基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏敬成，陳秀生，倪 林，王安麟，徐 剛

（1.山重建機(jī)有限公司，山東 臨沂 276024；2.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；3.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201804；4.山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

自2000年以來(lái)，我國(guó)工程機(jī)械呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展的態(tài)勢(shì)，工程機(jī)械產(chǎn)銷量已位居世界第一［1］.工程機(jī)械行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品及其制造的智能化提出了更高的要求，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械產(chǎn)品及其制造智能化的前提是對(duì)工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)全面、全生命周期監(jiān)控.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是自20世紀(jì)90年代末發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的信息技術(shù)，其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，系統(tǒng)可以自動(dòng)地、實(shí)時(shí)地對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件［2－4］.應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械全壽命周期、全面的監(jiān)控［5］.

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

工程機(jī)械產(chǎn)品監(jiān)控的內(nèi)容主要分為兩部分：靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息.靜態(tài)信息主要包括設(shè)計(jì)信息、制造信息、流通信息、維護(hù)信息等；動(dòng)態(tài)信息主要是產(chǎn)品主要部件的狀態(tài)參數(shù)信息，如壓力、流量、溫度、電壓、電流等.為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息和靜態(tài)信息的監(jiān)控，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如下：

（1）工程機(jī)械靜態(tài)信息的采集、存儲(chǔ)和查詢

系統(tǒng)能夠采集工程機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)及其零部件的設(shè)計(jì)、制造、銷售、維護(hù)和回收等靜態(tài)信息，所采集的信息存儲(chǔ)于系統(tǒng)的服務(wù)器上，操作人員可以根據(jù)需要查詢相關(guān)信息.

（2）狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集

實(shí)時(shí)采集工程機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)行參數(shù)，如：發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、機(jī)油壓力、系統(tǒng)工作油溫、系統(tǒng)電源電壓、機(jī)油溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油油位等.

（3）工程機(jī)械產(chǎn)品地理位置信息的采集

針對(duì)工程機(jī)械作業(yè)趨于分散以及工程機(jī)械租賃性使用的特點(diǎn)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地確定產(chǎn)品的地理位置，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)時(shí)定位和遠(yuǎn)程鎖車功能.

（4）工程機(jī)械關(guān)鍵信息的追溯與防偽

系統(tǒng)能夠追溯產(chǎn)品的全生命周期過(guò)程信息，以便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的回收和再制造；能夠防止關(guān)鍵部件被非法更換和非正常維護(hù)，保證工程機(jī)械產(chǎn)品的可靠性.

西雙和羅衫默默往回走，途中經(jīng)過(guò)一個(gè)超級(jí)市場(chǎng)。西雙頓住腳步，說(shuō)，給樓蘭買個(gè)水杯吧。羅衫問(wèn)買水杯干什么？西雙說(shuō)我知道有一種歪嘴兒水杯，杯口伸出一個(gè)吸管，可以隨意彎曲，這樣樓蘭躺在床上就可以喝水了。羅衫向他翹起大拇指，說(shuō)，我就知道你不是那種無(wú)情無(wú)意的男人。西雙說(shuō)現(xiàn)在我對(duì)樓蘭的確無(wú)情無(wú)意，買個(gè)水杯，說(shuō)明不了什么吧？拿著買來(lái)的水杯往醫(yī)院走，又叮囑羅衫說(shuō)，一會(huì)兒你把水杯送進(jìn)病房，我就不進(jìn)去了。

（5）工程故障信息的智能化處理

系統(tǒng)對(duì)于狀態(tài)異常的信息，能夠自動(dòng)報(bào)警，能夠?yàn)榫S護(hù)人員提供解決方案，實(shí)現(xiàn)故障信息的智能化處理.

（6）遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

系統(tǒng)能夠提供過(guò)程信息和產(chǎn)品信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，系統(tǒng)操作人員通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與設(shè)備，和現(xiàn)場(chǎng)人員實(shí)現(xiàn)交互.

2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

（1）信息的采集

根據(jù)信息的種類，信息的采集使用不同的元器件.對(duì)于動(dòng)態(tài)信息，通過(guò)安裝在相應(yīng)部件上的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于靜態(tài)信息的采集，則通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽記錄靜態(tài)信息.

（2）數(shù)據(jù)傳輸方案

數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線和有線兩種方式.現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線傳輸，CAN總線通過(guò)CAN收發(fā)器接口芯片82C250的兩個(gè)輸出端CAN＿H（高電平）和CAN＿L（低電平）與物理總線相連.對(duì)于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，則由全球定位系統(tǒng)（GPS）終端采用通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)（GPRS）實(shí)現(xiàn)傳輸.GPS終端采用無(wú)線的方式上傳和接收遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)中心的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)中心和工程機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.系統(tǒng)采用的傳輸方案如圖1所示.

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案

系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，各子系統(tǒng)及其使用者根據(jù)權(quán)限調(diào)用所需數(shù)據(jù).為防止數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的同時(shí)，在備份數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中存儲(chǔ).

（4）地理位置信息采集方案

工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)GPS和GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械產(chǎn)品實(shí)時(shí)采集工程機(jī)械產(chǎn)品的地理位置信息.

（5）故障智能化處理

系統(tǒng)通過(guò)建立工程機(jī)械故障的基本形式、故障原因和故障處理方法的關(guān)系，形成故障處理的基本模式，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械故障的智能化處理.

（6）各子系統(tǒng)的集成方案

系統(tǒng)按照功能劃分模塊，各子系統(tǒng)獨(dú)立開(kāi)發(fā)，子系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)的傳遞和調(diào)用實(shí)現(xiàn)集成.在子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，規(guī)定各子系統(tǒng)采用統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言（C＃）；通過(guò)建立一個(gè)統(tǒng)一的監(jiān)控中心（平臺(tái)），保證各子系統(tǒng)的互操作性.

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案Fig.1 Data transmission scheme of the monitoring system

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)首先需要對(duì)信息進(jìn)行采集，將采集的信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，再由遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示，同時(shí)操作人員可以對(duì)系統(tǒng)操作.系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)需要信息采集技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、中間件技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)以及一些公共技術(shù)的支持，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用的三層架構(gòu)為基礎(chǔ).基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示.

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)感知層的傳感器、二維碼、射頻識(shí)別標(biāo)簽等實(shí)現(xiàn)信息的采集，采集的信息使用網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行傳輸，在應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理都是在公共技術(shù)的支持下完成.

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)Fig.2 Framework of the monitoring system

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的三層架構(gòu)和功能要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三層：應(yīng)用層、功能層和技術(shù)層.應(yīng)用層用以實(shí)現(xiàn)制造、售后、產(chǎn)品、物流、現(xiàn)場(chǎng)管理等領(lǐng)域的監(jiān)控，功能層是監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用后實(shí)現(xiàn)的功能，技術(shù)層則是為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)所做的技術(shù)開(kāi)發(fā).實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械全面監(jiān)控所開(kāi)發(fā)的監(jiān)控子系統(tǒng)主要有：制造過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)、物流管理監(jiān)控系統(tǒng)、工程機(jī)械監(jiān)控RFID應(yīng)用系統(tǒng)、工程機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)、工程機(jī)械狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機(jī)械系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the monitoring system

4 結(jié)語(yǔ)

制造物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是目前先進(jìn)制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，本文作者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工程機(jī)械監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探索，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的功能，并對(duì)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，進(jìn)而提出了系統(tǒng)的架構(gòu)和體系結(jié)構(gòu).本研究將為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)建立基礎(chǔ).

［1］中經(jīng)網(wǎng)數(shù)據(jù)有限公司.中國(guó)工程機(jī)械行業(yè)分析報(bào)告（2012年）［EB／OL］.［2014－03－06］.http：／／www.doc88.com／p－8701692967303.html.China Economic Information Network Data Limited Company.China construction machinery industry analysis reports－2012［EB／OL］.［2014－03－06］.http：／／www.doc88.com／p－8701692967303.html.

［2］王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009，23（12）：1－7.WANG Baoyun.Review on internet of things［J］.Journal of Electronic Measurement and Instrument，2009，23（12）：1－7.

［3］劉強(qiáng)，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2010，37（6）：1－4.LIU Qiang，CUI Li，CHEN Haiming.Key technologies and applications of Internet of Things［J］.Computer Science，2010，37（6）：1－4.

［4］劉志峰，張宏海.基于RFID技術(shù)的EPC全球網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005，25（S1）：14－15.LIU Zhifeng，ZHANG Honghai.Construction of EPC global net based on RFID［J］.Computer Applications，2005，25（S1）：14－15.

［5］陳秀生.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機(jī)械智能化監(jiān)控系統(tǒng)研究［R］.上海：同濟(jì)大學(xué)／山推工程機(jī)械股份有限公司博士后研究工作報(bào)告，2013.CHEN Xiusheng.Study on the intelligent monitoring system of construction machinery based on internet of things［R］.Shanghai：Tongji University／Shantui Construction Machinery Limited Company Post Doctoral Research Report，2013.