基于TLink云平臺(tái)的車載信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魯 強(qiáng)，高正中

(山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島 266000)

0 引言

近年來，微型挖掘機(jī)憑借小巧靈活的特點(diǎn)在交通和市政等建筑工程中發(fā)揮了較大優(yōu)勢并得以迅速發(fā)展[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)作為微型挖掘機(jī)的核心部件，長時(shí)間運(yùn)行在高速、高溫、高壓、超負(fù)荷的環(huán)境中容易發(fā)生故障[2]，而它的運(yùn)行狀況嚴(yán)重影響車輛性能和生產(chǎn)能力。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)故障僅在車輛儀表盤出現(xiàn)報(bào)警指示，并沒有故障記錄和早期預(yù)警等功能。當(dāng)多種疑難故障同時(shí)突發(fā)時(shí)，排查工作耗費(fèi)大量時(shí)間和人力，整個(gè)維修進(jìn)度緩慢，也影響工程施工進(jìn)度。

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟發(fā)展[3-4]，本文設(shè)計(jì)了一種基于TLink云平臺(tái)的車載信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。通過對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵特征參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、處理、記錄與存儲(chǔ)[5-6]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖表化趨勢預(yù)測故障發(fā)生以及故障報(bào)警信息及時(shí)推送等功能。該系統(tǒng)能夠協(xié)助維修人員快速確定故障部位點(diǎn)，減少維修工作量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

車載信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，由車載信息終端、移動(dòng)通信基站、TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和應(yīng)用終端組成，其中車載信息終端負(fù)責(zé)各類傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、處理和無線上傳。通過移動(dòng)通信基站的通信交換，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)到TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，用戶可以使用Web終端或者手機(jī)終端隨時(shí)隨地查看微型挖掘機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信息。

圖1 車載信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 車載信息終端結(jié)構(gòu)組成

車載信息終端結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由模擬量信號(hào)采集、數(shù)字量信號(hào)采集、轉(zhuǎn)速信號(hào)采集、GPRS無線通訊以及STM32微控制器構(gòu)成。模擬量信號(hào)采集部分通過模擬量信號(hào)調(diào)理電路完成燃油油位、冷卻水溫和蓄電池電壓信號(hào)的采集；數(shù)字量信號(hào)采集部分通過數(shù)字量信號(hào)調(diào)理電路完成機(jī)油壓力和空氣濾清器開關(guān)量信號(hào)采集；轉(zhuǎn)速信號(hào)采集通過轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路獲取轉(zhuǎn)速值。數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32微控制器統(tǒng)一處理后，利用GPRS無線通訊模塊上傳到TLink云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測。

圖2 車載信息終端結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器簡介

電容式燃油油位傳感器利用正負(fù)探極間充入液體介質(zhì)形成的電容隨液位呈線性變化，將電容的變化量即液位的變化量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的0～5 V電信號(hào)。

冷卻水溫傳感器是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)的熱敏電阻，其阻值隨溫度升高而降低。該傳感器需要一個(gè)5 V供電電壓，向控制單元返回1.3～3.8 V的線性變化信號(hào)[7]，根據(jù)這一變化測得發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的溫度，作為燃油噴射和點(diǎn)火時(shí)的修正信號(hào)。

車輛電瓶采用24 V鉛酸蓄電池，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間，為啟動(dòng)系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)供電。在發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，蓄電池將發(fā)電機(jī)發(fā)出的多余電能存儲(chǔ)。

機(jī)油壓力傳感器選用雙金屬片式結(jié)構(gòu)，當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)置于ON時(shí)，電流流過雙金屬片的加熱線圈，雙金屬片受熱變形，使觸點(diǎn)分開；隨后雙金屬片又冷卻伸直，觸點(diǎn)重新閉合。如此反復(fù)，電路中形成一脈沖電流。

空氣濾清器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行過濾，以減少氣缸、活塞組、氣門組等零件磨損，延長發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命[8]，并保證達(dá)到最佳的燃油效率。當(dāng)空氣濾清器阻力增加到極限值后，其阻力傳感器觸點(diǎn)接通電路，點(diǎn)亮信號(hào)燈，報(bào)警提示及時(shí)清洗濾清器。

霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器基于霍爾效應(yīng)原理制作而成。當(dāng)曲軸上的信號(hào)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)盤的葉輪會(huì)隔斷磁場，霍爾電壓消失，傳感器輸出正弦波電壓信號(hào)。此信號(hào)由調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)。

2.2 模擬量信號(hào)調(diào)理電路

由于燃油油位傳感器，冷卻水溫傳感器和車輛電瓶輸出不同范圍的電壓模擬量信號(hào)，且STM32微控制器的ADC采樣范圍在0～3.3 V之間，所以必須對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如圖3所示，信號(hào)先經(jīng)過電阻R1和R2做分壓處理，后采用運(yùn)放LM258進(jìn)行電壓跟隨，圖中BAT54S肖特基二極管做鉗位保護(hù)[9]。

圖3 模擬量信號(hào)調(diào)理電路

2.3 數(shù)字量信號(hào)調(diào)理電路

針對(duì)機(jī)油壓力傳感器和空氣濾清器這類開關(guān)量信號(hào)，使用光耦TLP521進(jìn)行電氣隔離，提高抗干擾能力。如圖4所示，選定電阻R5和R6的阻值以限制輸入端正向電流大小。此外，光耦輸出端通過電阻R8上拉到3.3 V，起到電平轉(zhuǎn)換的作用。

圖4 數(shù)字量信號(hào)調(diào)理電路

2.4 轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路

轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路由運(yùn)放LM258搭建成的差分輸入放大器和施密特觸發(fā)器構(gòu)成[10]，如圖5所示?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器輸出微弱的正弦信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放LM258進(jìn)行放大后，由施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成周期相同的脈沖信號(hào)，最終由STM32微控制器定時(shí)統(tǒng)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)得到實(shí)際轉(zhuǎn)速。

圖5 轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路

2.5 GPRS無線通訊模塊

本文使用的GPRS無線通訊模塊是A9G模塊。該模塊是一個(gè)完整的四頻GSM/GPRS模塊，融合GPRS和GPS/BDS技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、車載和電力環(huán)境檢測等領(lǐng)域。本系統(tǒng)通過AT指令便可入網(wǎng)，快速連接到TLink云平臺(tái)，利用此模塊的雙模定位功能，獲取地理位置信息，以記錄車輛運(yùn)行軌跡。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 車載信息終端程序設(shè)計(jì)

車載信息終端基于STM32CubeMX圖形配置工具和Keil5開發(fā)環(huán)境對(duì)STM32微控制器[11-12]進(jìn)行編程。代碼經(jīng)編譯調(diào)試無誤后可燒錄到芯片中。程序流程如圖6所示，先對(duì)基本外設(shè)完成初始化操作，然后采集傳感器信號(hào)。ADC模塊以DMA(直接寄存器訪問)模式采樣模擬量信號(hào)；利用定時(shí)器TIM2計(jì)時(shí)0.5 s讀取脈沖個(gè)數(shù)從而獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)；通過EXTI(外部中斷)方式捕捉數(shù)字量信號(hào)的跳變。待數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，通過UART(異步收發(fā)傳輸器)發(fā)送給A9G無線通訊模塊，進(jìn)而將數(shù)據(jù)上傳至TLink云平臺(tái)，方便用戶在應(yīng)用終端查看信息。

3.2 TLink云平臺(tái)的搭建

(1)訪問TLink物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)網(wǎng)站地址https：//www.tlink.io/，注冊登錄后，進(jìn)入到設(shè)備管理界面。

(2)創(chuàng)建一個(gè)名稱為車輛ID：001的設(shè)備，選擇TCP鏈接協(xié)議，并添加多個(gè)自定義名稱傳感器，如蓄電池電壓、燃油油位、冷卻水溫、運(yùn)行轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、空氣濾清器和GPS定位。

(3)在設(shè)備列表界面中，平臺(tái)自動(dòng)生成一個(gè)對(duì)應(yīng)此設(shè)備的序列號(hào)，此序列號(hào)是唯一的，用作設(shè)備建立TCP連接后的通訊憑證，應(yīng)第一時(shí)間及時(shí)發(fā)送出去。

(4)添加設(shè)備協(xié)議，該協(xié)議包含數(shù)據(jù)頭標(biāo)簽[H：@]，分隔符標(biāo)簽[S：,]，數(shù)據(jù)標(biāo)簽[D?]和[GPS]以及結(jié)束標(biāo)簽[T：#]。完整的協(xié)議標(biāo)簽如下：

[H：@][D?][S：,][D?][S：,][D?][S：,][D?][S：,][D?][S：,][D?][S：,][GPS][S：,][STR?][T：#]

(5)添加觸發(fā)器，增加觸發(fā)條件，選擇報(bào)警聯(lián)系人和報(bào)警方式。當(dāng)某一傳感器達(dá)到閾值條件時(shí)，平臺(tái)會(huì)以微信、短信、語音和郵箱的方式進(jìn)行報(bào)警。報(bào)警內(nèi)容如：“設(shè)備：車輛ID：001 傳感器：燃油油位 觸發(fā)：數(shù)值低于20.0”。

3.3 A9G模塊入網(wǎng)指令

A9G無線通訊模塊入網(wǎng)指令如表1所示。當(dāng)STM32微控制器的USART1外設(shè)發(fā)送完表1中的指令后，A9G模塊便與TLink云平臺(tái)建立了TCP連接，并以透傳模式開始上傳數(shù)據(jù)。此時(shí)第一條數(shù)據(jù)必須為設(shè)備的序列號(hào)43PHQG24ICM0****，隨后發(fā)送正常的數(shù)據(jù)幀：“@95,70,82,1530,0,0,3600.1041,N,12007.4132,E#”，可在平臺(tái)上查看各傳感器數(shù)值，如圖7所示。

4 結(jié)果

4.1 圖表化數(shù)據(jù)查看

傳感器的數(shù)據(jù)均以歷史曲線和表單的形式呈現(xiàn)，如圖8所示。用戶可以按年、月、日、時(shí)、分跨時(shí)間段查詢歷史數(shù)據(jù)，支持PDF格式文件導(dǎo)出數(shù)據(jù)，從而更直觀地分析，評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)和性能。

圖8 移動(dòng)終端圖表歷史查詢

4.2 故障報(bào)警推送

圖9中，當(dāng)前冷卻水溫94 ℃高于設(shè)定值92 ℃便觸發(fā)故障報(bào)警，此時(shí)微信公眾號(hào)推送一條設(shè)備報(bào)警通知給予提醒。當(dāng)冷卻水溫低于設(shè)定值時(shí)，云平臺(tái)也會(huì)推送一條設(shè)備恢復(fù)通知，并顯示當(dāng)前冷卻水溫為87 ℃。此外，用戶還可從報(bào)警記錄中瀏覽所有報(bào)警信息。

5 結(jié)束語

本文對(duì)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序流程進(jìn)行了介紹，并展示了TLink云平臺(tái)搭建過程。經(jīng)過車輛長時(shí)間運(yùn)行表明，本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和記錄發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信息，為故障排查提供數(shù)據(jù)支持。