內河船機在線監測系統數據緩存與恢復方法

徐小凱，金華標

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

隨著國內船舶運輸業的迅速發展，船舶大氣污染物排放量顯著增加。在當前日益嚴格的大氣污染防治形勢下，大幅減排船舶污染物、進行有效的排放監測監管的需求極為迫切。[1]針對這一問題，武漢理工大學開展排放物在線監測系統研究，并完成了內河船機在線監測系統硬件搭建及網絡后臺平臺的開發。[2]然而，內河船機監測系統數據的無線傳輸是通過移動通信網絡進行的，對于非遠洋類船舶[3]，由于在中國的近海范圍和大多數內河航區上移動通信網絡已較為發達，因而可以通過移動通信[4]進行無線傳輸。但是船舶在偏遠的內河航區行駛時會有信號較差或沒有信號的情況，這將會造成數據的丟失和不連續。[5-6]針對這種情況，本文介紹了一種基于利用外置SD卡進行數據緩存和恢復的方法，并通過合理的軟硬件設計實現數據傳輸的完整性。

1 內河船機在線監測系統

1.1 系統原理

內河船機監測系統整體原理框圖如圖1所示，其由數據采集模塊和無線傳輸模塊組成。數據采集模塊用于獲取主機ECU和傳感器的數據，可采集的信號包括：模擬信號(4～20 mA)、數字信號(控制局域網(CAN)總線/串行總線)，并重定義協議后以CAN擴展幀形式匯總在CAN總線上。

圖1 內河船機監測系統整體原理框圖

無線數據傳輸模塊用于解析數據和數據的無線發送，此處選用EC20-CER2.0模塊(以下簡稱EC20)，EC20為嵌入式的4G通信模塊，與主控芯片(MCU)通過串口進行通信。與數據采集模塊通過CAN總線進行通信后，MCU解析打包并通過控制EC20經由無線網絡傳輸至岸基軟件管理平臺。[7-8]系統運行過程中，若船舶行駛至信號較弱的航區，MCU判斷信號差而無法傳輸時，數據將儲存至外置SD卡中，當判斷信號強度恢復后，數據恢復發送。

1.2 系統電氣連接

系統通過24 V開關電源進行供電，數據采集模塊安裝在機艙內和船機診斷接口(OBD)或傳感器相連，其中采集模塊采集的數據包括機艙溫濕度、排氣管溫度和排氣管煙氣參數(模擬量采集)；通過OBD接口獲得主機機旁控制單元(ECU)的相關參數、排氣管NOx濃度。[9]無線數據傳輸模塊由于需要向室外引出天線，故安裝在駕駛室，并通過CAN總線和數據采集模塊進行通訊，嵌入在無線數據傳輸模塊上的EC20通過串口和MCU通信，其有2個作用，一個是通過其內置接收機獲取實時的定位數據，一個則是通過指令以TCP/IP協議將數據打包發送至岸基。系統硬件連接示意圖見圖2。

圖2 系統硬件連接示意圖

2 SD卡儲存模塊

2.1 硬件設計

標準SD卡有9個引腳，工作電壓約為3.3 V，支持2種串行通信模式：SD模式(使用SDIO接口，一種外設接口)、SPI模式(使用SPI接口，一種串行接口)。系統可以選擇以上任一模式：SPI模式使用SPI通道且電路相對簡單，但速度較慢(kb級)；SD卡模式允許4線的高速數據傳輸，用于數據量大且速度要求較快的場合(Mb級)，為滿足傳輸速率要求，使用SDIO接口。

MCU自帶標準的SDIO接口，SD卡連接原理圖見圖3。圖3中，SDIO_均為引腳代號，左半部分為SD卡及管腳，右半部分為主芯片及擴展管腳，SDIO_D0、SDIO_D1、SDIO_D2和SDIO_D3為SD數據傳輸線引腳，SDIO_CK為同步時鐘線，SDIO_CMD為命令引腳線。使用自帶的SDIO接口驅動，在4位模式下最高通信速度可達48 MHz(分頻器旁路時)，最高每秒可傳輸24 M字節數據(分頻系數為2)。

圖3 SD卡連接原理圖

SDIO支持3種總線模式，復位后，默認情況下，僅一位用于數據傳輸。初始化后，主機可以改變數據總線的寬度，包括4位傳輸或8位傳輸用于數據傳輸。

2.2 軟件設計

SDIO模式下，SD卡和MCU的通信采用應答機制，單片機每發送一個命令，SD卡都會返回一個應答，以告知主機該命令的執行情況，或者返回主機需要獲取的數據。

1)初始化設計。為實現SDIO驅動SD卡，利用相關指令對SD卡進行初始化，也為數據的讀寫做準備。

SD卡初始化流程原理圖如圖4所示，MCU上電后發送CMD0命令(對SD卡進行軟復位)。之后發送CMD8命令(用于區分SD卡的版本，不同版本卡容量不同)，且只有V2.0及以后版本的SD卡才支持CMD8命令。在發送CMD8命令的時候，其可以設置VHS位，該位值確定主機供電范圍，當主機提供了SD卡不支持的電壓范圍時，SD卡處于非活動狀態，將忽略所有的總線傳輸。之后發送ACMD41命令(確認卡的操作電壓范圍)，并通過HCS位來告訴SD卡，該位值表示主機是否支持高容量SDHC卡(儲存容量在2G以上的SD卡)，當收到HCS=1時，初始化即完成。

圖4 SD卡初始化流程原理圖

2)SD卡讀寫操作。在SD存儲器中，數據是以數據塊的形式進行傳輸的。圖5為SDIO多數據塊讀寫，其主要流程為：從機在收到主機相關命令后，開始發送數據塊給主機，所有數據塊都帶有CRC校驗值(CRC由SDIO硬件自動處理)，單個數據塊讀的時候，在收到1個數據塊以后即停止，不需要發送停止命令(CMD12)。但多數據塊讀寫時，SD卡將一直發送數據給主機，直到接收到主機發送的停止命令(CMD12)。數據塊寫操作同數據塊讀操作基本類似，只是數據塊寫的時候，多了一個繁忙判斷，新的數據塊必須在SD卡非繁忙的時候發送。

圖5 SDIO多數據塊讀寫

3)程序流程。參考《EC20通用AT指令手冊》，MCU與EC20的通信主要通過MCU向串口發送AT指令。網絡信號強度的獲取則通過向EC20發送問詢指令“AT+CSQ”，用來獲取信號響度，獲得返回值rssi。rssi表示信號強度指示，用來判定信號鏈接質量，rssi使用無量綱單位dBm，rssi與信號功率P(mW)的公式如下:

rssi=(10log10P+113)/2。

(1)

通過查閱《EC20通用AT指令手冊》?？傻玫絩ssi值與信號功率P對應關系，并進行信號強度分級。需注意的是當rssi=99 dBm時，表示檢測無信號，需要檢查SIM卡或天線是否正確安裝。

系統運行過程中，MCU周期性發送指令查詢網絡強度，若船舶行駛至信號較弱的航區，MCU判斷信號較差至無法傳輸時，數據將攜帶時間戳儲存至SD卡中，當判斷信號強度恢復后，本地緩存數據將根據時間順序和當前數據同時進行無線發送。數據緩存流程圖如圖6所示。

圖6 數據緩存流程圖

按上述流程，SD卡初始化過程及讀寫過程均封裝在函數內，并在主函數內調用。通過發送CSQ指令，返回信號強度信息存入緩存數組中，同時將信號強度進行分級以作為判斷條件。通過持續判定信號強度，當需要本地緩存時，數據動態寫入SD卡扇區中；恢復發送時，若SD卡存在本地緩存數據時，將和當前數據一起無線發送出去，同時刷新扇區。

3 功能測試

為了測試設計的系統性能，通過搭建功能測試平臺，在實驗室環境下進行功能測試，為了驗證信號較差情況下數據的緩存和信號恢復后數據的重新發送，模擬數據可以設置為有規律的固定數據幀，同時模擬無線信號中斷時，當前數據和歷史數據應該可以被區分。

3.1 測試過程

在實驗室內搭建的測試環境中，硬件包括1臺PC機、1塊無線傳輸板、1個24 V電源和1個USB/CAN轉換器，軟件包括Keil5，CANTest、網絡調試助手及“花生殼”。給發送板上電使其在正常狀態下工作，利用CANTest向CAN總線輸入CAN信號以模擬采集的數據，MCU無線發送數據包，通過“花生殼”將本地PC端口映射至公網IP以模擬岸基的遠程數據顯示，設置對應的內網IP和端口，使數據在網絡調試助手上顯示。模擬數據發送中斷狀態(將卡拔出，或者拆掉4G天線)，待20 s后恢復數據發送，利用網絡調試助手驗證緩存數據與發送數據的一致性。

正常工作情況下，MCU發送長度為72字節的數據包。且第2、3個字節數據由CAN總線上ID為0x1811273d的第5、6字節獲取。通過控制在CANTest的發送功能中設置不同數據位來改變數據幀頭兩位字節數據，以區別當前和歷史數據，在線狀態時數據為0xAAAA，掉線狀態時數據為0xBBBB。

3.2 測試結果

系統正常工作后，數據包的發送頻率為1s，數據幀的第2、3個字節為標志位。正常工作狀態發送0x1811273d(00 00 00 00 AA AA 00 00)，使數據幀標志位為AA AA(模擬當前數據)，并拆去4G天線，同時改變CAN數據，發送0x1811273d(00 00 00 00 BB BB 00 00)，使數據幀標志位為BB BB(模擬歷史數據),待20 s后恢復天線連接，發現數據以當前時間和歷史時間交替發送出來。

4 結束語

本文內河船機排放監測系統使用外置SD卡儲存電路來實現數據的緩存，并根據實時問詢信號強度來實現恢復發送機制。通過驗證，模擬信號丟失的情況下，數據可以緩存至儲存模塊中，且在信號恢復后，歷史數據和當前數據可交替發出。