当前, 为了降低汽车污染物的排放, 人们逐渐使用电动汽车作为交通工具. 考虑到车辆电池在工作时的安全, 需要一个系统对其工作状态进行实时监测, 以便于后续工作的开展. 此前, 国内外在电池信息监测系统上大量运用了GPRS和3G网络技术, 部分运用了4G网络技术都能达到较好的效果.

但为了提高整体的通信质量和提供多种监测方式, 系统采用4G网络技术和WLAN网络技术. 4G网络通信作为当下流行的通信技术, 它有较高的通信速度, 提高了通信的灵活性以及智能性; 有更宽的网络频谱, 兼容性能平滑度大大提高, 并改善了使用效率, 多媒体通信质量得到了优化. 同时结合了WiFi无线通信建立局域网通信, 极大的丰富了监测终端的网络应用与近程数据传输. 无线局域网技术的优势很多: 具有传输速度快的优势; 对人体健康危害较小等. WiFi的应用范围正在逐渐扩大, WiFi技术仍是将来网络技术的主要发展趋势, 随着科技的不断发展与进步, 它也会得到不断的完善与优化.

目前, 该系统可以实时观察电池的电压与工作温度, 并且根据4G和WiFi组网可以实现近, 远程实时准确提供电池的电压与环境温度数据, 确保电池运行的安全与稳定. 满足监测系统的组网灵活, 安全可靠, 便于观察的需求.

1 监测系统的整体设计

检测系统的组成涉及了数据采集客户端和服务器两部分, 首先数据采集客户端是以S3C2440处理器为核心, 并包括内部自带A/D转换器, 温度传感器, 4G通信模块和WiFi通信模块等; 服务器由两部分组成, 一是数据采集客户端由4G通信模块通过Internet向远程服务器发送采集的数据, 二是由WiFi通信模块向周边用户的移动设备发送数据. 另外检测系统同时可以组成4G-WiFi网络向用户提供流量数据服务. 监测系统的示意图如图1.

2 系统客户终端硬件平台的设计

整个系统的硬件部分包括: ARM9嵌入式开发板, 4G通信模块, WiFi通信模块和温度传感器DS18B20模块. 硬件连接如图2所示.

2.1 ARM9主控处理器

主控芯片采用的是三星公司的一款基于ARM9内核16/32位精简指令集(RISC)32位微处理器S3C2440A芯片, 主要负责数据的采集与数据的转发等功能, 是整个系统结构的核心. 具体采用的是友善之臂MINI2440-FriendlyARM核心板, 该核心基于Linux2.6.32.2内核, 采用沉金工艺的4层板设计, 专业等长布线, 保证关键信号线的信号的完整性, 并采用专业稳定的CPU内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性. 其主频400 MHz, 最高533 MHz, 在板64MSDRAM, 32 bit数据总线, 256 M/1 GB Nand Flash和2MNor Flash. 接口和资源: 1个34pin GPIO接口, 1个USB Host和1个100 M以太网RJ-45接口(采用DM9000网络芯片)等. 如图3所示.

ARM9 S3C2440芯片自带一个8路10位A/D转换器, 它的最大转换率为500 kHz, 非线性度为正负1.5位, 其转换时间^[1]: 当系统时钟为50 MHz, 比例(预分频器)值为49, 则:

$ A/D {\text{转换器频率}}= 50 \;{\rm{MHz}}/(49 + 1) = 1\; {\rm{MHz}} $

(1)

$ {\text{转换器时间}}= \frac{1}{{1 \;{\rm{MHz}}/5\;{\rm{cycles}}}} = \frac{1}{{200 \;{\rm{kHz}}}} = ({\text{相当于}}5\;{\rm{\mu s}}) $

(2)

A/D转换器的供电电压为3.3 V, 模拟输入电压范围为0~5 V, 满量程为5 V/1024, 最小有效位(LSB)为4.88 mV, 最小有效位(LSB)与模拟输入电压有关.

2.2 4G通信模块

系统采用的4G模块是上海移远EC20 LTE模块, 采用LTE 3 GPP Rel.9技术, 虽然在功能上与目前最新Rel.14版有一定的差异, 但并不影响正常使用. 此模块支持最大下行速率100 Mbps和最大上行速率50 Mbps. EC20 LTE模块采用Mini PCIe封装通过通信模块转接板(Mini PCI-E接口卡)与主控板进行USB连接通信, Mini PCI-E接口定义为USB信号及3.6 V电压, USB接口5 V电压通过DC to DC电压源芯片转换成3.6 V电压和2 A电流供给模块及UIM/SIM卡工作. EC20 LTE模块支持频段FDD-LTE: B1/B3和TDD-LTE:B38/B39/B40/B41; 支持Mini PCIe接口: 采用PCI Express Mini Card 1.2标准接口;支持LTE特性: 符合3 GPP R9 CAT3 FDD和TDD, 支持1.4-20 MHz射频带宽, FDD: Max 100 MHz (DL) 50 MHz (UL), TDD: Max 61 MHz (DL) 18 MHz (UL); 支持的网络协议为: 支持TCP/UDP/PPP/QMI/HTTP等协议, 支持PAP和CHAP协议, 支持标准AT指令集及扩展AT指令集. 其中, Mini PCI-E转USB电路原理图如图4.

2.3 WiFi通信模块

系统采用的无线通信模块RT3070是高度集成的MAC/BBP和2.4 G RF单芯片, 芯片支持150 Mbps至300 Mbps的吞吐量. 它完全符合IEEE802.11n draft 4.0和IEEE802.11 b/g标准, 在较远的高吞吐量下提供可靠, 成本效益高, 功能丰富的无线连接. 由优化的RF结构和基带算法提供了卓越的性能和低功耗. 智能的MAC设计采用了高效的USB引擎和硬件数据处理加速器, 从而不使主机处理器过载. 符合本系统的需求.

2.4 DS18B20温度传感器模块

DS18B20是美国Dallas公司生产的单总线数字温度传感器, 它具有微型化, 低功耗, 高性能, 抗干扰能力强, 易配微处理器等优点, 可直接将温度转化为数字信号处理器处理. 测量温度范围是−55°C~125°C, 测温误差为±0.5°C. 可编程的分辨率为9~12位, 可实现高精度测量. 具有负压特性: 电源极性接反时, 芯片不会因发热烧毁. 由电源线, 信号线和地线三个引脚组成的三极管集成电路. DS18B20的应用电路有: 寄生电源供电方式, 寄生电源强上拉供电方式和外部电源供电方式^[2]. 该系统采用外部电源供电方式, DS18B20的工作电压范围3.0V~5.5V, 信号引脚的上拉电阻范围4.7 KΩ~10 KΩ. 其中应用原理图如图5.

2.5 USB通信接口及USB集线器模块

系统所采用的S3C2440芯片内部含有USB主机接口和USB设备接口, 系统主要应用的是USB设备接口, 它采用DMA接口方案, 允许控制传输, 中断传输和DMA接口的批量传输, 具有5个带FIFO的端点, 支持USB2.0协议, 高速的理论速度为480 Mbps和全速的理论速度为12 Mbps, 包括支持热拔插, 标准统一和多设备连接等优点. 其应用电路图如图6所示.

系统USB集线器模块采用FE2.1集线器控制芯片, 它是集成性比较高, 品质高, 性能高, 能耗低的高速七端USB2.0集线器, 系统应用其中三个端. FE2.1模块电路原理图如图7所示.

3 系统的软件设计

整个系统的软件设计在友善之臂Linux-2.6.32.2-mini2440-20150709内核的基础上所开发设计的, 主要包括Linux操作系统的移植^[3], 4G-LTE模块的驱动移植和RT3070无线模块的驱动移植以及所依赖的文件移植. 通信模块中的4G模块和WiFi模块都是通过USB接口建立的驱动模块, 在移植通信模块前先要编译Linux内核然后移植驱动. 要实现4G-WiFi路由则需要移植iptables, 它可以完成封包过滤, 封包重定向和网络地址数据包转换(NAT)等功能. 关于iptables的具体移植方法, 可以从网络上了解.

3.1 4G通信模块的移植

(1) 支持4G模块的内核编译

进入内核的目录并对内核进行裁剪, 执行make menuconfig进行界面选择Multi-purpose USB Networking Framework将Linux内核的rndis_host配置为动态模块, 可以在Linux下使用USB网络. 选择USB driver for GSM and CDMA mdems, 实现Linux内核对4G模块驱动的支持. 选择所有PPP网络协议选项, 可以使Linux内核支持4G网络拨号, 当4G通信模块移植完成后可以通过PPP拨号的方式连接网络和互联网.

(2) 4G通信模块驱动移植安装

通过对所提供的Linux驱动源码和拨号联网程序进行修改编译生成可执行4G模块驱动文件. 使用insmod命令将4G模块加载到内核中, 移植成功后可以看出在4G模块在系统中被映射成为的网口和4G网卡IP地址等信息, 可以Ping公网测试则移植成功^[4,5].

3.2 WiFi通信模块的移植

(1) 支持WiFi模块AP模式的内核编译

在Linux内核选项中选择IEEE 802.11 for Host AP (Prism2/2.5/3 and WEP/TKIP/CCMP)使内核支持WiFi模块的AP功能. 选择RF switch subsystem support, 此选项为了节约电力, 很多无线网卡都有内置的射频开关用于开启和关闭设备. 选择Generic IEEE802.11 Networking Stack (mac80211), Generic IEEE 802.11 Networking Stack (mac80211)选项是独立于硬件的通用IEEE 802.11协议栈模块, 可以让系统能更好的控制硬件.

(2) WiFi通信模块驱动的移植

2010_0203_RT3070_SoftAP_v2.4.0.1_DPA.bz2驱动下载, 此驱动是RT3070在Linux操作系统上实现软AP模式的驱动. 解压缩文件后, 在2010_0203_RT3070_SoftAP_v2.4.0.1_DPA目录下有三个文件夹分别为MODULE, NETIF, UTIL, 在这三个文件中均有Makefile, 在所有Makefile中修改其中的支持平台与平台下的内核路径和交叉编译器. 编译通过后, 在开发板修改rt2870ap.dat文件让rt3070ap在启动的时候配置成WPA2的加密方式, 并依次执行insmod rtutil3070ap.ko, insmod rt3070ap.ko, insmod rtnet3070ap.ko. 则可以系统可以识别无线模块, 并被映射成为相应的网口^[6,7].

3.3 DS18B20驱动设计与实现

对于单总线结构的DS18B20的读写控制必须严格按照时序图进行编程, 通过嵌入式设备的通用I/O口GPF0直接驱动DS18B20的DQ信号的交流端. 通过调用精确的延时子程序, 来对其准确时序控制^[1]. DS18B20的读写时序图如图8和图9.

在Linux系统中把DS18B20的温度传感器程序通过运行交叉编译器编译成字符设备驱动. 使用insmod命令将温度传感器模块加载到内核中, 移植成功后可以在系统/dev中发现温度传感器模块被映射成为DS18B20的驱动设备号.

3.4 通信方式的设计与实现

Socket接口是支持TCP/IP网络的应用程序编程接口, 是支持Linux系统中通用的网络接口, 网络的Socket数据传输是一种特殊的I/O接口, Socket也是一种文件描述. 在Socket通信中有两种通信协议: UDP协议(用户数据报协议, 面向无连接)和TCP协议(传输控制协议, 面向连接). UDP协议和TCP协议之间的区别如表1所示^[8,9].

TCP协议提供IP环境下的数据可靠传输能力, 它提供的服务包括数据流传送, 可靠性, 有效流控, 全双工操作和多路复用. 它建立连接使用三次握手过程, 使一台计算机发出的字节流无差错的发向网络上的其他计算机. 在网络比较弱的时候也能保证数据传输的质量, 所以该系统选择TCP协议C/S结构的Linux Socket网络编程^[10]. TCP协议的编程流程图如图10.

以4G网络为例. TCP协议的Socket的服务器首先运行, 通过调用socket函数创建一个Socket, 然后调用bind函数将其与本机地址以及一个本地端口号绑定, 然后调用listen函数在该Socket上监听, 等待客户端的连接, 接着调用accept函数来接受连接服务. 客户端程序先将接受的数据使用setsockopt函数绑定到指定4G网络端口, 然后调用connect函数和服务器建立连接, 连接成功后客户端和服务器之间调用send和recv来发送和接受数据. 最后, 两边都关闭Socket. 其中数据信息前两位为温度数据, 中间两个空格, 最后五位是电压数据.

3.5 Android手机端通信

手机端通信采用C/S模式Android开发结合Socket完成网络通信. 通信系统采用Android 6版本, 以JDK7+Eclipse+SDK为开发环境, 客户进入系统可以获取WiFi通信系统分配的IP地址及设置通信端口号^[11,12], 启动创建可以接受到客户端发来的电池电压与工作温度数据.

4 系统测试

数据采集采用3.3 V电压供电模拟电池实际5 V电压, 来测试电压采集的数据如表2所示, 电压最大差约为0.33%, 平均误差为0.27%. 采集的温度数据与实际温度没有明显的差距. 由实验数据可以总结出, 该系统采集性能良好, 电压与温度数据误差较小, 比较好的完成对模拟电池的信息数据的读取.

通过制定好的通信协议对测试数据打包, 然后经过嵌入式控制系统通过USB接口传到4G通信模块, 通过4G通信模块向远程服务器发送数据. 如图11, 在客户端运行发送数据程序.

如图12, Linux服务器通过Internet网络接受到客户端发送来数据后采用制定好的协议解析, 然后加上系统的日期和时间.

如图13, PC机服务器通过Internet网络接受到客户端发送来数据后采用制定好的协议解析, 然后加上系统的日期和时间.

手机通信服务端接受数据信息如图14所示, 每一条数据都占有客户端不同的端口, 并包含了每条数据发来的时间.

通过手机连接4G-WiFi系统进行测试. 通过串口通信在LTE制式下测试不同环境(第一组: 室外, 第二组: 室内, 第三组: 地下车库)的丢包率和往返延时. 测试结果如表3所示.

5 结束语

本文系统在MINI2440开发板上运行Linux操作系统, 将当前阶段网络数据速率传播最快的4G移动通信技术和常用的WiFi无线通信技术结合起来, 实现了可移动强, 安全, 操作简单等特点, 实现了温度与电压数据采集与传输, 同时用户可以随时通过WiFi终端连接上互联网, 为客户端解决了网络信号差, 网速慢的问题. 特别是具有实时性较强, 设置简单和实现容易等优点, 非常适合实时监测的场景.