工程机械GPS定位监控终端及其调试系统的研究与开发

摘要

随着国民经济的迅速发展，交通和建筑等行业对工程机械的需求越来越多，为了提高工程机械作业效率，保障作业和施工安全，对工程机械进行统一管理和集中监控成为一种趋势。基于此，本文研究和开发了工程机械GPS定位监控终端及其调试系统。该监控终端综合使用了无线通信、GPS定位、CAN总线等技术，实现了对工程机械运行状态和地理位置信息的远程监控。调试系统是一个上位机软件，作为监控终端的开发调试工具，可以对监控终端出现的故障进行快速定位和诊断。
　　本文首先讨论了工程机械监控系统的研究背景及意义，分析了国内外的研究现状及发展趋势。基于此给出本课题的研究内容，并对监控终端的功能需求进行分析，给出监控终端总体设计方案。接着本文对监控终端的硬件电路设计，软件系统以及调试系统的设计进行研究。
　　硬件电路设计部分主要进行了核心控制器和外围模块电路的设计。监控终端核心控制器采用双控制器设计方案，以汽车起重机为例，监控终端主控制器负责与物联网管理平台的通信、GPS定位、起重机上车运行状态监控等主要任务，从控制器负责监控主控制器的工作状态，起重机下车运行状态监控以及其它一些任务。核心之外的外围模块电路和接口包括电源电路，GSM模块，GPS模块，CAN模块，存储模块，串口通信接口等。其中，电源电路采用二级电路设计方案，一级电路为过压保护和开关降压电路，二级电路通过多个线性稳压器输出不同等级的电压。存储模块采用铁电随机存储器和FLASH存储器的设计方案，前者读写速度快，用以存储系统相关参数，后者支持多字节读取并且容量更大，用以存储采集的数据和更新程序。
　　软件设计部分采用模块化方法进行设计，主要进行了对象之间通信协议的设计和各个功能模块的编程实现。通信协议包括监控终端和管理平台之间的通信，监控终端主从控制器之间的通信，监控终端和起重机上下车系统之间的通信。软件功能模块包括无线模块数据的收发和处理、CAN总线数据的收发和处理、GPS定位信息的处理、智能电源管理、固件程序远程升级功能等。无线模块和管理平台采用TCP连接进行通信，利用心跳包机制保持长连接，当处于信号盲区时，采用盲区补偿策略，将监控终端的重要信息存储在本地存储器，在网络恢复时再将其上传到管理平台。远程升级功能是一个创新，当需要对固件程序进行升级时，监控终端就会自动连接到远程FTP服务器下载更新程序，然后利用在应用编程(IAP)技术完成固件程序的重新编程。
　　调试系统使用QT进行开发，主要进行了可视化界面设计、串口通信设计、监控终端系统和状态参数的读取和设置以及故障诊断等功能的实现。调试系统的工作原理是工作人员通过用户界面给监控终端发送控制指令，监控终端将执行的结果反馈给调试系统，然后在调试系统的用户界面进行显示。在实际运用中，调试系统可以准确读取系统和状态参数，对于故障的判断也比较准确。
　　本课题研究的监控终端已在某工程机械企业的起重机上稳定运行一年多，实时响应管理平台下发指令，GPS定位准确，无线模块数据传输和远程升级稳定可靠。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．3 本文的研究内容

1．4 本文的章节安排

第二章 GPS定位监控终端的总体设计

2．1 监控终端功能需求分析

2．2 监控终端总体设计方案

2．2．1 控制对象及被控对象分析

2．2．2 外围模块描述

2．2．3 监控终端通信接口描述

2．2．4 核心控制器选型

2．2．5 总体方案设计

2．3 本章小结

第三章 GPS定位监控终端硬件电路设计

3．1 核心控制器的选择

3．1．1 控制器接口

3．1．2 基本外围电路

3．2 主系统的硬件电路设计

3．2．1 电源电路设计

3．2．2 GPS模块电路设计

3．2．3 GSM模块电路设计

3．2．4 CAN通信模块电路设计

3．2．5 数据存储模块电路设计

3．2．6 主系统和调试系统通信接口的设计

3．2．7 主从系统的通信接口设计

3．3 从系统的硬件电路设计

3．4 电路的抗干扰设计

3．5 本章小结

第四章 GPS定位监控终端软件设计

4．1 监控终端软件需求分析

4．2 监控终端软件总体设计

4．2．1 监控终端操作系统方案

4．2．2 软件开发平台的选择

4．2．3 监控终端软件总体设计

4．3 主要模块功能的软件实现

4．3．1 平台和终端的通信协议

4．3．2 GPRS和SMS数据的接收处理和发送

4．3．3 CAN数据的接收处理和发送

4．3．4 GPS信息的接收和处理

4．3．5 主从控制器之间的通信

4．3．6 系统状态的监控

4．3．7 智能电源管理的实现

4．4 本章小结

第五章 GPS定位监控终端调试系统设计

5．1 调试系统软件需求分析

5．2 调试系统软件开发环境的选择

5．3 Qt软件设计方法

5．3．1 信号和槽机制

5．3．2 QtDesigner设计方法

5．4 调试系统软件总体设计

5．4．1 调试系统软件结构

5．4．2 调试系统程序流程

5．4．3 调试系统和监控终端通信协议

5．5 Qt串口通信设计

5．6 系统和状态参数的读取和设置功能

5．7 故障诊断功能

5．7．4 CAN通信模块功能诊断

5．7．5 GPS定位模块功能诊断

5．7．6 GSM模块功能诊断

5．8 本章小结

第六章 GPS定位监控终端远程升级系统设计

6．1 远程升级的基本原理

6．1．1 IAP简介

6．1．2 远程升级的基本原理

6．1．3 内部Flash空间的划分

6．1．4 外部Flash空间的划分

6．2 远程升级系统的设计与实现

6．2．1 FTP远程文件下载

6．2．2 IAP编程的实现

6．2．3 BootLoader程序的设计

6．2．4 远程升级系统的总体实现

6．2．5 远程升级系统的测试

6．3 远程升级的可靠性分析

6．4 从控制器固件程序的升级

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文及获奖

附录