鄉村住宅建造設備智能化監控系統研究與開發

沈 斌，范志宏

(上海工業自動化儀表研究院有限公司,上海 200233)

0 引言

目前，國家正在大力推動鄉村裝配式建造。為了快速發展專門針對鄉村的裝配式建造，某公司研發了多種新型建筑智能設備，用于鄉村建筑施工。而國內外建筑施工現場對于如何讓施工人員更好地對智能化設備進行應用還處于初級階段，尚未形成成套的應用管理理念和技術[1]，導致智能設備推廣受限。為了讓專業水平相對較低的鄉村施工人員快速、安全、高效地利用新設備進行生產，本文研發了鄉村住宅設備智能化遠程監控系統。該系統通過實時數據采集和數據交互，實現設備云端遠程監控，進而讓施工人員高效利用智能設備。

1 系統組成

1.1 系統架構

本文研發的鄉村住宅建造設備智能化遠程監控系統，主要針對目前已經開發的6種鄉村住宅建造設備，利用物聯網和互聯網技術，研究和開發數據采集、數據傳輸、數據處理、數據應用等相關技術軟硬件模塊，集成智能化遠程監控系統，進而實現現場設備的安全生產。6種鄉村住宅建造設備分別為多功能汽車式塔機、混凝土砂漿制備裝置、混凝土泵送裝置、預制構件調垂裝置、物料垂直提升裝置和混凝土布料輸送裝置。整個系統主要由設備的數據采集模塊、無線數據組網和傳輸模塊、現場嗅探模塊以及遠程監控平臺模塊組成。系統采用設備數據采集、數據傳輸和應用操作3層架構。3層架構功能分別如下。

①設備數據采集層。

設備數據采集層主要采集6種設備的各類數據，包括運行數據、安全數據、業務數據等。數據采集模塊具備獨立的硬件采集單元，通過通信接口對設備中數據進行采集和協議轉換。

②數據傳輸層。

數據傳輸層負責設備與平臺之間的數據交互。數據傳輸分2個步驟進行。首先，利用現場短距離無線局域網，將現場所有設備信號都傳輸到現場匯聚節點；然后，現場匯聚節點再通過長距離無線和第四代移動通信技術(4th generation communications system,4G)網絡，將現場設備信號傳輸到云端監控平臺。現場無線組網采用目前流行的遠距離無線電(long range radio，LoRa)技術。遠程數據傳輸采用4G/第五代移動通信技術(5th generation mobile communication technology,5G)網絡實現。現場嗅探設備通過LoRa-USB通信模塊進行現場短距離數據交互。

③應用操作層。

應用操作層分為遠程監控平臺、手機平臺以及現場嗅探監控平臺。遠程監控平臺搭建基于“微服務+軟件即服務(software-as-a-service，SaaS)”的技術架構，實現數據采集處理、預警報警安全監控、設備培訓管理、設備維修保養、現場任務遠程下達等功能。現場嗅探系統主要用于無法遠程網絡通信，必須現場對設備進行控制的應用場景。

1.2 系統運行原理

現場有6臺鄉村住宅的施工設備。系統運行原理如下。每個設備安裝信號采集模塊，將信號從設備中讀取出來。LoRa無線網絡將信號傳輸到現場無線匯聚節點，再通過4G/5G網絡將匯聚節點信號數據傳輸到云端服務器。服務器端通過應用軟件和平臺對現場設備進行監控。監控的內容主要有任務下發管理、遠程查看數據、報警預警管理、遠程控制管理、大數據分析等。

系統運行原理如圖1所示。

圖1 系統運行原理

2 無線數據采集傳輸系統

無線數據采集傳輸系統主要實現設備數據采集，以及將數據傳輸到監控平臺(包括現場局域網傳輸和遠程傳輸)。無線數據傳輸如圖2所示。

圖2 無線數據傳輸圖

2.1 數據采集節點

2.1.1 采集信號類型分析

目前，需要采集信號的設備有6種。每個設備均需監測運行參數和安全參數這2種信號，而監測信號參數各不相同。設備監控參數分析如表1所示。

表1 設備監控參數分析

2.1.2 采集信號協議分析

目前，6種設備采集的信號和協議均各不相同，有數字信號、模擬信號以及開關量信號。其中，數字信號有RS-485和串行通信總線(inter-integrated circuit,IIC)2種通信協議。1路數字信號可以同時采集多個參數。開關量和模擬量信號1路只能采集1個信號。

2.1.3 數據采集模塊開發

根據2.1.1節和2.1.2節的分析，數據采集模塊共需設計4種類型的接口，包括2種數字量信號通信接口、1種模擬量接口以及1種開關量接口。不同設備的數據采集模塊接口根據設備需要分別進行設計。根據現場設備采集需求分析，目前6種設備只需要設計2種信號采集模塊電路板即可，分別為純開關量信號和模擬量信號采集電路板，以及和融合數字量信號采集電路板。每個電路板為4路通道。電路板的數據采集模塊電路原理如圖3所示。

圖3 數據采集模塊電路原理圖

數據采集節模塊由信號采集單元、中央處理單元(central processing unit,CPU)、數據存儲單元、供電單元、LoRa數據傳輸射頻電路單元組成。現場設備傳感器分2個部分。一部分是數字信號，由設備信號采集單元統一對設備的多個運行參數進行采集，然后與數據采集節點的數字信號采集單元進行連接和協議對接。另一部分是模擬信號和開關量傳感器信號，直接接入數據采集節點的對應接口。設備數據采集后，經過數據采集節點的協議轉換，在處理器的運行下進行數據的存儲和處理。處理后的數據經LoRa射頻模塊發送到LoRa匯聚節點，再由匯聚節點將信號傳輸到遠程云平臺服務器。主要參數如下。

①數據采集接口有4路接口。每路接口采集信號不同。

②處理芯片選用STM32 系列F103C8T6。其為主控芯片。

③LoRa射頻模塊。信號傳輸采用CKS00ML470AJ0 LoRa 模塊。這是一款LoRa調制技術的通信模塊，具有結構緊湊、功耗低等特點。

④電源模塊。數據采集節點采用獨立電池電源模塊供電，同時給信號轉換模塊、CPU處理模塊、儲存模塊、調試接口模塊、無線傳輸模塊供電。供電電壓為DC 12 V轉±12 V、轉±5 V、轉3V共3種。不同的模塊根據不同接口，選擇不同的供電電壓。本次采用的芯片以及程序處理都采用節電模式，充分延長電源使用時間，在正常1次/分鐘的頻率下能夠使用3個月。

2.2 無線數據傳輸網絡設計

(1)無線網絡技術選擇。

為了實現施工過程全面的遠程監控，需要將每臺設備的設備運行和安全信號傳輸到遠程管理平臺。6臺設備的安裝位置根據工地大小不一，可能會相距1～2 km，但是其間不能安裝更多的中間傳輸節點。所以需要在現場搭建網絡，并要求網絡滿足傳輸距離遠、信號傳輸穩定、功耗低、成本低、抗干擾能力強等要求。為此，經過對各類無線傳輸方式的選擇和對比，本文選用LoRa無線網絡技術[2]。LoRa 技術基于其擴頻調制技術的通信方式[3]，具有傳輸距離遠、抗干擾能力強、功耗低等優勢，能夠滿足現場無線傳輸要求。無線網絡主要由信號采集節點、信號匯聚節點、無線傳輸網組成。

(2)網絡拓撲結構。

基于LoRa的無線網絡拓撲結構分為鏈路圖、星型圖、樹狀圖等多種傳輸方式。星型網絡拓撲如圖4所示。

圖4 星型網絡拓撲圖

目前，現場無線網絡需要滿足以下要求。

①現場只有6臺設備，所以采集節點不多，不需要大量的中轉節點。

②設備可能分布在不同的地方，有的工地較大，可能設備之間相隔較遠，甚至在1 km以上。

③設備節點間相互通信不能受影響。即使出現1個采集節點壞點，也不能影響其他節點通信。綜上所述，本文適合使用星型結構拓撲圖。

通過星型無線網絡傳輸結構，將現場所有的設備采集的信號作為1個采集節點[4]，將采集的信號分別通過星型網絡傳輸到匯聚節點。采集節點到匯聚節點之間通過點對點通信。匯聚節點將信號利用4G網絡傳輸到服務器端[5]。現場網絡拓撲如圖5所示。

圖5 現場網絡拓撲圖

(3)無線網絡喚醒時間設計。

本系統采用星型拓撲結構。匯聚節點和采集節點之間的通信要通過一定的喚醒模式進行數據傳輸。這樣可以達到低功耗和延長電池壽命的目的。喚醒方式一般分為主動喚醒和空中喚醒。通信喚醒模式如圖6所示。

圖6 通信喚醒模式

本系統中，根據現場工作模式，將采取主動喚醒和空中喚醒相結合的方式進行，從而節約用電。

設備開始運作前通過主動喚醒模式，間隔一段時間對采集節點設備喚醒1次，以采集設備工作狀態。

當判斷設備進入工作模式后，采取空中喚醒方式工作，以固定的高頻率采集和發送數據。本系統采樣周期為30 s。

當設備停止運行時，空中喚醒模式停止，主動喚醒模式開啟。

2.3 匯聚節點模塊設計

匯聚節點模塊主要是對現場設備采集的信號進行處理，主要分為匯聚節點設備和嗅探節點設備。

匯聚節點設備主要是將現場采集的信號遠程傳到云平臺。

嗅探節點設備主要通過現場電腦和匯聚節點進行通信，實現現場監控功能。

2.3.1 匯聚節點模塊設計

(1)匯聚節點功能。

匯聚節點主要負責將現場采集節點采集的信號集成并上傳到云端服務器或發送到現場操作嗅探終端，在整個網絡中起到網關的作用。匯聚節點功能如圖7所示。

圖7 匯聚節點功能圖

匯聚節點工作流程如下。首先，每個采集節點采集設備的信號；然后，將采集的信號通過LoRa無線網絡傳到匯聚節點，由匯聚節點將采集的信號進行數據匯集和協議轉換；最后，通過4G/5G信號傳輸到云管理平臺。同時，也可以通過LoRa網絡和LoRa-專用數據轉換器將現場設備采集的數據直接短距離傳輸到嗅探采集器[6]，以實現現場管理。

(2)匯聚節點硬件實現。

匯聚節點在無線網絡內處于網絡網關的角色。匯聚節點在硬件方面主要由處理器單元、供電單元、4G/5G/遠程傳輸單元、射頻單元、嗅探射頻通信單元組成。

①處理器采用STM32F103R8T6芯片，用于處理復雜的通信協議，以及與射頻接口進行通信。

②供電單元。RoLa網絡的通信大部分需要匯聚節點的參與，耗電量較大。因此，所設計的電源部分采用太陽能供電與充電鋰電池相結合的方式。設備安裝的時候應盡量安裝在有太陽的地方。鋰電池電量可以使用15天以上。

高校機構內的知識(指組織或個人的教學科研實踐活動過程中形成)主要包括以下幾部分：各項已經取得且公開發表的教學科研成果，比如受著作權保護的各類著作、期刊論文、取得專利權的專利文獻等；各項不以發表為目的的教學課件、會議演講稿、參加學術會議帶回的資料、各類參觀考察采集回來的資料、各實驗室記錄的工作日志、實驗數據等；各級各類學位論文、畢業論文；存在于師生頭腦中的知識、想法、經驗等。

③4G/5G網絡傳輸模塊將RoLa網絡與4G/5G網絡相連接，實現現場設備與云端平臺數據的交互[7]。

匯聚節點電路如圖8所示。

圖8 匯聚節點電路圖

2.3.2 嗅探服務終端

嗅探服務終端實現現場設備和現場電腦之間信號的直接傳輸。當現場4G無線網絡出現信號不暢時，可以通過嗅探服務終端直接采集現場設備信號，并對其進行現場控制。嗅探節點功能如圖9所示。

圖9 嗅探節點功能圖

現場嗅探節點通過RoLa無線網絡與匯聚節點進行無線通信和數據交換，將匯聚節點采集的現場設備信號數據經過嗅探節點和現場電腦端連接傳輸到現場系統中，實現無任何遠程傳輸網絡條件下的現場監控[8]。嗅探節點電路如圖10所示。

圖10 嗅探節點電路圖

嗅探節點的電路圖比較簡單，主要由專用數據轉換模塊、處理器、RoLa射頻模塊組成。USB轉換模塊主要實現電腦端系統與現場采集設備的連接，以及協議的轉換。射頻電路模塊實現與現場匯聚節點之間的數據通信。

3 遠程監控系統設計與實現

3.1 遠程監控系統功能分析

為實現對鄉村住宅現場的智能設備集中管控，需要開發一套基于“微服務+SaaS”的多項目鄉村住宅智能設備遠程監控系統。遠程監控系統可以對現場設備分別進行遠程和現場監控[9-10]。

圖11 遠程監控系統功能圖

3.2 遠程監控系統技術架構及實現

軟件的技術架構完全按照系統需求搭建，主要滿足系統的以下需求：多項目多賬號服務；各任務和設備獨立運行相互不干擾；大數據量的采集和處理。

據以上需求，本系統技術架構采用“微服務+SaaS”架構，數據采集使用時序數據庫進行大數量的處理。

本文采用的微服務架構，實現了對設備數據采集、任務管理、預警報警管理、培訓服務等多個任務的分服務搭建和運行，各個服務間各自獨立運行，保證服務間相互不影響。同時，系統采用SaaS管理模式，實現多項目、多模塊管理。數據庫采用時序數據庫采集方式。這種方式能夠最大程度地滿足設備數據采集時高并發情況，同時保證數據不丟失。

3.3 遠程監控系統功能實現

(1)設備管理及預警報警管理。

設備管理及預警報警管理模塊的主要功能為設備管理、設備基礎信息配置和設備預警報警管理等。

①設備管理功能。設備管理功能主要是實現添加設備、廠家、基本信息、設備監控參數，同時設置其啟用或是禁用狀態，以及啟用時間段等。

②設備預警報警管理功能。設備預警報警管理功能主要是設置設備監控參數預警報警默認值模板、自定義設置預警報警值、分級報警模式、報警消息推送設置、實時報警數據展示、報警預警統計分析等。

(2)設備任務管理。

任務管理主要是根據設備計劃實施任務，提前實現任務制定、任務下發、任務執行、任務反饋和任務記錄等功能。

設備任務管理流程如圖12所示。

圖12 設備任務管理流程圖

(3)設備安全監控系統。

設備安全監控系統主要通過采集設備的實時數據，并對數據進行專業的處理和分析，以向施工員、管理員提供有效的施工、管理依據。系統功能主要包括實時監控、報警管理、趨勢分析和報表管理等。

①實時監控。系統實時采集現場所有設備的運行參數和安全參數。數據以30 s的周期進行數據更新。

②報警管理。系統對報警事件進行及時處理，對報警數據進行統計分析，提供安全報警數據依據。

③趨勢分析。系統展示各類數據的歷史曲線分析，同時可以實現多數據之間的對比分析等。

④報表管理。系統統計各類任務報表、報警報表、數據報表、維保報表等，為管理人員提供專業分析參考。

(4)設備培訓指導模塊。

設備培訓指導模塊主要通過軟件系統，對現場施工人員進行設備安全使用、設備維保、施工安全指導、工程工藝流程等業務培訓。主要培訓方式有文檔培訓、視頻培訓和三維模型培訓等。通過培訓，可以快速地讓施工人員熟悉和掌握設備使用方法，熟悉工藝流程和新的工法操作。培訓設備包括計算機端和現場平板端。

4 結論

本文針對鄉村施工工人無法對新智能設備進行操作的現狀，利用傳感器技術和LoRa技術，研發了基于LoRa的無線數據采集模塊和無線數據網絡；利用互聯網技術和物聯網技術，開發了鄉村住宅建造裝備遠程監控系統。整個系統的研發，實現了施工現場設備在施工建造過程的集中控制、遠程監控、安全監控和生產指導等功能。該系統的研發將間接推動智能設備在鄉村裝配式建造中的使用，進而推動鄉村住宅建造快速化、高效化、規模化、環保化，為鄉村振興計劃提供有力的支撐。