基于Web的非開挖鉆機遠程監(jiān)控系統(tǒng)

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基于Web的非開挖鉆機遠程監(jiān)控系統(tǒng)

0引言

我國新型城鎮(zhèn)化建設的加快有效地促進了非開挖行業(yè)的發(fā)展。截止到2013年年底，國內(nèi)非開挖鉆機保有量已達13 030臺(含進口鉆機413臺)。在未來一段時間內(nèi)，城鎮(zhèn)基礎設施建設、油氣管道建設、管道修復等方面對非開挖鉆機的需求量還會持續(xù)增長[1]。非開挖鉆機施工環(huán)境比較惡劣，對企業(yè)產(chǎn)品的使用壽命和服務質量都造成極大的影響。Internet技術和集成電路的發(fā)展使得遠程控制成為可能，及時掌握鉆機工作狀況對鉆機的故障診斷[2]、售后維修等都起著重要作用。

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)由于其局限性和專用性，已不能滿足現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)管理扁平化、精細化發(fā)展的要求[3]。Web服務器發(fā)布系統(tǒng)的出現(xiàn)為監(jiān)控系統(tǒng)提供了基于瀏覽器/服務器(browser/server，B/S)的三層架構模型，形成了“瘦服務器端-胖服務器端-瘦服務器”模式[4-6]。本文以全球移動通信系統(tǒng)(global system for mobile communication，GSM)和Internet作為通信平臺，以Java Web、數(shù)據(jù)庫技術為基礎，通過8位微處理器采集鉆機數(shù)據(jù)，利用GSM技術傳送鉆機信息。Web服務器端將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫并將其解析到Web前端，當存在數(shù)據(jù)異常時后臺通過GSM發(fā)送報警短信，警告、通知鉆機所有者，從而實現(xiàn)對鉆機運行狀態(tài)監(jiān)控、故障預警等，為鉆機的安全使用提供保障。

1系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)包括現(xiàn)場監(jiān)測與控制子系統(tǒng)(簡稱信息采集終端)、數(shù)據(jù)存儲與轉發(fā)子系統(tǒng)(簡稱中間子系統(tǒng))、服務器端數(shù)據(jù)接收與命令發(fā)送子系統(tǒng)(簡稱服務器端)[7-8]三部分。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

信息采集終端安裝在非開挖鉆機上，用于采集鉆機回轉壓力、回拖壓力、泥漿泵壓力、全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)等數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到終端的GSM模塊[9]，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器端GSM接收模塊。當服務器端接收到鉆機數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存儲至鉆機數(shù)據(jù)庫，同時服務器端對鉆機數(shù)據(jù)進行處理并將其顯示在Web前端。當鉆機數(shù)據(jù)存在異常時，后臺服務器端將通過GSM端口發(fā)送報警短信，提醒鉆機所有者鉆機運行狀態(tài)異常。

圖1　系統(tǒng)結構圖

2信息采集終端設計

信息采集終端主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、鉆機控制三部分組成，原理圖如圖2所示。

圖2　硬件原理圖

2.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要完成鉆機運行參數(shù)的采集與預處理。模塊采用12C5A60S2單片機為主控芯片，其最高工作頻率達17 MHz，能夠很好地滿足間歇性采樣的需求。數(shù)據(jù)采集模塊每隔一段時間對鉆機運行參數(shù)、GPS信息進行采樣，并將傳感器采集到的模擬信號傳送至單片機。單片機通過片內(nèi)10位A/D轉換器對模擬信號進行A/D轉換，然后將鉆機數(shù)據(jù)進行打包，最后將打包后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)采集模塊工作流程圖如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)采集模塊工作流程圖

2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用芯訊通無線科技(上海)有限公司SIM900A型GSM模塊。單片機通過串口與GSM模塊進行通信，并通過AT指令對模塊進行控制。當GSM模塊接收到單片機發(fā)出的發(fā)送指令后，GSM模塊將單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包通過短信的形式發(fā)送至服務器端。數(shù)據(jù)格式如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)格式

當服務器端接收到信息采集終端傳送的數(shù)據(jù)時，Web瀏覽器下的Applet程序將對數(shù)據(jù)進行分析、處理，并向Web服務器發(fā)送HTTP請求；Applet通過Servlet對數(shù)據(jù)庫進行訪問，并將數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫[10]。

2.3鉆機控制模塊

鉆機控制主要控制鉆機的運行狀態(tài)，當鉆機所有者認為鉆機操作或運行存在異常，可通過手機短信的形式對鉆機進行遠程的關機操作，以達到保護鉆機的目的，其控制流程如圖5所示。

鉆機啟動后，系統(tǒng)對GSM模塊進行初始化。當GSM收到新短信后，單片機讀取信息并通過對信息中的關鍵字識別判斷信息是否為有效信息(控制指令)。當信息為控制指令時，單片機通過控制繼電器的斷開來關閉鉆機電源，從而關閉鉆機。

圖5　控制模塊工作流程圖

3系統(tǒng)軟件設計

3.1軟件工作流程

監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理與存儲、MySQL數(shù)據(jù)庫、Web服務和Web應用程序等組成[11]。

數(shù)據(jù)接收部分主要負責接收信息采集終端發(fā)來的鉆機數(shù)據(jù)，并在鉆機數(shù)據(jù)存在異常時發(fā)送控制指令與報警信息。數(shù)據(jù)接收部分通過Java中開源的RXTX接口實現(xiàn)串口通信，從而實現(xiàn)對GSM模塊的AT指令控制。數(shù)據(jù)處理與存儲主要是對接收到的鉆機信息進行解析，并將數(shù)據(jù)存儲至相應鉆機的數(shù)據(jù)庫表中，以用于Web前端用戶對數(shù)據(jù)的查詢。MySQL數(shù)據(jù)庫[14]為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的存儲與查詢服務，系統(tǒng)主要通過Java提供的JDBC(Java數(shù)據(jù)庫連接)技術來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的開發(fā)。Web服務是Web應用程序的一部分，用戶通過Web應用程序實現(xiàn)鉆機數(shù)據(jù)查詢、地理位置監(jiān)視、線上交流等功能。

3.2軟件功能設計

監(jiān)控軟件主要實現(xiàn)了管理員(鉆機廠商)對鉆機的系統(tǒng)化管理，也為用戶(鉆機所有者)提供了一個對鉆機進行監(jiān)控的平臺。因此，根據(jù)軟件功能需求的不同將軟件分為用戶、管理員兩種模式。用戶模式主要包括系統(tǒng)登陸、鉆機屬性查詢、鉆機維護計劃、鉆機位置監(jiān)控、在線交流、修改密碼等公共模塊，而管理員模式中則增加了鉆機歷史紀錄、鉆機實時監(jiān)控、系統(tǒng)管理功能。軟件功能設計如圖6所示。

圖6　軟件功能設計圖

Web前端[12-13]在首頁上給用戶提供了產(chǎn)品介紹、公司新聞、用戶須知、維修提醒等快捷信息，方便用戶對公司、鉆機進行詳細了解。在鉆機屬性模塊中，用戶可對自己所購買鉆機的詳細參數(shù)進行查詢。針對用戶購買鉆機類型的不同，公司提供了兩種維修計劃，方便用戶及時對鉆機進行維護保養(yǎng)。當鉆機出現(xiàn)異常時，用戶可通過在線交流與鉆機廠商進行線上交流，鉆機GPS也可以給服務人員提供詳細的鉆機位置，方便他們第一時間到達施工現(xiàn)場排除故障。同時，系統(tǒng)為管理員提供了鉆機詳細的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)與系統(tǒng)管理功能，可以對鉆機進行長時間的鉆機性能監(jiān)測與系統(tǒng)化管理。

4系統(tǒng)測試

將監(jiān)控系統(tǒng)軟件及信息采集終端安裝好后進行系統(tǒng)測試，測試的主要項目包括傳感器檢測測試、GPS定位測試、局域網(wǎng)測試、鉆機控制測試等。測試過程中，通過對所測試鉆機多次的開關機、施工操作以得到鉆機運行參數(shù)，并在Web前端的監(jiān)控軟件中查看鉆機狀態(tài)。通過多次系統(tǒng)測試得到下面幾個結果。

(1)在實時監(jiān)控系統(tǒng)中，信息采集終端對鉆機數(shù)據(jù)每隔30 s進行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器端，Web服務得到數(shù)據(jù)處理并存儲至數(shù)據(jù)庫。在Web前端調用數(shù)據(jù)庫表，可查看到接收到的鉆機數(shù)據(jù)信息，如表1所示。

表1　鉆機數(shù)據(jù)

在鉆機GPS監(jiān)測時，由于直接引用百度地圖API造成測試坐標與百度地圖實際位置存在偏差，因此在調用百度地圖時，進行了必要的坐標轉換，坐標轉換后實際位置與測試位置間偏差較小。

(2)使用路由器建立包括主機在內(nèi)的多臺電腦組成的局域網(wǎng)，對系統(tǒng)進行局域網(wǎng)測試。測試時，以主機作為服務器并獲取其IP配置，主機IPV4地址為192.168.1.101。在局域網(wǎng)內(nèi)任一臺PC機上訪問網(wǎng)址192.168.1.101:8080/mylogin/index.jsp可以登錄監(jiān)控系統(tǒng)并進行其他操作。

5結束語

本文運用Web技術實現(xiàn)了3層B/S架構下的非開挖鉆機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以對鉆機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)鉆機運行中出現(xiàn)的問題，并可以和鉆機售后人員進行線上交流，并迅速找出故障原因；同時，用戶可遠程對鉆機進行控制，以保證鉆機的安全運行。在Internet技術高速發(fā)展的今天，將Web技術運用到遠程控制方面，不僅對非開挖行業(yè)在鉆機管理、監(jiān)控和遠程故障診斷方面有重要意義，也對其他工程機械在遠程監(jiān)控方面具有借鑒意義和推廣價值。

參考文獻

[1] 顏純文.2013年非開挖行業(yè)統(tǒng)計分析[C]// 2014年非開挖技術會議論文集.中國地質學會非開挖技術專業(yè)委員會,2014:1-11.

[2] 吳曉峰,王瑞華,韓永生.遠程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)的研究與應用[J].自動化儀表,2009,30(3):22-25.

[3] 趙陽,高強.基于Web遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計實現(xiàn)[J].自動化儀表,2015,36(1):31-32,36.

[4] 查修齊,吳榮泉,高元鈞.C/S到B/S模式轉換的技術研究[J].計算機工程,2014,40(1):263-267.

[5] 邵瑛.基于Web的遠程實時監(jiān)測框架[J].計算機應用,2009,29(1):296-298.

[6] 劉寶迅,周慧娟.電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究進展[J].自動化儀表,2014,35(3):12-16.

[7] Li D,Serizawa Y,Kiuchi M.Concept design for a Web-based supervisory control and data-acquisition(SCADA) system[C]// Transmission and Distribution Conference and Exhibition 2002: Asia Pacific.IEEE/PES.IEEE,2002:32-36.

[8] 殷明.基于嵌入式Web技術的礦井遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤礦機械,2014,35(1):211-213.

[9] 黃家才,李宏勝,郭婧.嵌入式油田無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究和設計[J].自動化儀表,2011,32(11):46-48.

[10]王煒.Applet訪問數(shù)據(jù)庫的Servlet解決方案[J].科技廣場,2007(3):119-121.

[11]楊輝,劉海龍.塔式起重機遠程安全監(jiān)控管理系統(tǒng)設計[J].自動化儀表,2012,33(10):27-29.

[12]王樹森,王希杰,劉秋菊,等.嵌入式Web遠程糧情監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].自動化儀表,2013,34(10):43-47.

[13]孫鑫.JAVA Web開發(fā)詳解：XML + XLST + Servlet + JSP深入剖析與實例應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006:182-240.

[14]Ben F.MySQL必知必會[M].劉曉霞,鐘鳴,譯.北京:人民郵電出版社,2009.

《自動化儀表》郵發(fā)代號： 4-304, 2016年定價： 18.00元，全年價： 216.00元； 國外代號： M 721

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Remote Monitoring System Based on Web for Trenchless Drilling Rig

黃雷文國軍張奧東

(中國地質大學(武漢)機械與電子信息學院，湖北 武漢430074)

摘要：針對非開挖鉆機工作環(huán)境惡劣、故障率較高等現(xiàn)狀，設計了一種基于Web的非開挖鉆機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對非開挖鉆機的實時監(jiān)控。系統(tǒng)由信息采集終端和服務器端軟件組成，以8位單片機為主控芯片的信息采集終端對鉆機運行參數(shù)進行采集、發(fā)送并控制鉆機；服務器端通過Java串口通信技術將接收到的鉆機數(shù)據(jù)進行處理并存儲至MySQL數(shù)據(jù)庫,動態(tài)發(fā)布鉆機參數(shù)，實現(xiàn)對鉆機的有效監(jiān)控和系統(tǒng)性管理。現(xiàn)場運行情況表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，對其他工程機械的遠程監(jiān)控具有很好的借鑒意義。

關鍵詞：鉆機全球移動通信系統(tǒng)監(jiān)控信息采集數(shù)據(jù)處理串口通信控制軟件設計故障預警

Abstract：To solve the problems of harsh working conditions and higher failure rate that the trenchless drilling rigs have to face,the remote monitoring system based on Web for trenchless drilling rig is designed.The system consists of two parts; the information acquisition terminal and the sever software.The information acquisition terminal takes the 8- bit single chip microcomputer as the master control chip to collect and send the operating parameters of the trenchless drilling rig and control the drilling rig,Through the Java serial port communication technology,the server processes the parameters of rigs and then stores the data in MySQL database,and dynamically releases the parameters of the rig to implement effective monitoring and systematical management for the drilling rig.According to the field operation,it shows that the system operates stably and provides good reference for the remote monitoring of other engineering machinery.

Keywords:Drilling rigGlobal system for mobile communication (GSM)MonitoringInformation acquisitionData processingSerial communicationControlSoftware designFault alarm

中圖分類號：TP277;TH6

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604019

國家自然科學基金面上基金資助項目(編號：41272174)。

修改稿收到日期：2015-08-15。

第一作者黃雷(1991-)，男，現(xiàn)為中國地質大學(武漢)機械工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事機械設計、自動控制方向的研究。