行状态参数采集，故障码采集，电压数据采集等。数
况，避免租户因不正常操作或异常行为导致车辆损坏。通过 据采集模块中的各个组件通过相应的接口与主控机连接，如