摘 要：为了延长挖掘机通信终端的待机时间，提出了一种基于电瓶电量检测的挖掘机通信终端的设计方案。该方案在选定的LM3S9B96微控制器的外围，配置了3G无线通信模块、BD2/GPS双系统定位模块和电源管理模块等，构建整个应用装置的硬件平台。在该硬件平台上可实现数据传输、定位导航、状态检测等功能。而且，该方案通过电瓶电量的检测来控制挖掘机的数据传输周期，可有效地延长挖掘机通信终端的待机时间。
关键词：无线通信模块；数据传输周期；电瓶电量
挖掘机是国家基础设施建设的重要装备之一，许多发达的工业国家都将挖掘机等机电装备的发展作为国家重点支持的项目。当大量不同类型的挖掘机之间要相互协调完成工程任务时，要求对作业的各单机及机群的工作状态有准确的掌握和控制[1]。这就需要以挖掘机通信终端为基石的监控系统来实现上述功能。
通常，在挖掘机停机后，挖掘机上的通信终端还需与远程监控中心按一定的频率进行通信，向其上传挖掘机状态、位置等信息，以方便远程监控中心对挖掘机群进行管理。通信终端一般由机载电瓶供电，但此时机载电瓶无法自动充电，当挖掘机一定时间未启动运行时，车载电瓶电量将耗尽，不仅严重影响电瓶的使用寿命，并使挖掘机无法启动；同时机载通信终端也将停止工作。目前大多数挖掘机通信终端并没有有效的降低功耗的方案。因此本文针对上述问题，提出了一种基于电瓶电量检测的挖掘机通信终端的设计方案。
1 系统整体方案
1.1系统功能需求
一般来说，挖掘机通信终端需要与远程监控中心进行通信，具体就是一方面机载通信终端对作业中的挖掘机机载状态、位置和施工进度等进行监测，并将数据传送回监控中心进行分析、统计、诊断；另一方面现场施工人员通过机载通信终端将施工或维修过程中遇到无法解决的问题及时向监控中心发出诊断请求，监控中心则会对其进行远程技术支持。另外，由于挖掘机停机后，通信终端仍由机载电瓶供电，为了降低通信终端的功耗，延长其待机时间，就需要合适的电源管理。
1.2系统整体架构
本文所设计的挖掘机通信终端，采用如图1所示的系统架构，包括硬件系统和软件系统。其中硬件系统是以微控制器为核心的硬件平台，软件系统包括嵌入式操作系统、驱动程序和应用程序。
其中微控制器为TI公司的群星系列的LM3S9B96，该微控制器基于ARMCortex-M3内核，具有80 MHz的运行速度，同时可配置睡眠模式及深度睡眠模式，这将有效地降低通信终端的功耗。
定位模块为和芯星通的UM220模块，该模块支持BD2和GPS双系统联合定位。而且功耗只有350 mW。同时无需外接CPU即可直接输出NMEA数据。第二代北斗卫星导航系统（BD2）是我国自主研发、独立运营的卫星导航定位系统[2]，相对于GPS，北斗具有在地面通信设施被破坏的情况下还可进行短报文通信的特点，这将为抢险救灾的应急通信带来巨大的方便。采用BD2和GPS双系统联合定位，可降低对GPS系统的依赖性，缩短定位时间并提高定位精度。
3G网络通信模块采用SIMCOM公司的SIM5218模块，SIM5218是一款WCDMA/HSDPA/GSM/GPRS/EDGE模块解决方案，支持下行速率达7.2 Mb/s和上行速率为5.76 Mb/s的数据传输服务。这对视频和图像等数据量较大的信号传输而言是非常理想的选择。
电源管理模块采用飞思卡尔开云棋牌官网在线客服公司的MM912J637智能电池传感器，它能准确地测量铅酸电池的电压、电流和温度并计算出电池的状态，即使是在恶劣的行车状态下也可完成。在挖掘机停机时，微控制器将凭借该传感器所检测得到的电瓶电量控制3G网络通信模块的数据传输周期，从而降低车载通信终端功耗。
3 软件设计
软件设计包括嵌入式操作系统、驱动程序和应用程序设计。软件系统结构如图3所示。
其中嵌入式操作系统选用μC/OS-II，μC/OS-II是一种可移植的、可植入ROM的、可裁减的、抢占式的实时多任务操作系统内核，包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理及任务间的通信与同步等基本功能[3]。本设计只需将μC/OS-II移植到微控制器LM3S9B96里。
驱动程序主要是各功能模块如数据采集模块、BD2/GPS双系统定位模块、3G网络传输模块和电源管理模块的驱动程序。
应用程序主要包括状态监测与电源管理任务、数据采集存储任务、数据传输任务、数据传输周期定时任务等等。所有的任务的运行由μC/OS-II进行管理和调度。μC/OS-II中，每个任务总处于休眠、就绪、运行、等待或挂起、中断服务5种状态之一，任务间通信可使用全局变量、信号量、消息邮箱和消息队列实现。μC/OS-II使用优先级调度法调度任务，即处于就绪状态的优先级最高的任务先运行。
4 机载通信终端低功耗策略研究
3G网络通信模块是挖掘机通信终端里功耗最大的部分。因此降低通信终端功耗的重点是降低3G无线通信模块的功耗。本文提出了一种基于电瓶电量检测的低功耗策略。通信终端的工作模式如表1所示。
通过以上策略的实施，可以有效地降低挖掘机通信终端的功耗，从而延长其待机时间。
本文所设计的挖掘机通信终端，可以方便地实现挖掘机与远程监控中心进行大容量数据传输，并可对挖掘机进行较高精度的定位。此外，本文所提出的低功耗策略，将很大程度地延长机载通信终端的待机时间。本文只对挖掘机通信终端进行了研究，对于远程监控中心如何对挖掘机机群进行监控和调度，有待在后续研究中进一步探索和完善。
参考文献
[1] 陈智博.挖掘机远程智能信息系统的研究[D].厦门：华侨大学，2012.
[2] 范一大，张宝军.中国北斗卫星导航系统减灾应用概述与展望[J].中国航天，2010（2）：2-7.
[3] 龙坍.基于嵌入式的挖掘机远程监控机载系统及其关键技术研究[D].杭州：浙江大学，2011.