基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)械裝備智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 嵐，楊雪松，戴 蒙

（1. 武漢鐵盾民防工程有限公司，湖北 武漢 430065；2. 解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007）

0 引言

機(jī)械裝備尤其是各種工程車輛在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理是十分重要的。由于裝備和車輛運(yùn)行過程中與管理中心的信息交互比較困難，運(yùn)行過程中存在較強(qiáng)的干擾信號(hào)，如裝備自身的振動(dòng)、道路的路況影響、外界電磁場(chǎng)的干擾和裝備自身各種干擾信號(hào)的存在等，導(dǎo)致裝備運(yùn)行參數(shù)的采集、傳輸和存儲(chǔ)等存在較大的困難。隨著現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，目前已經(jīng)能夠較好地解決機(jī)械裝備運(yùn)行參數(shù)和車輛運(yùn)行狀態(tài)信息的采集與交互等，為機(jī)械裝備的智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用提供了強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)。

物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳輸設(shè)備，如射頻識(shí)別（RFID） 裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、家用電器、安防設(shè)備等，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，讓所有物品與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，方便識(shí)別、管理和監(jiān)控，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)融合的應(yīng)用，最終為人們提供無(wú)所不在的全方位服務(wù)[1]。

物聯(lián)網(wǎng)在體系架構(gòu)上可分為三個(gè)層次： 一是傳感網(wǎng)絡(luò)，即以傳感器、RFID 以及各種機(jī)器終端為主；二是傳輸網(wǎng)絡(luò)，即通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與計(jì)算；三是應(yīng)用，即利用終端作為信息采集設(shè)備帶來(lái)的信息，或利用終端作為執(zhí)行部件可執(zhí)行的動(dòng)作，構(gòu)造服務(wù)于人類的應(yīng)用與服務(wù)[2]。

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)層次和車輛管理系統(tǒng)的需求分析，本文采用了先進(jìn)的嵌入式操作系統(tǒng)、GPS 和GPRS 應(yīng)用技術(shù)等，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)械裝備智能監(jiān)控系統(tǒng)，解決了車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和管理控制的難題，極大地提高了機(jī)械裝備和車輛的運(yùn)營(yíng)效率。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)層次如圖1 所示。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hierarchical structure of the intelligent monitoring system

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)的構(gòu)成

機(jī)械裝備車輛如推土機(jī)各部位（柴油機(jī)、變速箱、變矩器、油路、氣路等）的工作參數(shù)，包括溫度、壓力、電壓、液位、轉(zhuǎn)速和車速等，通過安裝在各部位的傳感器把物理量轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，經(jīng)過前置放大器轉(zhuǎn)換成電壓量，輸入到監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)端口。監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元采集到這些參數(shù)后，通過USB 總線將信號(hào)輸入到主控板內(nèi)，由微處理器再對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，輸出相應(yīng)的圖形和數(shù)值信號(hào)至液晶屏，實(shí)施顯示和報(bào)警，并將異常數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備中。監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)包括LPC2478 核心板、電流激勵(lì)模塊、多路開關(guān)矩陣、LCD 液晶屏驅(qū)動(dòng)電路、USB 總結(jié)接口、信號(hào)調(diào)理裝置、SD 卡、FLASH 存儲(chǔ)單元、GPS 模塊、GPRS 模塊、以太網(wǎng)接口電路和視頻信號(hào)接口電路等組成。其硬件框架如圖2 所示。

圖2 硬件組成框圖Fig.2 Hardware blockdiagram

硬件部分的LPC2478 ARM 微控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)軍用工程車輛參數(shù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理、數(shù)據(jù)的輸入、輸出和工程機(jī)械工況參數(shù)的監(jiān)控、報(bào)警、管理與存儲(chǔ)，報(bào)警閾值的設(shè)定等。系統(tǒng)具有較強(qiáng)的工作溫度范圍、抗電磁干擾特性和可靠性，保證了軍用工程車輛參數(shù)的可靠采集與處理。

1.2 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）微控制器的選型。嵌入式微處理芯片LPC2478 是智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心，該芯片是32 位基于ARM 核心的帶閃存、USB、CAN 的微控制器7 個(gè)16 位定時(shí)器、2 個(gè)ADC 、9 個(gè)通信接口的增強(qiáng)性ARM 系列嵌入式微電腦單片機(jī)。該單片機(jī)使用高性能的ARM Cortex-M3 32 位的RISC 內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)128K 字節(jié)的閃存和20K 字節(jié)的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O 端口和聯(lián)接到兩條APB 總線的外設(shè)。該單片機(jī)內(nèi)置獨(dú)立的看門狗電路，在系統(tǒng)崩潰時(shí)使單片機(jī)復(fù)位。同時(shí)在軟件編程中也設(shè)置了看門狗，充分保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

（2）大容量緩沖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)。信號(hào)采集系統(tǒng)上擴(kuò)展有外部SD-MMC 存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量為2GB。數(shù)據(jù)采集卡在工作過程中，采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可由系統(tǒng)軟件控制是否存儲(chǔ)。這樣在數(shù)據(jù)系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障時(shí)，可以保存緩沖數(shù)據(jù)，供系統(tǒng)恢復(fù)后使用。

MMC 是一種小巧大容量的快閃存儲(chǔ)卡，已廣泛應(yīng)用于如手機(jī)等智能設(shè)備上。MMC 的尺寸小、質(zhì)量輕、耐沖擊，可反復(fù)讀寫記錄30 萬(wàn)次，適用于便攜式檢測(cè)儀器上。MMC 存儲(chǔ)卡具有MMC 和SPI 兩種工作模式，本項(xiàng)目選用PSI 模式，它具有能與DSP、MCU 方便連接及交換數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。采用SPI 接口方式，接口設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單： 電源供應(yīng)共有3 線，數(shù)據(jù)操作也只需3 幀的串行總線，而且可以級(jí)聯(lián)多張MMC 卡以擴(kuò)大容量。MMC 的通信頻率最大可達(dá)18 兆位/秒，數(shù)據(jù)存取速率非常高，確保數(shù)據(jù)的及時(shí)存取與現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。

（3）信號(hào)的調(diào)理與A/D 轉(zhuǎn)換。以溫度信號(hào)的調(diào)理電路為例論述信號(hào)調(diào)理的原理。工程機(jī)械工作過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水溫、變矩器油溫等溫度參數(shù)由鉑熱電阻式溫度傳感器PT100 測(cè)量得到，溫度輸入電路采用三線制接法，數(shù)據(jù)采集板上的100Ω 電阻和PT100 構(gòu)成電橋的相鄰兩臂，調(diào)理板上的R4 和R5 兩電阻構(gòu)成電橋的另兩臂。三線接法可以有效地補(bǔ)償傳感器引線電阻所引起的誤差。PT100 輸出的信號(hào)經(jīng)兩組OP07 型運(yùn)算放大器放大后，再經(jīng)雙級(jí)運(yùn)算放大器RC4558 放大并緩沖后，輸出至A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2 系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由車載終端模塊、監(jiān)控中心（數(shù)據(jù)處理模塊）、監(jiān)控中心管理客戶端以及GIS 客戶端等組成。軟件模塊框圖如圖3 所示。車載終端上運(yùn)行的終端軟件模塊主要完成終端服務(wù)的相應(yīng)功能。該進(jìn)程包括數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、GPS 模塊、消息中介模塊、NMS agent 模塊、電源管理模塊、更新模塊、拍照模塊和參數(shù)配置模塊等，這些模塊均依據(jù)核心服務(wù)模塊而運(yùn)行。圖形用戶接口（GUI）進(jìn)程的消息中介模塊主要用于通過消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)其與主進(jìn)程模塊的通信。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件框圖Fig.3 Software blockdiagram

鑒于系統(tǒng)的主要用途，設(shè)計(jì)將GIS 界面作為監(jiān)控中心的主要日常操作的人機(jī)交互界面，它主要是完成地理信息系統(tǒng)的功能外還要完成實(shí)時(shí)車載信息的顯示，對(duì)車載終端設(shè)備運(yùn)行的日常工作參數(shù)的設(shè)置等。

2.1 GPS 模塊

GPS 模塊主要用于獲取地理信息參數(shù)： 經(jīng)緯度、海拔調(diào)試；獲取時(shí)間，用于系統(tǒng)校時(shí)。并對(duì)以上數(shù)據(jù)分析處理，把處理后數(shù)據(jù)發(fā)送和保存。GPS 模塊輸入為GPS設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的GPS 信息數(shù)據(jù)。GPS 模塊輸出包括： 把GPS 信息數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心；把GPS 信息數(shù)據(jù)通過消息中介模塊發(fā)送給GUI 模塊；把GPS 相關(guān)警告信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中；把GPS 相關(guān)告警信息發(fā)送到中心。GPS 模塊的處理過程為通過一個(gè)專門的網(wǎng)絡(luò)連接接收來(lái)至GPS 設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，并通過GPS 數(shù)據(jù)解析模塊解析后做相關(guān)處理，處理后的數(shù)據(jù)包括GPS 信息數(shù)據(jù)和相關(guān)告警信息 （如行駛超速等），并把GPS 信息數(shù)據(jù)和相關(guān)告警信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心，把相關(guān)告警信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，把GPS 信息數(shù)據(jù)通過消息中介模塊發(fā)送到GUI 模塊，如圖4 所示。

2.2 通訊模塊

圖4 GPS 模塊框圖Fig.4 Blockdiagram of GPS module

圖5 通訊模塊Fig.5 Blockdiagram of communication module

通訊模塊主要實(shí)現(xiàn)和中心通訊，在系統(tǒng)中主要是基于GPRS 的，如圖5 所示。GPS 在系統(tǒng)中被抽象為一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，所以使用系統(tǒng)socket 操作即可，和一般連接操作是一樣的。系統(tǒng)初始化時(shí)需建立一個(gè)TCP 連接，并根據(jù)指定的中心IP 和中心監(jiān)聽端口號(hào)連接中心服務(wù)器，建立連接后即可和中心通訊。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的智能監(jiān)控系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠完成對(duì)機(jī)械裝備實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、監(jiān)控與管理等，提高機(jī)械裝備的運(yùn)營(yíng)和管理效率。與傳統(tǒng)的電子監(jiān)控系統(tǒng)相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高度的穩(wěn)定性、可靠性和友好的人機(jī)接口等。具有比較好的應(yīng)用前景。

[1] 彭尉. 基于GIS／GPS／GPRS 的移動(dòng)車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].大連理工大學(xué)，2005，5.

[2] 夏緒宏.基于GPS／GIS 的物流車輛跟蹤系統(tǒng)研究[D].北京郵電大學(xué)，2010，3.

[3] 郭銳.基于GIS／GPS／GPRS 的車輛監(jiān)控終端系統(tǒng)研發(fā)[D].山東大學(xué)，2008.

[4] 馬水全.GPS 車輛監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究[D].解放軍信息工程大學(xué)，2006，4.