基于物聯網的汽車起重機遠程監控系統設計

摘要：隨著物聯網、人工智能、大數據技術的發展，越來越多的傳統工程機械裝備實現了網絡化、智能化，其核心是對現有裝備的數據進行采集和分析處理。本文首先對汽車起重機關鍵性能進行論述，從系統的功能和性能需求出發，在物聯網三層架構的基礎上，介紹了汽車起重機遠程監控系統的整體架構和模塊劃分。

關鍵詞：物聯網；遠程監控系統；采集控制終端；運營管理中心

一、引言

隨著信息技術與先進制造技術高速發展，作為裝備工業最重要組成部分的工程機械行業，呈現發展態勢。在“一帶一路”沿線國家基礎設施建設等需求下，工程機械行業產業升級、技術進步是各行業的重要保證和國家綜合實力的集中體現。傳統的工程機械設備設計重點在于機械、電氣、液壓系統的功能，隨著物聯網技術和智能制造技術的發展，越來越多的機械設備通過物物相連的形式聯網，通過實時監控設備運行狀態，在進一步的保障了設備的運行安全可靠的同時，還能提供更多諸如遠程控制、遠程維護維修等功能。本文主要介紹基于物聯網三層架構的汽車起重機遠程監控系統。

二、物聯網三層架構

物聯網技術在智能裝備升級中發揮著重大作用。物聯網可分為三層架構，從下到上依次是感知層、網絡層和應用層，感知層是物聯網三層結構中最基礎的一層，主要完成對物體的識別和對數據的采集。網絡層是利用各種接入及傳輸設備將感知到的信息進行傳送。應用層是將收集的信息進行處理，為用戶提供豐富的服務。基于物聯網的汽車起重機遠程監控系統的設計體現出了物聯網的三個基本特征，即全面感知、可靠傳輸和智能處理[1]。

三、基于物聯網的汽車起重機遠程監控系統的功能及性能需求

汽車起重機是裝在普通汽車底盤或特制汽車底盤上的一種起重機，是結合了汽車的機動性和起重機的吊裝性為一體的起重機械， 其行駛駕駛室與起重操縱室分開設置。汽車起重機的優點是靈活機動、越野性能好，轉移迅速，可以自行行駛不用組裝直接可以工作，廣泛地應用于廠礦企業及工程安裝工地，是起重運輸業廣泛使用的起重機械之一。汽車起重機工作時，汽車的輪胎不受力，依靠四條液壓支撐腿將整個汽車抬起來，并將起重機的各個部分展開，進行起重作業。汽車起重機的結構可分為下車底盤部分和上車部分，下車結構與一般的汽車相同，主要考慮到汽車部分的載重性和越野性。汽車起重機的結構和原理決定了它的功能要求，即要求起重機靈活機動，主要是對汽車底盤的要求；要求液壓支腿的支撐狀態能長時間保持位置不變；要求起重臂在一定范圍內任意調整長度和俯角；吊重物在一定速度范圍內任意升降，并能在任意位置上能夠負重停止。根據汽車起重機使用的實際工作環境和場景，遠程監控系統的需求如下：

（一）功能需求

1.遠程定位功能：可以隨時定位汽車起重機當前所處地詳細位置和行駛軌跡。系統可提供包括經緯度、行駛速度、時間等詳細數值。要對起重機機型遠程控制，首先要對起重機具體位置實時定位，遠程定位功能還能滿足機主、廠商、工程機械代理商對于設備的運營狀況的監控需求，

2.信息采集與處理功能：數據采集處理功能分為兩部分，一是需要實時采集起重機的各種工況信息、傳感器信息以及非工作狀態信息；二是能夠對數據進行分類整理、校驗、處理。

3.數據傳輸功能：數據傳輸分為兩個部分，一是傳感器、控制器信息與數據采集終端的數據傳輸功能，此部分功能設計重點在于數據的準確性和實時性；二是數據采集終端通過與運營管理中心的通信，隨著越來越多的電控器件及傳感器安裝在起重機上，如音視頻裝置等，需要遠程傳輸的數據量比較大，另外運營管理中心接收到車載終端數據后要對起重機進行遠程操控，此部分功能設計重點在于高速實時性。

4.遠程控制功能：根據汽車起重機結構和工作原理，保證起重機工作時的安全性是非常重要的，因此汽車起重機遠程控制功能主要分為：一是起重機安全工作狀態監控，主要監控起重機支腿、吊臂、回轉機構、變幅機構、吊鉤的實時工況，通過和不同的設備型號數據庫中相應數據做比對，對于異常工況實時進行遠程控制；二是能夠進行遠程故障診斷，通過采集到的數據分析起重機的故障，并遠程提供故障檢修指導，并為機主提供維修保養建議；三是根據不同權限級別對設備進行遠程開鎖機。

5.遠程信息管理功能：信息管理系統對于采集的設備信息進行存儲和實時分析?？蓪崿F的功能包括：售后、維護數據的記錄、查詢和分析功能，對于不同的權限提供遠程參數修改和設置功能，以及WEB訪問、智能手機或平板電腦遠程訪問功能。

（二）性能需求

1.實時性：由于對起重機的工況數據的采集及反饋控制是實時的，如果信息有延遲可能會引起誤操作。通過檢測設備的關鍵數據，遠程監控系統還能建立故障預警模型，對可能產生的故障在預定的情況下做出預警，提醒監控人員進行處理，保障系統的實時性非常重要。

2.可靠性：遠程監控系統可以存儲和處理大量汽車起重機的狀態信息并對信息進行實時處理，因此該系統及相應的服務器應能長時間無故障運行，以免數據出錯及丟失。

3. 安全性：安全性分為兩個方面，一是設備信息傳輸到采集控制終端的過程中，要保證有線傳輸系統的安全可靠，數據采集終端到運營管理中心的無線傳輸過程也需要加密處理，防止非工作人員對數據進行截獲破壞；二是運營管理中心也要有嚴格的加密及權限管理要求。

4.可擴展性：該遠程控制系統應該具備良好的架構，便于后期對系統功能進行擴展升級，以及與設備廠商所在地內部管理系統實現無縫連接。

四、系統介紹

汽車起重機使用靈活，場景多變，因此很有必要進行遠程監控?；谖锫摼W的三層架構，本項目設計的汽車起重機遠程監控物聯網系統分為三個部分，分別為感知層、網絡層和應用層 。

第一部分是感知層，感知層是物聯網的核心，是信息采集的關鍵部分，感知層的作用是通過傳感網絡獲取環境信息。對于本遠程監控系統，感知層的設備稱為車載采集控制終端，該終端主要完成數據采集、數據傳輸以及反饋控制功能。

數據采集模塊：數據采集模塊是采集控制終端的核心模塊，是將傳感器、控制器信息采集處理后發送給網關，汽車起重機需要采集的數據有工況信息、定位信息以及視頻信息。工況信息分為下車和上車兩個部分，下車是汽車底盤部分，主要采集汽車行駛的位置及軌跡信息；上車是起重機操作部分，采集的數據有：起重量、起重力矩、起升/下降高度、運行行程、幅度、水平度、風速、回轉角度、操作指令、工作時間、累計工作時間、工作循環、工況設置、防后傾、吊點初始位置和最終位置[2]。除工況信息外還需要采集起重機的定位信息及視頻監控信息，定位模塊GPS數據經過SCI串口與微處理器連接。 視頻影像監控起重機的吊點、吊點初始位置和最終位置等信息，視頻監控系統由攝像頭、無線傳輸模塊、顯示器組成，顯示部分可通過車載顯示操作屏幕實時顯示視頻畫面，也可以將實時錄像通過無線傳輸模塊傳輸到應用層的運營管理中心顯示并存儲。 以上感知層數據可通過工業網關采集，本系統采用HINET邊緣計算網關，該網關是—款面向工業現場設備接入、數據采集、設備監控的工業級邊緣計算網關，特點是接口豐富，支持以太網、串口、CAN口、IO口等設備接入及以太網、wifi/4G/5G全網通網絡接入，可滿足絕大部分工業應用場景及工業設備接入。該網關是一款內嵌工業控制協議，支持遠程自定義配置、遠程部署、網關狀態監控等技術于一體的內嵌網絡操作系統的工業級智能網關，內嵌協議分析器可以通過協議分析把現場設備的數據先收集到網關節點計算分析，然后再通過MQTT物聯網協議傳送到運營管理中心云平臺。

數據傳輸模塊：CAN是控制器局域網絡（Controller Area Network， CAN）是一種能夠實現分布式實時控制的串行通信網絡，具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多特點的一種現場總線，廣泛應用于汽車和工程機械領域 ，起重機的數據采集模塊和汽車起重機內部的主控制器、輸入控制器件、人機交互設備、執行機器、傳感器信息等是通過CAN總線系統傳輸。

反饋控制模塊：主要功能是接收和執行反饋控制信息。控制信號也是通過采用 4G 無線數據傳輸方式將運營管理中心的模擬量及開關量控制信號通過無線的形式遠傳至終端設備。反饋控制模塊核心也是嵌入式微處理器，本系統采用 STM32F103VBT6作為數據采集及控制的微處理器模塊。應用層的運營管理中心實時接收采集控制終端發送的信息，根據設備實際情況再將控制指令發送給采集控制終端，反饋控制模塊接收到相關控制指令后執行控制操作，包括：遠程操控、開/鎖機指令，故障預警、緊急情況報警等。本系統在運營管理中心設計了與車載顯示操作屏相似的界面，運營管理中心工作人員能夠實時監控起重機工作狀態，并在需要的情況下對設備進行遠程提醒及操控。

第二部分是網絡層，汽車起重機主要應用于路橋建設、風電吊裝等領域，使用地點偏遠，因此應用移動通信技術進行通信。雖然我國已建成全球最大的5G網絡，并在技術標準方面在全球起引領作用，但是由于4G網絡部署廣泛，且在相當長一段時間內4G仍將與5G長期共存，因此本系統采用4G網絡傳輸。本系統采用的物聯網無線智能網關可以實現感知網絡與通信網絡，以及不同類型感知網絡之間的協議轉換，既可以實現廣域互聯，也可以實現局域互聯。此外該物聯網智能網關還具備設備管理功能，運營商通過智能網關可以管理底層的各感知節點，了解各節點的相關信息，并實現遠程控制。 隨著網絡技術的發展，尤其是5G 通信網絡覆蓋范圍越來越大， 5G 移動通信技術體系結構更加靈活，能解決車聯網低時延、高帶寬、高可靠性等多樣化應用場景中因性能差異帶來的問題[3]，因此還可以采用5G移動通信技術實現對終端設備的長距離、高速率、實時性地遠程監控。

第三部分是應用層，物聯網應用層主要處理數據和功能應用兩個核心問，從數據上來看，物聯網應用層需要把接收到的海量數據進行精準處理和實時管理，這相比管理傳統靜態數據要復雜很多 ，難點和重點在于數據量巨大以及處理實時性的要求。本系統需要實時采集的數據維度和設備數量多、采集頻率高，因此本系統采用開源關系數據庫MySQL，該云數據庫解決突發訪問高峰帶來的請求壓力，穩定應對高并發流量。從功能上來看，應用層是要將這些數據和具體業務緊密聯系起來，實現數據和業務應用相結合。對于起重機遠程監控系統，應用層稱為運營管理中心，其主要任務是對傳送上來的遠程數據進行分析與處理、遠程實時監控、遠程信息管理等，因此運營管理中心的主體功能包括：

1.權限和登錄管理。本系統采用B/S模式（瀏覽器/服務器）網絡結構模式，瀏覽器通過Web服務器與數據庫交互，因此用戶通過瀏覽器登錄系統，系統對用戶的權限進行分別類管理，主要分為設備廠商、代理商、貸款銀行和機主用戶，用戶和廠商設置最多權限，包含有進入實時監控界面，獲取實時工況信息，另外廠商的遠程控制平臺還能處理各種故障和突發問題，在專業人員的監控下還能遠程控制設備；代理商和貸款銀行主要權限為設備軌跡及定位查詢，開鎖機控制。登錄界面包含有各種驗證方式，可以選擇需要登錄的車型。

2.實時工況數據監控。遠程運營管理中心向安裝在機械設備上的采集控制終端發送指令，機載終端將當前地位置信息及工作狀態信息，通過無線4G網絡傳輸到運營管理中心，來自采集控制終端的信息在運營管理系統中的界面中實時顯示，包括有設備基本信息、位置信息、軌跡信息、工況信息及視頻信息。除此之外。運營管理中心數據庫中有大量真實機械設備原始工況數據，通過將實時信息與數據庫中設備歷史狀態相比對，以及進一步的數據挖掘與數據分析，可以判斷起重機實時工作當中的異常狀況，預測可能發生的故障并及時處理。

3.遠程控制。運營管理中心有專門的控制界面，基本的控制包括有遠程故障診斷、開/鎖車、遠程斷電。起重機在非工作狀態的位置信息、故障信息等也可傳輸到運營管理中心，通過與數據庫中各種故障信息比對，進行遠程故障診斷。還可以通過數據分析，在設備造成故障前向用戶提出保養建議。

4.運營信息管理。運營管理中心還包含有遠程信息管理系統，系統數據庫中保存有關設備信息、機主資料、銷售資料、維修與保養資料等各類信息，工程機械廠商、代理商、貸款銀行、機主可通過移動終端訪問信息管理系統，通過對系統分類管理，防止拖欠貸款，以及事故回溯追蹤。

5.云平臺。起重機遠程監控系統服務部署在云平臺上的Web服務器中，運營管理中心云平臺與現場多個設備互聯，實現現場設備各類工況數據的采集、存儲、分析與應用。云平臺首先需要具有強大的用戶請求響應功能，在操作的過程中可以有效地響應節點上送的數據，并且將這些數據送入到服務器當中，進行數據存儲，并且把相應的命令發送給節點，另外還需要在數據管理的過程中依照用戶的要求將指令傳遞給相應的節點，實現子系統的管理和控制[4]。

五、結束語

本文將傳統機械控制系統與物聯網技術相結合，提出了基于物聯網的汽車起重機遠程監控系統，系統核心模塊包含數據采集控制終端，無線傳輸模塊，以及反饋控制模塊，通過運營管理中心對設備進行實時監控。隨著物聯網技術的發展及廣泛應用，工程機械設備也可以和車聯網的發展一樣，基于物聯網、云計算、大數據等核心技術，構建統一開放的工程機械設備聯網解決方案，給予工程機械企業和用戶數據管理、設備管理和運營管理，基于統一安全的網絡接入、各種終端的靈活適配、海量數據的采集分析等能力。

作者單位：許楠? ? 西安信息職業大學

參? 考? 文? 獻

[1]許磊.物聯網工程導論[M].高等教育出版社，2018.

[2]GB/T 28264—2017，起重機械安全監控管理系統[S]．中國國家標準化管理委員會

[3]楊榮悅，張鵬洲，宋卿.基于5G 技術的智能車聯網研究與展望[J].? 電信科學， 2020.

[4]郁達飛，吳旦鈞.基于云平臺的遠程監控系統的設計與實現[J].? 中國科技縱橫， 2020.