一種非接觸式加固數據記錄系統的設計與實現

葉國云，儲江，葉青云，董志

（寧波如意股份有限公司，浙江 寧波 315600）

0 引言

市面上工業車輛的品種繁多，有托盤堆垛車、平衡重式叉車、側面式叉車、三向堆垛車、前移式叉車、叉腿式叉車等，廣泛應用于港口、機場、車間、倉庫、配送中心等[1-2]，是重型貨物搬運中必不可少的設備。工業車輛屬于特種設備范疇，由于工業車輛的專業性及特殊性，應當避免其各類安全隱患。

根據國家質檢總局每年對特種車輛的事故統計與分析，特種車輛每年都有安全事故發生，且造成的損失較為嚴重，特種車輛的安全管理與預防不容忽視。據數據分析，安全事故中大部分原因為設備老化或故障、使用操作不當、管理不到位等[3-4]。加裝車輛傳感器數據監控系統可對車輛狀況數據進行實時記錄，由于市面上暫無專用記錄儀，多數為在現有儀表設備中增加存儲器件以實現對數據的存儲，但現有儀表的設計之初并未考慮到高防護性，當車輛出現嚴重事故時可能會導致儀表連同存儲數據一并被銷毀，給事故分析帶來重大阻礙。為規避這一問題，本文提出一款非接觸式加固數據記錄系統。隔離式供電及隔離式通信可以有效防止連接電器損壞時導致電路對數據記錄儀的損壞，加固式結構可以避免在發生嚴重事故時記錄數據被損壞。

1 系統框架

非接觸式加固數據記錄系統由記錄儀設備與固定支架設備組成，兩個設備都包含了硬件電路與嵌入式軟件。記錄儀設備單元電路包含激光發射電路、激光接收電路、無線充電接收電路、處理器核心電路、數據存儲電路，結構上設計逃逸槽。固定支架設備單元電路包含CAN通信電路、電源管理電路、處理器核心電路、無線充電發送電路、激光發射電路、激光接收電路，結構上有固定擋桿。上述兩個設備組成的記錄系統可實現數據收發、數據存儲、逃逸槽保證數據安全的功能。

圖1 記錄儀設備整體電路架構圖

圖2 固定支架設備整體電路架構圖

圖3 系統整裝效果圖

記錄儀設備與固定支架設備通過擋桿螺絲固定安裝。固定支架設備通過航空連接器連接叉車電源及CAN總線，3個指示顯示是固定支架設備狀態。固定支架設備通過無線充電電路為記錄儀設備提供非接觸式供電，通過激光收發電路與記錄儀設備進行非接觸式通信。記錄儀設備的數據存儲電路放置于頂部的球體內密封保護，圓形球體與下部結構件設有逃逸槽，當發生嚴重事故時，逃逸槽斷裂，確保球體內的數據安全逃逸。

2 系統設計與實現

2.1 記錄儀設備

記錄儀設備采用加固式金屬材質，頂部球狀結構內襯防火材料，同時內部電路采用防火密封膠灌注形式，確保數據存儲電路的安全性。設計有逃逸槽（如圖4），當發生嚴重事故時，逃逸槽斷裂，確保球體內的數據安全逃逸，整體結構如圖5～圖8所示。

圖4 逃逸槽特寫圖

圖5 記錄儀設備前側視圖

圖6 記錄儀設備后側視圖

圖7 記錄儀設備頂部側視圖

圖8 記錄儀設備底部側視圖

記錄儀設備通信接口采用隔離式激光通信（如圖5），記錄儀設備采用無線充電形式供電（如圖8），由此可知整個記錄儀設備無任何線纜連接，全部采用隔離式供電與通信，避免了著火、短路等對記錄儀設備造成電路或內部芯片的損壞。

記錄儀設備與固定支架設備使用激光模擬三線SPI通信機制，固定支架設備作為SPI主設備，記錄儀設備作為SPI從設備，三線SPI通信時序圖如圖9所示。

圖9 三線SPI時序圖

記錄儀設備無線充電接收電路如圖10所示，采用5 V/1 A的無線供電方案可滿足系統用電需求。記錄儀設備選用eMMC存儲芯片，以實現對激光通信傳輸過來的數據進行高速大容量存儲。

圖10 無線充電接收模塊

2.2 固定支架設備

固定支架設備采用金屬材質，整體結構如圖11～圖13所示。

如圖11及圖12所示，固定支架設備的凹槽可放入記錄儀設備，同時擁有6個螺絲鎖緊位置，可在記錄儀設備放入后，使用擋桿螺絲牢固固定記錄儀設備。

圖11 固定支架設備前側視圖

如圖12及圖13所示，激光通信接口向外凸出，與記錄儀設備的激光通信凹槽結構匹配，凹凸對接的形式可以避免可見光對激光通信的干擾。其中激光發送電路如圖14所示，激光接收電路如圖15所示。

圖12 固定支架設備后視圖

圖13 固定支架設備頂視圖

圖14 激光發送電路

圖15 激光接收電路

固定支架設備的無線充電發送電路位置與記錄儀設備的無線充電接收電路位置對應，5 V/1 A無線充電發送電路如圖16所示。

固定支架設備采用四芯航空連接器與車載的電源與CAN總線進行連接，便于快速安裝或卸裝設備。

3 結語

本系統經過初步功能調試，已經實現數據傳輸與記錄的基礎功能，有待進一步完善功能后裝載于公司三向揀選堆垛叉車進行系統試用，系統主要用于采集車輛數據，以實現對車輛狀態、控制器等設備故障的監控及駕駛員操作監控，專業人員通過監控存儲的數據來監測與評估車輛健康狀況，預防因為車輛設備老化等原因導致車輛周邊人員及駕駛員的人身安全或貨物財產安全受到損害。

圖16 無線充電發送電路