叉車遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李明

Abstract： Forklift is an important construction machinery， used for loading， unloading and stacking of goods to meet the needs of short-distance transportation. The operation of the forklift directly affects the life safety of the operators. If the forklift is overturned and easy to cause safety accidents， the forklift needs to be operated. The situation is monitored in real time and effective preventive measures are taken. This article first analyzes the requirements of the forklift remote monitoring system， and conducts an in-depth discussion on the overall scheme design， vehicle control system design， network transmission module design， and remote monitoring platform design for reference by relevant personnel.

關鍵詞： 叉車;監(jiān)控系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集與處理;物聯(lián)網(wǎng)

Key words： forklift;monitoring system;data acquisition and processing;Internet of Things

中圖分類號：TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0227-03

0 ?引言

工程機械產品可靠性直接影響市場競爭力，而叉車產品對可靠性、安全性有著更高的要求。需要叉車遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集準確性和可靠性、高穩(wěn)性、實時性、平臺易用性，可用于對強化試驗結果的判斷，保證遠程監(jiān)控系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行，實時查看叉車運行情況，系統(tǒng)界面設計符合工作人員使用習慣，可根據(jù)需要對保養(yǎng)信息、特殊停機信息等進行實時錄入，將數(shù)據(jù)信息和運行參數(shù)以圖像或表格方式展示出來。

1 ?叉車遠程監(jiān)控系統(tǒng)需求分析

叉車遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要具備準確性、可靠性，可以采集叉車整機運行情況，識別叉車是否滿足運行要求，起重量、行駛速度是否超限，駕駛人員是否按照規(guī)定打開或關閉轉向燈，能否按操作規(guī)程要求運輸載荷并輸送至指定高度，運行至坡道位置時是否進行停車制動。還要求具備高穩(wěn)定性，確保監(jiān)控系統(tǒng)可靠運行，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。要求監(jiān)控系統(tǒng)具備較強實時性，可以遠程查看叉車運行狀態(tài)，根據(jù)要求對叉車進行監(jiān)控。較強的平臺易用性，要求平臺人機界面設計應該符合工作人員使用習慣，具良好的交互性。具備較好的通用性、靈活性，監(jiān)控平臺可以根據(jù)使用需要進行移植，可應用到其它工程機械中，可以遠程對數(shù)據(jù)信息進行調用，查看故障信息、保養(yǎng)信息、停機原因等，也可以將運行信息建立表格打印出紙質報表。監(jiān)控系統(tǒng)應該功能完善，遠程監(jiān)控平臺可以對叉車實際運行情況進行查看，還可以將采集到的信息進行存儲和分析，通過圖表方式將數(shù)據(jù)以更為直觀的方式展示出來。

2 ?叉車遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設計

叉車遠程監(jiān)控系統(tǒng)收車載控制系統(tǒng)、GPRS網(wǎng)絡、服務器和監(jiān)控終端構成，車載系統(tǒng)采用STM32芯片和傳感檢測模塊進行開發(fā)，是遠程監(jiān)控系統(tǒng)底層，對叉車運行數(shù)據(jù)信息進行處理，網(wǎng)關模塊將車載系統(tǒng)與遠程平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，將多臺叉車運行信息通過網(wǎng)絡傳送至遠程監(jiān)控平臺，平臺是針對用戶進行研發(fā)，將上傳數(shù)據(jù)信息進行存儲、統(tǒng)計和分析，通過人機界面顯示出來。系統(tǒng)采用瀏覽器/服務器模式，瀏覽器作為用戶與監(jiān)控平臺交互渠道，采用JavaScript進行開發(fā)，可實現(xiàn)監(jiān)控、錄入、導出和歷史回放等功能。

3 ?車載控制系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)采集和處理作為車載控制系統(tǒng)的主要功能，是由網(wǎng)絡中繼模塊、電源模塊、傾斜檢測模塊、角度檢測模塊、發(fā)動機狀態(tài)、上位機等構成。網(wǎng)絡中繼模塊是由多個傳感器模塊構成，采用ATmega8芯片及外圍電路構成，可對轉向燈、手剎、負載等信息進行采集，定義數(shù)據(jù)位功能和數(shù)據(jù)格式，對采集到信號處理后通過RS485端口給數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，中繼模塊與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)間以主控詢問方式實現(xiàn)通訊，先發(fā)給網(wǎng)絡中繼盒地址碼、功能碼等5個字節(jié)，中繼回復地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)長度等7字節(jié)信息，可以將叉車運行狀態(tài)、發(fā)動機轉速等傳給主控。

數(shù)據(jù)采集與處理模塊采用STM32芯片，可以與上位機、電源管理模塊、語音播報模塊等進行數(shù)據(jù)交互，將數(shù)據(jù)信息以Modbus協(xié)議通過網(wǎng)關進行上傳，遠程監(jiān)控平臺對數(shù)據(jù)進行實時顯示與存儲。上位機采用17寸觸摸屏，通過USB接口與STM32芯片進行通訊，工作人員可以在觸摸屏中輸入車輛識別碼進行匹配，在空載、滿載情況下對叉車輪距進行校準，界面中將叉車運行速度、方向、位置等信息進行實時顯示。電源模塊可對系統(tǒng)電源進行管理，避免叉車電壓和系統(tǒng)電壓出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

4 ?網(wǎng)絡傳輸模塊的設計

遠程監(jiān)控系統(tǒng)離不開穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡傳輸模塊，可將通訊網(wǎng)絡與車載控制系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡進行融合，確保底層傳感數(shù)據(jù)可以進行互聯(lián)。監(jiān)控平臺需要將叉車運行軌跡進行實時描述，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求0.1s上傳一次數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)信息量大，當前網(wǎng)絡傳輸速度還達不到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸要求，存在的網(wǎng)絡延遲問題需要采用更為高效、簡潔的通信協(xié)議。

4.1 MQTT協(xié)議

為了將所有聯(lián)網(wǎng)設備與外設進行連接，可以采用MQTT協(xié)議。該協(xié)議是一種廣泛用于傳感器與驅動器數(shù)據(jù)交互，已經成為物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議重要構成部分，是輕量級發(fā)布/傳輸協(xié)議，架構在TCP協(xié)議以上，為應用層協(xié)議，有客戶端、代理端，客戶端相互間不可以進行數(shù)據(jù)傳輸，需要由某客戶端向代理端發(fā)出標識消息，代理端進行回復且將獲取到數(shù)據(jù)信息推送至同樣消息標識客戶端。從本質上來看，是一種異步通信方式，可以減小消息發(fā)布者與訂閱者的耦合度，也就是不需要得到準確IP地址及端口號，不需要同時在線，進行數(shù)據(jù)通訊時應用異步回調機制，可以滿足靈活多變的物聯(lián)網(wǎng)領域，由協(xié)議實現(xiàn)交換最小化，可以有效減少網(wǎng)絡流量。

該協(xié)議控制報文由固定報頭、可變報頭、有效載荷等構成，分配給固定報頭2字節(jié)，Message字節(jié)可以設置14種消息傳輸類型，Qos設置有三種級別，進行數(shù)據(jù)傳輸時，系統(tǒng)會隨著級別的提升而增加負荷。可變報頭與有效載荷長度最大可達到256MB，比HTTP協(xié)議有著更小的流量開銷，同時，在進行報文傳遞時會對有效載荷載進行屏蔽，這樣就可以兼容所有數(shù)據(jù)類型，可更好地應用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中。

4.2 網(wǎng)絡傳輸模塊的選取

由于MQTT協(xié)議具有很好的優(yōu)越性能，網(wǎng)關傳輸模塊可以采用Modbus轉MQTT網(wǎng)關，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理模塊相互間通過RS485接口進行交互，網(wǎng)關采用GPRS模塊、4G/LTE模塊、WIFI模塊等，可采用不同方式進行數(shù)據(jù)信息的傳送。數(shù)據(jù)采集與處理模塊將RS485端口定義為采用Modbus協(xié)議，數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)關對安裝于服務器端MQTT代理模塊發(fā)送叉車實時運行信息、發(fā)動機信息等，服務器端向MQTT代理模塊獲取叉車相關信息，并向車載控制系統(tǒng)、遠程監(jiān)控平臺發(fā)送數(shù)據(jù)。

5 ?遠程監(jiān)控平臺設計

5.1 核心技術

Node Js作為將Chrome瀏覽器作為基礎，采用JavaScript建立起可以滿足網(wǎng)絡服務和應用的環(huán)境。該技術可以實現(xiàn)單線程、時間循環(huán)，很多API都以事件、異步編程作為基礎，可以結合開發(fā)需要注冊回調函數(shù)，依次放進時間循環(huán)隊列，如果受到事件觸發(fā)可以從隊列中取出進行回調。代碼可以采用無阻塞方式來執(zhí)行，確保系統(tǒng)資源可以得到更好地利用。在叉車遠程監(jiān)控平臺每個模塊實現(xiàn)方面，例如，對叉車信息進行修改，獲取叉車場地信息等場景接口，均采用Node Js來實現(xiàn)。

Express框架為當前針對Node Js二次封裝高效框架，已經在很多系統(tǒng)開發(fā)中得到應用，由于具備諸多特性可以進行快速開發(fā)，該框架具有很靈活的擴展機制，應用更為簡便，支持路由、多模塊，具體的特性有：①高效率開發(fā)。針對Node Js進行二次封裝，Express可以為其提供更多技術成熟的接口，研發(fā)人員不必進行底層開發(fā)即可以采用接口函數(shù)，有著更好的開發(fā)效率。②擴展機制完善。利用自身具備的擴展機制來引入、兼容其它功能模塊，可以減少研發(fā)人員工作量。③易操作性。搭建功能模塊更為簡易，通過調用函數(shù)、賦值等操作即可實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)庫是將數(shù)據(jù)信息根據(jù)特定規(guī)則進行排列，為帶有共享性的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫集成在計算機內，通過遵守特定規(guī)則數(shù)據(jù)組織用于對數(shù)據(jù)信息進行長期存儲，通過特定語法來對數(shù)據(jù)信息進行增添、刪減、修改、查找等操作，對數(shù)據(jù)庫內信息進行控制。叉車遠程監(jiān)控平臺，通過數(shù)據(jù)庫對采集到的數(shù)據(jù)信息進行長期存儲，便于管理人員進行查詢。遠程監(jiān)控平臺采用Sql數(shù)據(jù)庫技術，按照叉車遠程監(jiān)控需要，劃分為車輛基礎信息、運行信息和錄入信息三部分，按照每個數(shù)據(jù)庫不同范圍，結合實際要求為每個數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建系列表，叉車場地信息表主鍵、項目編號、場地名稱和編號、負責人姓名等信息均可由表進行創(chuàng)建。

5.2 平臺系統(tǒng)架構

遠程監(jiān)控平臺邏輯與頁面采和JavaScript、HTML等多種技術來實現(xiàn)，以BOOSTRAP框架實現(xiàn)頁面靜態(tài)效果，通過CSS對頁面進行排版，利用Jquery庫技術用于頁面與人員交互。后臺模塊接口應用Node Js及Express來為系統(tǒng)提供框架，可以實現(xiàn)對監(jiān)控項的增刪操作，將數(shù)據(jù)信息與數(shù)據(jù)庫進行關聯(lián)，做到數(shù)據(jù)庫的動態(tài)存儲。

5.3 功能模塊設計

用戶管理模塊基于WEB技術，可以在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內存儲海量數(shù)據(jù)，通過監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，但需要保證數(shù)據(jù)信息的安全性，給予不足用戶不同的權限，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息操作權限的管理。用戶認證為最外層安全保護，沒有進行注冊和審核的人員無限登陸、操作，進入系統(tǒng)要進行身份驗證，成功后分配給不同使用權限。新人員進行注冊時需要提交用戶名、密碼、性別、部門等信息，可以實現(xiàn)對用戶的有效管理，管理員可以對無效用戶進行刪除操作。

故障數(shù)據(jù)管理模塊可用于叉車故障信息管理，遠程客戶端數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳至后臺處理和加工，按照數(shù)據(jù)類型存入數(shù)據(jù)庫對應表內。錄入子模塊將叉車編號、故障時期、故障部位與類型、故障模式、現(xiàn)象和原因等提交數(shù)據(jù)庫保存，對故障時間進行計算方可以存入數(shù)據(jù)表內，這是因為數(shù)據(jù)采集時減少工作量，沒有對故障時間進行計算，需要通過錄入子模塊完成。數(shù)據(jù)修改子模塊，可以對錄入數(shù)據(jù)的錯誤進行糾正，減小由于錯誤引起的分析誤差。查詢子模塊可以對輸入數(shù)據(jù)進行查詢和瀏覽，數(shù)據(jù)庫內的信息比較全面，而對于用戶需求信息，只有調用查詢模塊才能進行有條件查詢，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢的便利。

可靠性模塊可對整機和系統(tǒng)進行分析，有利于了解設備壽命規(guī)律，預測故障時間間隔和運行情況。采用最小二乘法對指數(shù)分布、威布爾分布進行擬合處理，對監(jiān)測到數(shù)據(jù)信息進行處理，叉車壽命周期參數(shù)進行預測，將可靠性故障數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，建立起故障函數(shù)擬合圖，確定出壽命臨界值為12000h，約為8年使用時間。統(tǒng)計分析模塊可能故障部位、模式和類型進行分析，深入分析叉車故障運行情況，查找出故障模式和原因。故障部位分析用于確定故障多發(fā)點，對故障部位進行合理劃分，根據(jù)叉車特點和監(jiān)測到故障數(shù)據(jù)進行研究，故障部分發(fā)生概率從高到低分別為液壓件、電氣件、附件、傳動件、轉向件、車身、制動件和工作裝置。故障模式統(tǒng)計根據(jù)失效模式來確定，根據(jù)叉車具體工作情況和故障模式劃分相關規(guī)定，對故障模式進行編碼并劃分不同類型，故障模式為滲漏、部件失靈、元件斷裂和松脫。滲漏模式下液壓油、冷卻液滲漏，失靈是對故障數(shù)據(jù)描述不清，需要對故障屬性進行準確記錄。故障類型統(tǒng)計可以降低或杜絕危害性故障，減小故障發(fā)生頻率，根據(jù)故障嚴重性將叉車故障劃分為嚴重、重大、一般和輕微四個等級，統(tǒng)計不同類型故障出現(xiàn)概率。

5.4 實現(xiàn)結果

建立起叉車遠程監(jiān)控系統(tǒng)平臺以后，平臺通過瀏覽器即可以獲取到服務器端實時數(shù)據(jù)信息，并對叉車實際運行情況和軌跡進行動態(tài)展示。通過采集到叉車運行狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)分析，建立起故障率函數(shù)，讓管理人員了解故障部分和故障模式分布，可以對叉車壽命進行預測，針對故障和安全隱患制定切實可行的應對措施，可以為叉車管理提供參考。

6 ?結語

綜上所述，研發(fā)叉車遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采用諸多關鍵技術搭建起監(jiān)控平臺，應用B/S架構模式，采用JavaScript技術以瀏覽器作為用戶與監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)交互窗口，工作人員可以通過人機界面對數(shù)據(jù)信息進行監(jiān)控、錄入、導出和數(shù)據(jù)回放等操作，也可以對違規(guī)操作進行預警，避免叉車運行時出現(xiàn)安全事故，實現(xiàn)對叉車的智能化管理，了解叉車具體運行狀態(tài)和故障情況，預測叉車使用壽命，提高叉車操作時的安全性、可靠性。這種基于物聯(lián)網(wǎng)傳感的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以推廣到其它工程機械，為不同類型機械車輛遠程監(jiān)控平臺創(chuàng)建提供技術支持。

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