一种工程机械用智能终端设计

曾 哲 陈永辉 夏敏敏 龙杰强 曾科力

(湖南中联重科智能技术有限公司 湖南 长沙 410013)

近年，各大工程机械厂家都提出产品要提高竞争力，要将智能化技术应用到工程机械中，用信息技术、计算机技术、控制技术等高新技术融入工程机械，以提高工程机械的操纵性、平衡性、舒适性，提高工作效率，并向智能化方向发展[1]。这就要求工程机械产品能嵌入更多的传感器，能将传感器的数据通过网络传出来，从中提炼出关键数据，对产品进行管理和监测。智能化的需求促进了物联网终端在工程机械行业中的应用，但目前大部分厂家使用的物联网终端功能单一，主要用来实现两个功能：一是通过远程控制实现资产安全；二是数据传输，对工程机械产品智能化的提高有限。

基于工程机械产品智能化的需求以及传统物联网终端功能单一的特点，本文提出了一种智能终端的设计方案。

一、智能终端概述

智能终端不同于传统的终端，定位为集数据采集、存储、处理、传输为一体，可为电液控制系统提供更全联接、更多感知、更高计算、更好记忆能力的全新一代终端产品，它在如下几方面体现出对传统物联网终端的优势：

(一)联接多样

工程机械设备传感器繁多，且总线接口不统一，协议复杂。智能终端硬件支持多总线及无线通讯接口，软件上采用模块化设计，可为非标准智能化终端外设的驱动提供适配层的硬件抽象层(HAL)组件，能够很好的解决异构网络所带来的联接及协议转换问题。

(二)业务实时

传统的物联网终端功能薄弱，运算能力和存储能力有限，只能将数据分析和控制逻辑放在云端实现，不能满足实时性业务场景的需求。智能终端部署在设备侧，靠近数据源，其可内置多种算法，并根据需要进行动态加载，借助内置的高性能计算单元与高效的数据交互机制，能较好的解决业务的实时性问题。

(三)应用智能

智能终端内置多种传感模块，外接网络摄像头可采集视频数据，利用其强大的运算能力和存储能力，借助嵌入式数据库技术，实现有组织的有效存储和快速数据检索，给预测性维护、自诊断、自主动态实时优化等典型应用提供支持。

二、智能终端网络架构

图1 智能终端系统网络架构

在物联网领域，现在普遍认可的三层网络架构，即感知层、网络层和应用层[2]。在物联网感知层中主要包含的是传感器等数据采集和获取设备，以及将数据接入网关的传感器网络；网络层则利用无线和有线网络对采集的数据进行编码、认证和传输；应用层提供基于物联网的应用，结合行业需求信息实现智能化的解决方案。

本文研究的智能终端属于物联网中的感知层和网络层设备，不仅具备灵敏的感知能力，对各种信息进行收集、处理、分析和控制的能力，同时还提供了将收集到的原始数据、预处理后的数据传输到云端，供云端应用的通道。

三、智能终端软硬件平台设计

(一)硬件设计

图2 智能终端系统网络架构

智能终端涵盖了Ethernet、CAN、RS485等多总线接口类型，搭载高速处理器及4G全网通通信模块，能够为电控器件提供更多感知数据，处理更多应用数据，更快传输工况数据。它在硬件架构上采用功能独立和模块资源充分发挥的模块化设计。

主要硬件模块说明：

(1)高速处理器：为智能终端的主控器件，采用TI公司A8架构的AM3352芯片，承载数据处理、数据存储及传输，WIFI、蓝牙协议栈处理，充分发挥A8架构内部硬件资源，架构精简稳定可靠，易于配置，成本较低。

(2)4G模块：选用ME3630全网通工业级模块，智能终端通过该模块与云平台交互数据。

(3)WIFI模块：选用HF-ALL-1模组，可作为AP，近距离连接智能手机等移动设备，将数据传至移动设备上进行显示；也可作为STA，通过路由接入到互联网，将数据回传至云端。

(4)蓝牙模块：选用EH-MC10模组，近距离连接智能手机等移动设备，用以做数据显示或近场控制。

(5)GPS/北斗双模定位模块：采用ublox的的MAX-8Q工业级模块，体积小，功耗低，用以对设备的定位追踪。

(6)总线模块：包含Ethernet、CAN总线与RS485总线模块，用以采集电控系统数据或进行控制。

(7)IO模块：通过IO接口采集电控系统数据，通常用于主机设备上电检测。

(8)音、视频模块：IO、总线或传感器采集情况可触发采集现场的音视频信息，此部分信息存储在存储模快中，可实时查看或者进行历史回看。

(9)传感模块：主要有温度传感器和三轴传感器，温度传感器监控智能终端的工作温度，三轴传感器用于监控主机设备的姿态信息。

(10)存储模块：采用Micro SD卡实现，支持最大256G存储，记录现场音视频信息以及智能终端本身工作状态信息。

(二)软件设计

针对工程机械产品物理接口、协议、数据差异造成终端软件开发种类多，开发费时费力，软件复用性不强，稳定性得不到保证的弊端。本设计提供了一套基于智能终端的二次开发平台框架，框架按照功能划分为HAL、CORE、Network、IPC等部分，可提供数据采集、存储、传输、处理的核心服务功能。

图3 智能终端软件框架图

1.HAL：负责框架与Linux API的通信，完成总线接口、协议适配并维护底层数据结构。

2.CORE：平台系统资源加载，数据处理中心，负责数据的采集、分发，多协议通信接入、实时数据的结构化存储。

3.Network：与云平台通信，网络连接维护，提供终端到云平台(服务器)之间稳定可控的通信链路。

4.IPC：进程间通信，对外提供接口。

在此框架中，应用开发人员无须关心底层细节，可以通过IPC模块的接口便利的获取数据并对其进行处理，实现APP的开发，大大缩减了项目的开发时间，且模块化和复用性的提高，也使得软件的可靠性得到了提高。

四、结束语

本文针对工程机械行业智能化的需求及传统物联网终端功能单一的局限性，提出了一种智能终端的设计方案，目前已在起重机吊装就地规划控制系统、混凝土泵车健康监测系统、塔机安全监控系统等多个产品中得到了应用，提升了工程机械主机设备的自诊断能力、操作自动化程度和安全性，给工程机械行业智能化带来了很好的示范性效应。