嵌入式工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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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，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ARMADS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)（GlobalPositioningSystem，GPS），通過對新技術(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)（ControllerAreaNetwork，CAN）總線實(shí)現(xiàn)，完成數(shù)據(jù)的交換、故障的診斷及動作的控制等，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，依據(jù)分析結(jié)果控制起重機(jī)吊臂，從而做出各種動作[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（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)動機(jī)ECU系統(tǒng)

隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展與完善，對電子控制單元（ElectronicControlUnit，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，其功能在于對發(fā)動機(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。對機(jī)械發(fā)動機(jī)的動力性實(shí)現(xiàn)最大程度的提高，針對現(xiàn)階段工程中的機(jī)械設(shè)備多使用柴油發(fā)動機(jī)的現(xiàn)象，發(fā)動機(jī)ECU系統(tǒng)主要對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)動機(jī)完成相應(yīng)動作。

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，對于特殊故障狀況控制中心可通過指導(dǎo)現(xiàn)場工作人員完成。

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NMEA0183ASCII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保控制功能的有效實(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)。

3.2.2GPS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)存儲至特定數(shù)組中，如通過左/右輪轉(zhuǎn)動的速度完成機(jī)體速度的計(jì)算及在速度數(shù)組中的儲存。

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)測計(jì)算機(jī)故障和自動故障（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)：

[1]潘曉貝.嵌入式技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（1）：122-124.

[2]張帆.混合動力工程機(jī)械動力系統(tǒng)的構(gòu)成理論現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2017（5）：104-105.

[3]黃祎.野外通訊監(jiān)控器設(shè)計(jì)[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2015（5）：36-37.

作者：白云龍 楊開欣 郭謹(jǐn)瑋 董海博 陳曉韋 單位：天津卡達(dá)克數(shù)據(jù)有限公司