基于SIM868的车载过滤系统的软件设计

2022-09-14姚猛

科学与信息化 2022年17期

姚猛

平原滤器有限公司河南新乡 453000

引言

近年来，随着人工智能、互联网、通信技术等新技术的大规模应用，数字经济产业正成为潜力巨大的新兴产业，同时也成为全球经济发展的新动能。在数字经济的新发展趋势下，越来越多的传统行业和领域都在进行不同层次的智联化升级。万物互联的时代将传统的家用电器、汽车都插上了联网的翅膀，给予了传统产品新的发展机遇。为了适应时代的发展，给予车联网系统更多的数据支持，传统的车用过滤系统也进入了智能网联的新时代。

发动机过滤系统是一个不起眼的系统，容易被人们忽略，但是在发动机的工作过程中，过滤系统对汽车发动机的使用寿命及油耗却有着极大的影响。发动机过滤系统将介质中的灰尘和颗粒进行过滤，经过过滤的干净介质会在发动机工作的进气行程中进入到发动机的气缸，与喷油嘴喷出的燃油进行混合，然后通过压缩油气混合物产生热量燃烧生成动力，燃烧完毕后发动机将废气排出发动机[1]。如果过滤系统不能很好的工作，就有可能造成发动机动力不足，甚至是发动机损坏。所以能够及时了解过滤器的工作状态就显得非常重要，本文研究的就是能够将车载过滤系统的工作状态及实际位置通过GPRS上传至互联网，让工程师或者是车队管理者可以“足不出户”的根据各种数据进行设备健康状态的判断，及时纠正过滤器的不良状态，避免发动机的损坏。

1 系统软件设计方案

本系统属于车用过滤系统范畴。为了满足市场需求，在原有的车辆发动机进气系统上增加了基于ARM和GPRS的数据采集、处理及上传等功能。主要应用于工程机械尤其是装载机的发动机进气系统[2]。装载机进气系统具有工作环境恶劣，24小时不停机，更换滤芯周期短等特点。在上述特征工作下的装载机，大概3天左右更换一次滤芯，这种更换频率是根据经验得到的，按照这种更换策略，可能会造成滤芯在使用数量上的浪费，也可能会出现在更换滤芯滞后，滤芯无法满足发动机的要求，造成发动机油耗增大的现象。综上所述，本论文研究的系统适用于长期工作在非城市工况的露天煤矿、开山采石或者是长途运输的重型汽车上。

1.1 GPS/GPRS模块简介

在本论文的应用中，采用芯讯通无线科技（上海）有限公司的SIM868模块，此模块带有GPS/GPRS功能，工作温度范围：-40～+85℃，工作电压3.4～4.4V， GPRS class 12，最大85.6 kbps（下行/下行），灵敏度：跟踪-167dBm、重捕获-161 dBm、冷启捕获-149dBm，首次定位时间：冷启动28s、温启动22s、热启动＜1s。配合SIM868模块共同使用的有SIM卡座和GPS天线，微控制器通过UART向SIM868发送AT指令和接收SIM868返回的信息。

1.2 软件流程说明

1.2.1 GPRS传输通信设计。进行GPRS附着时，微控制器先对SIM868发送命令“AT+CPIN? ”检查SIM卡是否存在或者是是否可用，如果接收到返回的正确信息，则在OLED观察屏幕中显示SIM卡图标并进入下一步。系统对SIM卡检测通过后，进行工作模式的设置，系统对SIM868发送命令“AT+CGCLASS=‘B’ ”，将工作模式设置为“B”类型，即同时监控多种工作模式，但只能工作在一种工作模式下。就是说在进行GPRS附着和GMS语音等业务只能进行一种，不能同时进行。然后对网络连接方式继续进行设置，系统对SIM868发送命令“AT+CGDCONT=1,‘IP’,‘CMNET’ ”，设置连接类型为“C M N E T”。最后通过“AT+CGATT=1 ”指令检查GPRS附着状态，如果附着成功，则进入下个流程当中。

1.2.2 GPS位置信息的采集及预处理。车载智能过滤系统配备GPS定位功能是为了方便车队管理者或者车主实时监控车辆的位置信息和行驶轨迹。本系统的GPS定位信息由SIM868模块提供，首次冷启动定位需要时长28s，定位精度小于2.5m EPC。

SIM868发送出来的信息符合NMEA 0183协议，它是一套定义接收机输出的标准信息，有几种不同的格式，每种都是独立相关的ASCII格式，逗点隔开数据流，数据流长度从30-100字符不等，通常以每秒间隔选择输出[3]。 NMEA0183协议实际上已成为所有的GPS接收机和最通用的数据输出格式，同时它也被用于GPS接收机接口的大多数的软件包里。

NMEA-0183协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。本文使用的语句就是$GPRMC。$GPRMC指的是Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data，推荐最小的定位数据，其包含头格式、UCT时间、定位状态、纬度、南/北、经度、东/西、地面速度、方位角、日期、偏磁角、偏磁角方向、定位模式、校验和、结束标记组成，SIM868不支持偏磁角的测量。所以偏磁角的对应内容会返回空信息，例如在实际的定位中SIM868返回的GPRMC数据：$GPRMC,094330.000,A,3113.3156,N,12121.2686,E,0.51,193.93,171210,,,A*68＜CR＞＜LF＞的信息解析如表1所示：

表1 RMC数据格式

当微控制器接收到SIM868发送过来的定位信息后，先通过头格式内容判定是否为RMC格式的信息，如果不是RMC格式的信息，微控制器会继续读取SIM868发送过来的信息，如果是就去执行信息分解程序。执行分解程序前，程序会先读取定位状态标志位，如果返回值为“A”代表定位成功，定位未成功则放弃数据解析。然后程序会根据分隔符“，”对数据按照RMC数据格式进行数据解析。解析内容包括：UTC时间、纬度、N/S、经度、E/W信息。

1.2.3 物联网连接程序设计。物联网连接程序是建立在GPRS附着成功后，将本地数据按照固定变量名称上传至中移OneNET的程序，程序负责建立连接、发送信息和关闭连接三个部分。车载智能过滤系统将上传的数据分为：环境温度、滤芯寿命、车辆位置、故障代码、当前滤芯流阻五个变量[4]。

在联网前需要进行GPRS附着流程。GPRS附着成功后想要将数据上传至中移OneNET，需要进行连接、认证、数据上传等操作。微控制器（MCU）向SIM868发送“AT+CIPSTART=”命令，表示系统请求开始TCP或者是UDP连接。微控制器接收到等待返回的结果，如果成功连接继续进行数据配置工作，其中设置链接地址为“api.heclouds.com”，端口号为“80”。设置完地址和端口号后发起连接，连接总共持续30s，如果在30s内连接服务器成功则进行下一步的操作，如果没有收到返回值连接失败。

当连接到物联网端口后，微控制器发送符合HTTP规则的报文头和JSON串，发送完毕后微控制器会控制SIM868发送“AT+CIPCLOSE”命令关闭TCP和UDP连接，如果在3s内收到关闭成功的返回值，则微控制器继续发送“AT+CIPSHUT”命令撤销GPRS PDP 环境（DEACTIVATE GPRS PDP CONTEXT）。

1.2.4 物联网监控界面设计。电脑端监控界面如图1所示，整个监控界面包括7个部分：第一部分为标题，显示当前监控界面的主题；第二部分为地图，显示当前车载智能过滤系统的实时位置和行驶轨迹；第三部分为环境温度，显示当前车辆驾驶室内温度；第四部分为错误代码，显示当前整个过滤系统的故障代码信息；第五部分为滤芯寿命，显示当前车载过滤系统滤芯的已使用寿命；第六部分为滤芯流阻，显示当前车载过滤系统是用滤芯的阻力信息；第七部分为故障代码释义对照表，显示第四部分代码的故障类型及推荐措施。