基于嵌入式Linux的智能重型拖拉机远程监控系统开发

0 引言

通信技术的发展推动了农业智能化的蓬勃发展，智能化重型拖拉机不再是传统的纯机械式的拖拉机，它集成了众多电控单元，各个单元相互协作共同完成对重型拖拉机的控制。为实现对重型拖拉机运行状态的监控，实时获取重型拖拉机的运行状态，及时发现异常状态并进行处理，开发一套基于Linux的智能重型拖拉机监控系统非常有必要。文献[1]中基于Fescale 9S12X128芯片研究了电控拖拉机远程监控系统，通过控制器局域网络(controller area network,CAN)总线采集拖拉机的运行数据，通用无线分组业务(general packet radio service,GPRS)网络将数据发送到Internet，但此系统受控制芯片处理能力,局限较大，而且可移植性较差。

本文中采用具有先进处理性能和多内核处理器的IMAX6Q芯片，该芯片可搭载嵌入式Linux系统，嵌入式Linux系统具有开源、多体系、多驱动的优点，并且具有定制化功能，使设计的监控系统具有高效、稳定以及处理能力强大的优点，系统结合GPRS和全球定位系统(global positioning system,GPS)模块使用，能够实时高效地监控智能重型拖拉机的运行状态。

1 系统总体方案

图1 远程监控系统总体设计图

基于嵌入式Linux的智能重型拖拉机远程监控系统总体方案如图1所示。由图1可知：重型拖拉机的整车控制器(vehicle control unit,VCU)通过CAN总线与监控系统相连接，监控系统接收来自VCU的CAN报文并根据文献[2]协议对接收到的CAN报文进行解析[3-5]，获取当前拖拉机运行的状态信息；监控系统的GPS模块接收到来自卫星的信息，由监控系统选取所需的数据进行提取，获取当前拖拉机的位置信息；然后监控系统将采集到的重型拖拉机的运行数据通过传输控制协议/网际协议(transmission control protocol/Internet protocol,TCP/IP)进行打包处理[6-7]，并通过4G模块将打包好的数据发送到移动基站，转发至Internet，上传到云服务器，在云服务器将数据包进行解析，后台监控端访问服务器获取数据，从而实现对重型拖拉机行驶状态的远程监控。

2 程序设计及测试

2.1 CAN模块设计

CAN模块的使用在整个智能重型拖拉机远程监控系统中至关重要，因此重点对CAN模块进行程序设计。本文中智能重型拖拉机远程监控系统开发时，由于所用的Ubuntu系统缺少使用CAN模块所必须的库文件，因此首先应设计CAN模块的库文件并挂载到Ubuntu系统，将设计的库文件设置为普通用户级读写权限，将库文件生成链接文件，确保程序能够正常运行。CAN模块的程序设计及数据收发过程的流程如图2所示。

图2 CAN模块收发数据流程图

设计CAN模块程序时，应将CAN模块禁止，将波特率设置为500 kbits/s。Linux系统中，CAN设备被当作网络设备进行管理，所以需要设计专用于CAN通信的套接字来实现CAN通信，分配CAN设备，设计CAN模块的连接程序，进入接收或发送数据状态[8]。CAN模块接收数据程序时，首先在can_filter结构体中定义接收 CAN节点的报文ID和掩码(MASK)，设计该结构体，并进入接收状态，read函数读取can_frame结构体中的报文信息。

将监控系统的CAN_H和CAN_L用双绞线连接到智能重型拖拉机VCU的CAN_H和CAN_L上完成硬件连接[9]，通过CAN总线获取重型拖拉机的车速、发动机转速、动力输出轴(power take off,PTO)转速、差动锁状态、行驶里程、剩余油量等信息[10]。

2.2 GPS模块程序设计

2.2.1 串口初始化

由于IMAX6Q开发板中外扩了GPS模块，利用GPS模块可以实现全球范围内的定位，满足实时监测智能重型拖拉机位置的需求。Linux内核中安装了相应的驱动，GPS模块对应的文件名为/dev/ttymxc，GPS模块通过串口进行数据传输，程序设计流程如图3所示。

图3 GPS串口程序设计流程图

Linux系统中设备是以文件的方式进行读写，因此首先在程序中设置串口的文件句柄用于打开文件”/dev/ttymxc”，将串口设为阻塞状态，并检测是否为终端设备，获取串口对应终端的相关参数并在程序中将其初始化，然后设置串口的波特率、初始位、停止位、奇偶校验位和处理未接收的字符。串口初始化函数是串口初始化的通用函数，其它需要使用的模块可直接移植调用。

2.2.2 数据解析

由于GPS的数据$GPRMC为结构体格式，因此首先定义一个结构体data[ ]，用于存放GPS数据，然后定义buffer[ ]数组作为缓冲数组存放从串口中读到的数据[11]。读取数据时，从文件句柄 fd 中读取一个字符存放在buffer[ ]数组中，并将该数据连接至dest[ ]的尾部。GPS数据解析流程如图4所示。

对该组数据进行解析的软件流程如图5所示。首先定义一个标志位变量 SectionID，用于标识数据组的不同信息，然后通过判断$GPRMC 数据组中的字符串是否是“,”来区分不同的数据信息。每当检测到一个“,”,则 SectionID加1，通过 switch 语句根据 SectionID判别该字符属于哪个数据，并根据不同的数据(如时间、经纬度等)进行相应的计算，将信息存储到 data[ ]数组里，便于打印或传输。

图4 GPS数据解析流程图 图5 GPS_$GPRMC组数据提取流程图

2.3 4G通信模块

2.3.1 USB驱动架构

图6 USB驱动架构

设计时选用EC20模块用于4G通信，由于IMAX6Q开发板中没有EC20模块的驱动程序，导致无法识别该设备，因此需要向 Linux 内核源码中添加EC20模块驱动程序，再编译生成Ubuntu系统文件后烧录到开发板，才能使用EC20模块与服务器进行数据传输[12]。EC20模块驱动程序设计完成后，在Ubuntu下作为通用串行总线(universal serial bus,USB)设备使用。USB是分级的总线结构，通过USB模块实现USB设备与主机之间的数据传输。USB驱动程序的体系结构如图6所示。

Linux USB主机驱动程序包括USB主机控制器驱动程序、USB 内核和 USB 设备驱动程序3部分。USB主机控制器驱动程序是架构的底层，直接与硬件交互；USB内核是整个USB主机驱动程序的核心，负责管理USB总线、USB总线设备和USB总线带宽，为USB设备驱动程序提供接口，应用程序可以通过接口访问USB系统文件；USB设备驱动程序与应用程序交互，主要提供访问特定USB设备的接口。

2.3.2 Linux内核源码修改

将EC20模块连接到USB串口即设置成USB串口设备，并将EC20模块的厂商识别码和产品识别码添加到设计程序中，Ubuntu系统会自动识别该设备，但应在相关文件中删除和EC20冲突的USB驱动的代码。设计修改内核源码时，添加回调代码，用来恢复由于Linux系统进入挂起或休眠模式时部分USB主机控制器或USB集线器的断电或复位。完成上述设计后进入内核目录下，修改环境变量ARCH为arm、交叉编译器为arm-none-linux-gnueabi，输入相关命令使能USB驱动，完成后输入加载驱动的命令并重启Ubuntu。

2.3.3 Ubuntu系统文件编译

Ubuntu系统包括引导文件、内核文件、文件系统3个文件。因此，设计完成 EC20 的内核驱动后，应交叉编译生成上述3个文件。在源码文件夹下的引导文件目录中，编译脚本build_uboot.sh，编译该文件即可在该文件夹下生成uboot.bin文件，即引导文件。在内核文件目录中，编译脚本文件build_qt_kernel.sh，生成uImage文件即内核镜像。将Ubuntu系统压缩包上传至虚拟机并进行解压，可以在解压后的文件中进行修改，实现相应的功能。源码修改完成后，再压缩生成.tar.gz文件，即为 Ubuntu 的文件系统。

2.3.4 Ubuntu系统烧录

将引导文件、内核文件和文件系统使用飞思卡尔烧写工具Mfgtools烧录至开发板，并根据开发板的型号进行相应的屏幕参数设置。烧录成功的Ubuntu系统，使用ls /dev/ttyUSB*命令可以看到系统中已存在ttyUSB 0～4共5个文件。其中，ttyUSB1用于GPS信息的输出接口，ttyUSB2用于终端设备与PC应用之间的连接与通信指令(attention,AT)的输入接口，ttyUSB3既可以用于AT指令的输入接口，也可以作为点到点协议连接的接口。

2.3.5 EC20 数据传输软件设计

EC20模块的驱动设计安装完成后，对其进行数据传输的软件设计。EC20模块的初始化程序设计流程为：首先给模块上电，通过“AT + CPIN?”指令查询SIM卡的状态，如果返回“READY! OK”，则进行下一步，否则重新启动该模块。继续使用“AT + CREG?” “AT + CGREG?”指令查询相关初始状态值；在查询状态为全部正常后，使用“AT + QIAT=<contextID>”指令激活相应的报文ID；使用“AT+QIACT?”可以查询到本机IP；然后使用“AT + QIOPEN”指令进行服务器的连接，在参数<access mode>中可以设置数据传输方式[13-14]。

2.4 监控系统设计

图7 系统总体程序流程图

远程监控系统所需要的各个模块的程序设计完成后，需要在Linux开发环境下对系统总体程序进行开发设计，程序设计流程如图7所示。首先要Linux开发环境下分别对CAN设备、GPS串口、EC20模块进行初始化，然后向Linux系统内核注册中断，最后对程序的主函数进行设计，主函数设计包括将GPS数据采用轮询方式采集，CAN总线数据采用中断方式采集，并且设置每隔一段时间对采集的GPS和CAN总线信息进行数据处理和打包，通过4G模块发送至远程服务器端[15-16]。

2.5 系统测试

将开发板作为CAN总线的一个节点，挂载在重型拖拉机的CAN总线网络，然后将开发板设置为可以接收所有的报文信息。来自重型拖拉机VCU的报文经开发板传送到监控端，开发板与车载端连接，在 PC 机上登录监控后台界面，通过访问远程服务器，实现车载端与PC端的连接，客户端工作界面如图8所示。部分监控系统端采集到的报文信息及其解析如表1所示，其中报文信息为车速、整车状态(“1”为运行状态，“0”为停止状态)、纬度、经度信息，经解析后转化为重型拖拉机的车速、发动机转速、PTO转速、差动锁状态、行驶里程、剩余油量、地理位置等信息。

图8 PC端客户端工作界面

表1 部分报文数据解析表

由图8和表1可知，来自监控系统端的CAN报文能够通过开发板传送至服务器端，再通过服务器传到后台客户端。重型拖拉机的车速、发动机转速、PTO转速、差动锁状态、行驶里程、剩余油量、地理位置等数据均可以在监控界面实时显示，达到设计要求。

3 结论

基于嵌入式Linux操作系统研究开发了智能重型拖拉机远程监控系统，包括CAN模块、GPS模块、4G通信模块及控制软件，并对开发的监控系统进行了测试。

1)设计了智能重型拖拉机远程监控系统的总体方案。

2)在Linux开发环境下设计CAN通信模块程序，通过CAN总线将监控系统挂载到重型拖拉机的控制器上，实现数据采集。通过Linux系统自带GPS驱动，将GPS模块作为USB设备在Linux系统中进行程序设计并获取位置信息，针对4G通信模块，修改了Linux内核驱动及相关文件，对修改后的 Linux 内核进行编译，4G模块程序设计完成后能够将数据上传到服务器端。

3)对开发的基于嵌入式Linux的智能重型拖拉机远程监控系统进行试验测试，远程监控端能够接收到来自重型拖拉机的车速、发动机转速、PTO转速、差动锁状态、行驶里程、剩余油量、地理位置等数据，满足设计要求。

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