基于物联网的机械装备智能监控系统设计

2014-01-21杨雪松

机电产品开发与创新 2014年5期

陈岚，杨雪松，戴蒙

（1. 武汉铁盾民防工程有限公司，湖北武汉 430065；2. 解放军理工大学，江苏南京 210007）

0 引言

机械装备尤其是各种工程车辆在执行任务时，对其运行状态的实时监控和管理是十分重要的。由于装备和车辆运行过程中与管理中心的信息交互比较困难，运行过程中存在较强的干扰信号，如装备自身的振动、道路的路况影响、外界电磁场的干扰和装备自身各种干扰信号的存在等，导致装备运行参数的采集、传输和存储等存在较大的困难。随着现场数据采集技术和物联网相关技术的发展与应用，目前已经能够较好地解决机械装备运行参数和车辆运行状态信息的采集与交互等，为机械装备的智能监控系统的应用提供了强大的技术基础。

物联网是将各种信息传输设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、家用电器、安防设备等，与互联网结合起来形成的一个巨大网络，让所有物品与网络连接在一起，方便识别、管理和监控，在此基础上实现融合的应用，最终为人们提供无所不在的全方位服务[1]。

物联网在体系架构上可分为三个层次：一是传感网络，即以传感器、RFID 以及各种机器终端为主；二是传输网络，即通过现有的互联网、广电网络、通信网络等，实现数据的传输与计算；三是应用，即利用终端作为信息采集设备带来的信息，或利用终端作为执行部件可执行的动作，构造服务于人类的应用与服务[2]。

1 智能监控系统层次结构设计

结合物联网结构层次和车辆管理系统的需求分析，本文采用了先进的嵌入式操作系统、GPS 和GPRS 应用技术等，构建了基于物联网技术的机械装备智能监控系统，解决了车辆运行数据监测和管理控制的难题，极大地提高了机械装备和车辆的运营效率。系统的总体结构层次如图1 所示。

图1 智能监控系统层次结构图Fig.1 Hierarchical structure of the intelligent monitoring system

1.1 监控系统硬件平台的构成

机械装备车辆如推土机各部位（柴油机、变速箱、变矩器、油路、气路等）的工作参数，包括温度、压力、电压、液位、转速和车速等，通过安装在各部位的传感器把物理量转换成电压或电流信号，经过前置放大器转换成电压量，输入到监控系统的信号端口。监控系统数据采集单元采集到这些参数后，通过USB 总线将信号输入到主控板内，由微处理器再对输入信号进行实时数据处理，输出相应的图形和数值信号至液晶屏，实施显示和报警，并将异常数据存储到固态存储设备中。监控系统的硬件平台包括LPC2478 核心板、电流激励模块、多路开关矩阵、LCD 液晶屏驱动电路、USB 总结接口、信号调理装置、SD 卡、FLASH 存储单元、GPS 模块、GPRS 模块、以太网接口电路和视频信号接口电路等组成。其硬件框架如图2 所示。

图2 硬件组成框图Fig.2 Hardware blockdiagram

硬件部分的LPC2478 ARM 微控制器是整个系统的核心部分，负责军用工程车辆参数存储数据库的管理、数据的输入、输出和工程机械工况参数的监控、报警、管理与存储，报警阈值的设定等。系统具有较强的工作温度范围、抗电磁干扰特性和可靠性，保证了军用工程车辆参数的可靠采集与处理。

1.2 硬件的设计与实现

（1）微控制器的选型。嵌入式微处理芯片LPC2478 是智能监控系统的核心，该芯片是32 位基于ARM 核心的带闪存、USB、CAN 的微控制器7 个16 位定时器、2 个ADC 、9 个通信接口的增强性ARM 系列嵌入式微电脑单片机。该单片机使用高性能的ARM Cortex-M3 32 位的RISC 内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达128K 字节的闪存和20K 字节的SRAM），丰富的增强I/O 端口和联接到两条APB 总线的外设。该单片机内置独立的看门狗电路，在系统崩溃时使单片机复位。同时在软件编程中也设置了看门狗，充分保证数据采集系统的可靠性与稳定性。

（2）大容量缓冲数据存储的实现。信号采集系统上扩展有外部SD-MMC 存储器，存储容量为2GB。数据采集卡在工作过程中，采集系统采集的数据可由系统软件控制是否存储。这样在数据系统出现意外故障时，可以保存缓冲数据，供系统恢复后使用。

MMC 是一种小巧大容量的快闪存储卡，已广泛应用于如手机等智能设备上。MMC 的尺寸小、质量轻、耐冲击，可反复读写记录30 万次，适用于便携式检测仪器上。MMC 存储卡具有MMC 和SPI 两种工作模式，本项目选用PSI 模式，它具有能与DSP、MCU 方便连接及交换数据的优点。采用SPI 接口方式，接口设计非常简单：电源供应共有3 线，数据操作也只需3 帧的串行总线，而且可以级联多张MMC 卡以扩大容量。MMC 的通信频率最大可达18 兆位/秒，数据存取速率非常高，确保数据的及时存取与现场保护。

（3）信号的调理与A/D 转换。以温度信号的调理电路为例论述信号调理的原理。工程机械工作过程中发动机的冷却水温、变矩器油温等温度参数由铂热电阻式温度传感器PT100 测量得到，温度输入电路采用三线制接法，数据采集板上的100Ω 电阻和PT100 构成电桥的相邻两臂，调理板上的R4 和R5 两电阻构成电桥的另两臂。三线接法可以有效地补偿传感器引线电阻所引起的误差。PT100 输出的信号经两组OP07 型运算放大器放大后，再经双级运算放大器RC4558 放大并缓冲后，输出至A/D 转换器进行模数转换。

2 系统软件平台设计

系统软件主要由车载终端模块、监控中心（数据处理模块）、监控中心管理客户端以及GIS 客户端等组成。软件模块框图如图3 所示。车载终端上运行的终端软件模块主要完成终端服务的相应功能。该进程包括数据库模块、GPS 模块、消息中介模块、NMS agent 模块、电源管理模块、更新模块、拍照模块和参数配置模块等，这些模块均依据核心服务模块而运行。图形用户接口（GUI）进程的消息中介模块主要用于通过消息队列实现其与主进程模块的通信。

图3 监控系统软件框图Fig.3 Software blockdiagram

鉴于系统的主要用途，设计将GIS 界面作为监控中心的主要日常操作的人机交互界面，它主要是完成地理信息系统的功能外还要完成实时车载信息的显示，对车载终端设备运行的日常工作参数的设置等。

2.1 GPS 模块

GPS 模块主要用于获取地理信息参数：经纬度、海拔调试；获取时间，用于系统校时。并对以上数据分析处理，把处理后数据发送和保存。GPS 模块输入为GPS设备通过网络传来的GPS 信息数据。GPS 模块输出包括：把GPS 信息数据通过网络发送到中心；把GPS 信息数据通过消息中介模块发送给GUI 模块；把GPS 相关警告信息保存到数据库中；把GPS 相关告警信息发送到中心。GPS 模块的处理过程为通过一个专门的网络连接接收来至GPS 设备的数据信息，并通过GPS 数据解析模块解析后做相关处理，处理后的数据包括GPS 信息数据和相关告警信息（如行驶超速等），并把GPS 信息数据和相关告警信息通过网络发送到中心，把相关告警信息保存到数据库，把GPS 信息数据通过消息中介模块发送到GUI 模块，如图4 所示。