摘  要： 為了延長挖掘機通信終端的待機時間，提出了一種基于電瓶電量檢測的挖掘機通信終端的設計方案。該方案在選定的LM3S9B96微控制器的外圍，配置了3G無線通信模塊、BD2/GPS雙系統(tǒng)定位模塊和電源管理模塊等，構建整個應用裝置的硬件平臺。在該硬件平臺上可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、定位導航、狀態(tài)檢測等功能。而且，該方案通過電瓶電量的檢測來控制挖掘機的數(shù)據(jù)傳輸周期，可有效地延長挖掘機通信終端的待機時間。
關鍵詞： 無線通信模塊；數(shù)據(jù)傳輸周期；電瓶電量

    挖掘機是國家基礎設施建設的重要裝備之一，許多發(fā)達的工業(yè)國家都將挖掘機等機電裝備的發(fā)展作為國家重點支持的項目。當大量不同類型的挖掘機之間要相互協(xié)調(diào)完成工程任務時，要求對作業(yè)的各單機及機群的工作狀態(tài)有準確的掌握和控制[1]。這就需要以挖掘機通信終端為基石的監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)上述功能。
    通常，在挖掘機停機后，挖掘機上的通信終端還需與遠程監(jiān)控中心按一定的頻率進行通信，向其上傳挖掘機狀態(tài)、位置等信息，以方便遠程監(jiān)控中心對挖掘機群進行管理。通信終端一般由機載電瓶供電，但此時機載電瓶無法自動充電，當挖掘機一定時間未啟動運行時，車載電瓶電量將耗盡，不僅嚴重影響電瓶的使用壽命，并使挖掘機無法啟動；同時機載通信終端也將停止工作。目前大多數(shù)挖掘機通信終端并沒有有效的降低功耗的方案。因此本文針對上述問題，提出了一種基于電瓶電量檢測的挖掘機通信終端的設計方案。
1 系統(tǒng)整體方案
1.1系統(tǒng)功能需求
    一般來說，挖掘機通信終端需要與遠程監(jiān)控中心進行通信，具體就是一方面機載通信終端對作業(yè)中的挖掘機機載狀態(tài)、位置和施工進度等進行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳送回監(jiān)控中心進行分析、統(tǒng)計、診斷；另一方面現(xiàn)場施工人員通過機載通信終端將施工或維修過程中遇到無法解決的問題及時向監(jiān)控中心發(fā)出診斷請求，監(jiān)控中心則會對其進行遠程技術支持。另外，由于挖掘機停機后，通信終端仍由機載電瓶供電，為了降低通信終端的功耗，延長其待機時間，就需要合適的電源管理。
1.2系統(tǒng)整體架構
    本文所設計的挖掘機通信終端，采用如圖1所示的系統(tǒng)架構，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。其中硬件系統(tǒng)是以微控制器為核心的硬件平臺，軟件系統(tǒng)包括嵌入式操作系統(tǒng)、驅動程序和應用程序。

    其中微控制器為TI公司的群星系列的LM3S9B96，該微控制器基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有80 MHz的運行速度，同時可配置睡眠模式及深度睡眠模式，這將有效地降低通信終端的功耗。
    定位模塊為和芯星通的UM220模塊，該模塊支持BD2和GPS雙系統(tǒng)聯(lián)合定位。而且功耗只有350 mW。同時無需外接CPU即可直接輸出NMEA數(shù)據(jù)。第二代北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BD2）是我國自主研發(fā)、獨立運營的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)[2]，相對于GPS，北斗具有在地面通信設施被破壞的情況下還可進行短報文通信的特點，這將為搶險救災的應急通信帶來巨大的方便。采用BD2和GPS雙系統(tǒng)聯(lián)合定位，可降低對GPS系統(tǒng)的依賴性，縮短定位時間并提高定位精度。
    3G網(wǎng)絡通信模塊采用SIMCOM公司的SIM5218模塊，SIM5218是一款WCDMA/HSDPA/GSM/GPRS/EDGE模塊解決方案，支持下行速率達7.2 Mb/s和上行速率為5.76 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸服務。這對視頻和圖像等數(shù)據(jù)量較大的信號傳輸而言是非常理想的選擇。
    電源管理模塊采用飛思卡爾半導體公司的MM912J637智能電池傳感器，它能準確地測量鉛酸電池的電壓、電流和溫度并計算出電池的狀態(tài)，即使是在惡劣的行車狀態(tài)下也可完成。在挖掘機停機時，微控制器將憑借該傳感器所檢測得到的電瓶電量控制3G網(wǎng)絡通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸周期，從而降低車載通信終端功耗。
3 軟件設計
    軟件設計包括嵌入式操作系統(tǒng)、驅動程序和應用程序設計。軟件系統(tǒng)結構如圖3所示。

    其中嵌入式操作系統(tǒng)選用μC/OS-II，μC/OS-II是一種可移植的、可植入ROM的、可裁減的、搶占式的實時多任務操作系統(tǒng)內(nèi)核，包含了任務調(diào)度、任務管理、時間管理、內(nèi)存管理及任務間的通信與同步等基本功能[3]。本設計只需將μC/OS-II移植到微控制器LM3S9B96里。
驅動程序主要是各功能模塊如數(shù)據(jù)采集模塊、BD2/GPS雙系統(tǒng)定位模塊、3G網(wǎng)絡傳輸模塊和電源管理模塊的驅動程序。
    應用程序主要包括狀態(tài)監(jiān)測與電源管理任務、數(shù)據(jù)采集存儲任務、數(shù)據(jù)傳輸任務、數(shù)據(jù)傳輸周期定時任務等等。所有的任務的運行由μC/OS-II進行管理和調(diào)度。μC/OS-II中，每個任務總處于休眠、就緒、運行、等待或掛起、中斷服務5種狀態(tài)之一，任務間通信可使用全局變量、信號量、消息郵箱和消息隊列實現(xiàn)。μC/OS-II使用優(yōu)先級調(diào)度法調(diào)度任務，即處于就緒狀態(tài)的優(yōu)先級最高的任務先運行。
4 機載通信終端低功耗策略研究

    3G網(wǎng)絡通信模塊是挖掘機通信終端里功耗最大的部分。因此降低通信終端功耗的重點是降低3G無線通信模塊的功耗。本文提出了一種基于電瓶電量檢測的低功耗策略。通信終端的工作模式如表1所示。

    通過以上策略的實施，可以有效地降低挖掘機通信終端的功耗，從而延長其待機時間。
    本文所設計的挖掘機通信終端，可以方便地實現(xiàn)挖掘機與遠程監(jiān)控中心進行大容量數(shù)據(jù)傳輸，并可對挖掘機進行較高精度的定位。此外，本文所提出的低功耗策略，將很大程度地延長機載通信終端的待機時間。本文只對挖掘機通信終端進行了研究，對于遠程監(jiān)控中心如何對挖掘機機群進行監(jiān)控和調(diào)度，有待在后續(xù)研究中進一步探索和完善。
參考文獻
[1] 陳智博.挖掘機遠程智能信息系統(tǒng)的研究[D].廈門：華僑大學，2012.
[2] 范一大，張寶軍.中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)減災應用概述與展望[J].中國航天，2010（2）：2-7.
[3] 龍?zhí)?基于嵌入式的挖掘機遠程監(jiān)控機載系統(tǒng)及其關鍵技術研究[D].杭州：浙江大學，2011.