基于NB-IoT技術的施工現場工程機械監控系統設計

趙靜文 （中鐵四局集團管理研究院，安徽 合肥 230022）

0 前言

工程機械設備是施工建造中不可或缺的生產工具，目前傳統的工程機械設備管理，主要依賴人工錄入，存在耗時長、工作量大、成本高、信息更新不及時、數據不準確、無法依據信息做出管控調配等缺點，制約了施工現場工程機械設備的集中統計與統一調撥。窄帶物聯網（NB-IoT）技術是2017年新興的物聯網技術，具有功耗低、信號穩定、數據傳輸可靠、可以適應復雜定位環境和通信環境、擴展性好等眾多優點。應用窄帶物聯網技術開發工程機械監控系統，將會實現施工現場工程機械全天候、全方位的監控。

1 系統功能設計

1.1 工程機械靜態信息的采集、存儲和查詢

系統能夠采集工程機械產品整機及其零部件的設備名稱、規格型號、銘牌信息、牌照號、發動機型號等靜態信息，使用RFID或近場通信技術實現對設備的靜態信息采集，以保證外租設備管理的唯一性。

1.2 狀態信息的實時采集

提供用戶方便的查詢工程機械設備的運行時間、故障報警、燃油消耗、工作時長、工作狀態、通信狀況等各類信息以及匯總分析的情況，提供地圖、圖表和多層數據列表展示的功能。

1.3 工程機械產品地理位置信息的采集

針對工程機械作業趨于分散以及工程機械租賃性使用的特點，系統能夠實時地確定產品的地理位置，實現工程機械產品的實時定位、軌跡記錄、里程統計等功能。

1.4 租賃工程機械設備的結算管理

系統能夠將外租設備的每月燃油消耗與加油數據、運轉時間、工作量自動生成月度或季度報表，報表信息將作為現場管理部門對外租設備費用結算的依據。

1.5 工程故障信息的智能化處理

系統對于狀態異常的信息，能夠自動報警，能夠為維護人員提供解決方案，實現故障信息的智能化處理。

1.6 遠程監控功能

系統能夠提供過程信息和產品信息的遠程監控功能，系統操作人員通過遠程監控系統與設備和現場人員實現交互。

2 系統方案設計

2.1 系統的結構框圖

基于NB-IoT的機械設備物聯網系統結構框圖如圖1所示，它包括感知層、網絡層、應用層三個部分。

圖1 系統結構框圖

2.2 系統的工作流程

通過遠程終端模塊采集各種傳感器所得到的數據內容，然后將采集結果通過NB-IoT發送至中心服務器，服務器在收到這些數據后，將對其進行解析和處理，最后，存儲至數據庫。與此同時，用戶還可以使用相應的用戶管理平臺查詢各種歷史數據，將查詢結果以表格、圖表等形式打印，為后續的現場管理提供真實的數據保障。

2.3 系統監控終端設計

系統的監控終端結構框圖如圖2所示。系統結構采用雙重總線結構，其中內部的板級總線掛載窄帶物聯網模塊、九軸姿態模塊、精確授時的北斗定位模塊、高精度RTC模塊和電源管理模塊；外部的設備級總線掛載油料傳感器、正反轉傳感器等外設。

這種系統結構的優勢是提供了系統優秀的擴展性，為未來系統的升級打下基礎。

圖2 監控終端結構框圖

2.4 地理位置信息采集方案

遠程終端采用基于Ublox-M8n的北斗定位系統，Ublox-M8n系統可以支持國際上現有的三種GNSS系統（GPS、北斗和GLONASS），最多可支持72路通信信道，并且可以同時識別多個衛星定位系統，非常適合應用在車輛定位方面，它具有高靈敏度、低功耗、小型化、極其高追蹤靈敏度，大大擴大了其定位的覆蓋面，在普通北斗接收模塊不能定位的地方，如狹窄都市天空下、密集的叢林環境，模塊的高靈敏度、小靜態漂移、低功耗及輕巧的體積，非常適合于車輛監控移動定位系統的應用。

2.5 終端系統的電源管理

系統采用基于BQ24266的電源管理系統，BQ24266是一款高度集成的鋰離子電源路徑管理器件，它不僅可以監控電池剩余電量，同時還可以在有外部供電的情況下根據電池自身電量剩余情況，對電池進行充電，這樣可以有效的延長脫機情況下遠程終端硬件的工作時長。

2.6 外部數據存儲與IAP設計

系統采用外部掉電非易失性數據存儲器。在一些通信環境較為惡劣的環境，遠端數據無法傳回中央服務器，這樣可以采用一種掉電非易失型數據存儲器，當數據無法回傳時，暫時將采集結果存儲起來，直到數據傳輸恢復后，再打包傳輸所有的數據。

3 數據庫及用戶平臺設計

3.1 中央服務器的設計

根據java語言在網絡編程方面的優勢，采用java編寫服務器基本框架，實現客戶端與服務器之間的連接，同時采用java與Mysql之間的接口設計數據庫基本框架，進一步實現客戶端訪問服務器，對數據庫進行操作。

3.2 服務器邏輯層

對應于與APP與PC客戶端(統稱客戶端)，采用TCP服務器，可以保證連接的可靠性與穩定性。采用反射的方法完成邏輯架構，其同樣具有優越的維護性能，在損失極小性能的代價之上，完成了服務器邏輯的模塊化。服務器從客戶端處得到XML格式的命令之后，對其進行解析，得到用戶名、密碼、查詢命令、查詢參數等信息。在查詢開始前，將會對用戶進行校驗，首先檢測數據庫內是否有相應的用戶名，若沒有則向客戶端報告“沒有該用戶”的錯誤，并終止與客戶端的連接。若用戶名存在，服務器進一步驗證用戶密碼，若用戶密碼錯誤，同樣向客戶端報告錯誤并中斷連接。只有用戶名與密碼同時正確時，才能開始具體的查詢操作。服務器首先根據需要查詢的信息類型，定位到相應的數據庫模型，接著利用命令名稱與相應參數找到具體的查詢方法，在二者被同時找到之后，執行命令并按照特定的格式向客戶端返回信息。信息中包含查詢命令XML中的信息，以及查得數據及其日期、時間信息。

圖3 服務器邏輯部分工作流程圖

服務器與下位機之間的通信采用了UDP通信協議。盡管這種方式犧牲了少量的連接可靠性，但他卻只需消耗少量系統資源，就可以實現多節點下位機同時向服務器傳送數據。服務器解析下位機發送至服務器的UDP包，將所有的數據信息計算得出，按條依次存入數據庫中。其中每一個包中包含多條下位機采集的數據，降低了服務器對數據處理的壓力。為了規避數據的丟失，本項目建立了壞數重傳的機制保證了數據包的可靠性。服務器維護了一個隊列用于存儲每臺下位機的最新20條數據，每次處理信息時，先比對隊列中有無重復信息。實現了對下位機重復發至服務器的冗余信息進行過濾，保證了數據庫的數據不會被輕易污染。兩個服務器分別建立各自的線程，彼此之間互不干擾，由數據庫本身的機制進行數據操作的協調。

3.3 數據庫層

數據庫采用MYBATIS架構整體搭建，其具有維護性好，性能高等特點。總體上數據庫分為三層，模型層、命令層和DAO層：模型層對應數據庫內不同的表的信息，將數據庫中的每一個表設計為一個具體的類，其包含的詳細信息則抽象為字段；命令層則涵蓋了對應于數據庫每一個表的查詢方法，依據數據庫表內信息的不同，分別為三張表獨立設計了對應的查詢條件，滿足各種查詢需要；DAO層則封裝數據庫接口，將繁雜的數據庫操作簡化為連接數據庫，執行需要的命令的簡單模式，同時在工具類中封裝了一些常用的小工具，方便后期維護與進一步開發。需要注意的是，MYBATIS將具體的數據庫操作語句封裝在XML文件中，將具體數據庫的操作集中起來，并簡化為數據庫SQL語句，輸入參數，輸出參數三者之結合，最終在總XML文件中將前述文件與命令層相對接，即可完成數據庫全部操作。為了提高數據庫的操作性能，引入了數據庫連接池的機制，以實現讀寫的高效處理；同時實現了按日期分表的功能，將大量的數據分散在多個表中，以實現查詢功能的進一步提升。數據庫系統框圖如圖4所示。

圖4 服務器系統結構框圖

3.4 PC控制臺程序設計

本項目客戶端部分使用.NetFramework 4.6程序框架，建立基于C#WPF的客戶端應用程序，在保證功能實現和性能優化的前提下，還提供了一種簡潔美觀的用戶界面。

圖5 客戶端系統結構框圖

客戶端系統設計了一種基于改進型MVC架構的應用軟件。這種架構是一種由事件驅動的程序架構。客戶端部分系統結構框圖如圖5所示。

這種框架的業務流程是，當用戶發生一個命令查詢請求時，首先，UI層會將這條命令進行編碼，傳輸給業務邏輯層；業務邏輯層在收到事件請求后，會記錄下發出請求的頁面ID，然后將這條命令進一步傳輸給網絡通信層傳輸給遠端服務器，同時業務邏輯層會將頁面ID和查詢命令種類共同在消息等待隊列中登記；網絡層在收到服務器的回復信息后直接將結果直接打包傳輸給業務邏輯層；邏輯層再從消息等待隊列中獲取信息源，然后將查詢結果打包傳輸給UI層，最后，UI層最終將查詢結果顯示。

這種框架具有非阻塞、多并發的結構特點，可以為用戶提供在不同頁面同時查詢數據的良好用戶體驗。同時由于軟件系統采用了基于TCP短連接的技術，減少了服務器的維護長連接的業務邏輯，很大程度上降低了服務器工作壓力。

3.5 APP設計

本項目的APP開發過程中共包含三個層次，它們分別是UI顯示層、業務邏輯處理層和網絡通信層。各層次之間的業務邏輯如圖6所示。

圖6 APP系統邏輯框圖

如圖6所示，APP系統的業務流程是當用戶產生一個查詢請求后，UI層會將這個請求傳送給業務邏輯層；業務邏輯層會進一步將這個請求命令編碼為XML格式命令，并且進一步傳輸給網絡通信層；在網絡通信層接收到服務器的返回結果后，邏輯層會將結果解碼，然后驅動UI層進行顯示。

本項目中APP網絡層開發的一大特點是采用了Netty框架。Netty是一種提供異步的、事件驅動的網絡應用程序框架，用于快速開發高性能、高可靠性的網絡服務器和客戶端程序。傳輸層協議采用TCP協議。表示層協議采用XML格式。Netty框架實現了上述兩種協議。采用TCP這一面向連接的協議保證了APP接收服務器數據的實時性，而傳統http協議查詢方式若查詢頻率過高，將導致APP性能下降。若查詢頻率過低，將帶來消息通知不及時的問題。采用xml格式保證了不同客戶端（如安卓端、IOS端、PC端）的通信格式的統一。APP在接收到數據并解析后，將接收到的數據發送給邏輯處理模塊。

圖7 Netty框架工作流程如圖

Netty將數據的傳入傳出抽象為“事件”，如數據的打包、發送、解析等。每個事件要經過對應的事件處理器進行操作，轉換為下一事件繼續由其他事件處理器進行處理。

4 結語

工業物聯網技術是目前先進制造領域研究的熱點，本文對物聯網技術在工程機械監控領域的應用進行了探索，設計了系統的功能，并對系統功能實現的技術方案進行設計，進而提出了系統的架構和體系結構，本研究將為基于物聯網技術的工程機械監控系統的開發建立基礎。