嵌入式工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

白云龍 楊開欣 郭謹(jǐn)瑋 董海博 陳曉韋

摘? ?要：文章主要研究了工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的4層模型進(jìn)行解析的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體構(gòu)架，并完成了嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控器軟件及功能的設(shè)計(jì)，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

關(guān)鍵詞：嵌入式;遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng);工程機(jī)械監(jiān)控器

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一，傳統(tǒng)工程機(jī)械改造通過應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)逐漸受到國(guó)內(nèi)外行業(yè)的重視，同PC機(jī)上的軟件開發(fā)不同，嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)與硬件密切相關(guān)，通過ARM ADS軟件開發(fā)環(huán)境，以目標(biāo)機(jī)—主機(jī)形式完成系統(tǒng)調(diào)試，嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)時(shí)可利用的資源有限，通常使用串口、總線接口或液晶屏等完成輸入、輸出顯示，開發(fā)時(shí)更需具有針對(duì)性。

1? ? 嵌入式工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由4個(gè)層次組成，即遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、工程機(jī)械控制器、監(jiān)控器及全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），該系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，通過對(duì)新技術(shù)的充分運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控施工機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)及施工進(jìn)度的功能，采用通信技術(shù)將檢測(cè)結(jié)果傳遞至監(jiān)控中心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和整合工作，實(shí)現(xiàn)信息的反饋，且監(jiān)控中心的專家可遠(yuǎn)程指導(dǎo)具體工作[1]。

2? ? 監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵模塊功能

2.1? 工程機(jī)械控制器

工程機(jī)械控制器部分主要由能夠進(jìn)行獨(dú)立控制的各控制系統(tǒng)構(gòu)成，在實(shí)現(xiàn)控制功能時(shí)，不同系統(tǒng)間根據(jù)實(shí)際需要可相互協(xié)調(diào)工作、相互配合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，并同時(shí)由上層監(jiān)控系統(tǒng)控制。

2.1.1? 安全監(jiān)控系統(tǒng)

本文將嵌入式微處理器引入到安全監(jiān)控系統(tǒng)中，安全監(jiān)控系統(tǒng)作為系統(tǒng)的核心部分，對(duì)工程機(jī)械現(xiàn)狀的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)（如起重機(jī)吊臂長(zhǎng)度、壓力等）通過傳感器進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)，完成模擬和計(jì)算采集的數(shù)據(jù)，如起重機(jī)起吊重物的質(zhì)量通過傳感器獲取后同額定所吊重物質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，據(jù)此完成智能控制，安全監(jiān)控系統(tǒng)若發(fā)現(xiàn)有超負(fù)荷工作情況出現(xiàn)，則對(duì)故障進(jìn)行診斷然后給出應(yīng)急措施，及時(shí)實(shí)現(xiàn)控制過程。

2.1.2? 電液比例控制

控制工程中的電子技術(shù)和工程控制設(shè)備間，電液比例控制技術(shù)已成為兩者的橋梁，具備節(jié)能、穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)的電液比例控制系統(tǒng)在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在本文系統(tǒng)中，電液比例控制系統(tǒng)同中間層的連接通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線實(shí)現(xiàn)，完成數(shù)據(jù)的交換、故障的診斷及動(dòng)作的控制等，例如計(jì)算機(jī)電液比例控制系統(tǒng)在起重機(jī)中的應(yīng)用，可接收和分析手柄輸入的電信號(hào)，依據(jù)分析結(jié)果控制起重機(jī)吊臂，從而做出各種動(dòng)作[2]。

2.1.3? 電子節(jié)能控制系統(tǒng)

電子節(jié)能控制系統(tǒng)在滿足生產(chǎn)要求的基礎(chǔ)上做到盡可能地節(jié)約能源，主要可實(shí)現(xiàn)控制工況節(jié)能、短期超載、自動(dòng)怠速及溢流等，需以一定前提為依據(jù)，在液壓系統(tǒng)的作用下，實(shí)際工作狀態(tài)的分析依據(jù)系統(tǒng)判斷信號(hào)（系統(tǒng)中的壓力）完成，嵌入式微處理器在此基礎(chǔ)上完成工程機(jī)械的處理，控制發(fā)動(dòng)機(jī)以確保機(jī)械能夠科學(xué)、準(zhǔn)確運(yùn)行。

2.1.4? 發(fā)動(dòng)機(jī)ECU系統(tǒng)

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展與完善，對(duì)電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）功能提出了更高的要求（如信息處理量及處理速度），該系統(tǒng)主要由ECU和傳感器構(gòu)成，其功能在于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行最大限度的改善，并減少汽車尾氣中有害物質(zhì)的排放量。對(duì)機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性實(shí)現(xiàn)最大程度的提高，針對(duì)現(xiàn)階段工程中的機(jī)械設(shè)備多使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU系統(tǒng)主要對(duì)燃油定量和噴油定時(shí)進(jìn)行控制，傳感器完成相關(guān)信息的檢測(cè)后，將信息傳輸?shù)诫娮涌刂茊卧獔?zhí)行相應(yīng)處理，然后通過執(zhí)行器將處理后的信息傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)完成相應(yīng)動(dòng)作。

2.2? 工程機(jī)械監(jiān)控器和GPS系統(tǒng)

工程機(jī)械監(jiān)控器和GPS系統(tǒng)處于監(jiān)控系統(tǒng)的中間層，承接上下層系統(tǒng)的功能。監(jiān)控器的功能通過人機(jī)交互裝置實(shí)現(xiàn)（主要利用機(jī)載前端主機(jī)），通過中間層系統(tǒng)工程機(jī)械GPS系統(tǒng)采用無線傳輸技術(shù)完成對(duì)底層控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而可以做到系統(tǒng)故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和報(bào)警，使監(jiān)控與維護(hù)等功能在控制中心就可完成，對(duì)于特殊故障狀況控制中心可通過指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作人員完成。

2.2.1? 工程機(jī)械監(jiān)控器

處于整個(gè)系統(tǒng)中間層的工程機(jī)械監(jiān)控器，同樣需承接上下層系統(tǒng)的功能，前端與底層的控制系統(tǒng)的連接主要通過CAN總線實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而通過采集工程機(jī)械實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)完成故障的發(fā)現(xiàn)及診斷，發(fā)出故障報(bào)警信息，機(jī)載前端控制系統(tǒng)功能（包括數(shù)據(jù)處理和采集作業(yè)狀態(tài)信息等功能）主要由嵌入式微處理器完成，8位和16位的嵌入式微處理器難以滿足目前工程機(jī)械監(jiān)控的要求，本文選用了32位嵌入式微處理器（基于ARM）[3]。

2.2.2? 工程機(jī)械GPS定位系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械地理位置信息的準(zhǔn)確獲取，將GPS技術(shù)引入到了嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)中，采用串口連接的方式完成GPS模塊在系統(tǒng)中的嵌入，采用NMEA0183 ASC II碼完成傳遞至串口處理程序進(jìn)行信息處理和解讀，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的獲取，從而實(shí)現(xiàn)和控制中心的遠(yuǎn)程通信。

2.3? 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

作為整個(gè)監(jiān)控器系統(tǒng)的核心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以將各種信息（制造廠、設(shè)計(jì)單位及不同地點(diǎn)）有機(jī)集合起來，以確保能夠全面處理信息并有效利用資源，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心合理調(diào)度工程機(jī)械機(jī)群，從而使整個(gè)工程機(jī)械的作業(yè)效率得以提高。

3? ? 軟件功能設(shè)計(jì)

3.1? 系統(tǒng)主函數(shù)

采用4×4鍵盤及掃描程序，由于監(jiān)控器外圍設(shè)備（主要是串行口設(shè)備）較多，需要監(jiān)控器和設(shè)備相互發(fā)/收信息，本文通過串行口掃描程序掃描各串行口，并完成了專門的棧存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的設(shè)立。

3.2? 軟件功能

3.2.1? 基本界面顯示

界面上全部信息的顯示才能確?？刂乒δ艿挠行?shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采230×125的LCD顯示器，內(nèi)容分別在3部分顯示：系統(tǒng)指令、信息區(qū)，狀態(tài)參數(shù)區(qū)，故障報(bào)警區(qū)。

3.2.2? GPS數(shù)據(jù)處理和下位機(jī)信息的接收

監(jiān)控器接收GPS模塊定時(shí)發(fā)送的信息（采用ASCII碼協(xié)議，每秒向監(jiān)控器發(fā)送字符串），主要包括終端的經(jīng)緯度、速度等信息，系統(tǒng)的串行口掃描程序處于連續(xù)掃描的工作狀態(tài)，接收字符時(shí)串行口需調(diào)用GPS數(shù)據(jù)處理程序，在數(shù)組里存儲(chǔ)串行口（串行口采用查詢方式）所接收的數(shù)據(jù)，經(jīng)GSM處理程序提取后發(fā)送出去，每接收一個(gè)字符提取一次。

通過下位監(jiān)控器系統(tǒng)各傳感器完成系統(tǒng)狀態(tài)信息的采集，通過統(tǒng)一協(xié)議格式的制定，下位監(jiān)控器信息的讀取可通過串行口完成，然后將整理后的信息傳輸給監(jiān)控器。

3.2.3? 數(shù)據(jù)處理與故障處理

以下位監(jiān)控器傳輸來的信息為依據(jù)，完成系統(tǒng)所需參量的計(jì)算，同時(shí)將需發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至特定數(shù)組中，如通過左/右輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度完成機(jī)體速度的計(jì)算及在速度數(shù)組中的儲(chǔ)存。

系統(tǒng)故障的實(shí)時(shí)顯示及記入故障數(shù)組由故障處理環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)完成，并發(fā)送至管理中心，可分為監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)故障和自動(dòng)故障（通過下位監(jiān)控器信息數(shù)組的讀取完成相應(yīng)判斷）、人工故障和停機(jī)時(shí)間輸入（通過鍵盤完成輸入，同時(shí)在數(shù)組中寫入信息，以短消息的形式發(fā)送出去）。

4? ? 結(jié)語

控制器作為智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，隨著嵌入式技術(shù)逐漸應(yīng)用在傳統(tǒng)工業(yè)中，本文主要研究了工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，完成了嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的4層模型進(jìn)行解析的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體構(gòu)架，并完成了嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控器軟件及功能的設(shè)計(jì)，本文以32位處理器作為核心，利用傳感器、信息及通信及GPS等高科技手段實(shí)現(xiàn)嵌入式工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

[參考文獻(xiàn)]

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Abstract：This paper mainly studies the remote monitoring system of construction machinery， on the basis of analyzing the four-layer model of the monitoring system， the overall framework of the system is introduced in detail， the software and function of the embedded construction machinery monitor are designed， and then realize the function of remote monitoring better.

Key words：embedded; remote monitoring system; construction machinery monitor