沈 斌，范志宏

(上海工业自动化仪表研究院有限公司,上海 200233)

0 引言

目前，国家正在大力推动乡村装配式建造。为了快速发展专门针对乡村的装配式建造，某公司研发了多种新型建筑智能设备，用于乡村建筑施工。而国内外建筑施工现场对于如何让施工人员更好地对智能化设备进行应用还处于初级阶段，尚未形成成套的应用管理理念和技术[1]，导致智能设备推广受限。为了让专业水平相对较低的乡村施工人员快速、安全、高效地利用新设备进行生产，本文研发了乡村住宅设备智能化远程监控系统。该系统通过实时数据采集和数据交互，实现设备云端远程监控，进而让施工人员高效利用智能设备。

1 系统组成

1.1 系统架构

本文研发的乡村住宅建造设备智能化远程监控系统，主要针对目前已经开发的6种乡村住宅建造设备，利用物联网和互联网技术，研究和开发数据采集、数据传输、数据处理、数据应用等相关技术软硬件模块，集成智能化远程监控系统，进而实现现场设备的安全生产。6种乡村住宅建造设备分别为多功能汽车式塔机、混凝土砂浆制备装置、混凝土泵送装置、预制构件调垂装置、物料垂直提升装置和混凝土布料输送装置。整个系统主要由设备的数据采集模块、无线数据组网和传输模块、现场嗅探模块以及远程监控平台模块组成。系统采用设备数据采集、数据传输和应用操作3层架构。3层架构功能分别如下。

①设备数据采集层。

设备数据采集层主要采集6种设备的各类数据，包括运行数据、安全数据、业务数据等。数据采集模块具备独立的硬件采集单元，通过通信接口对设备中数据进行采集和协议转换。

②数据传输层。

数据传输层负责设备与平台之间的数据交互。数据传输分2个步骤进行。首先，利用现场短距离无线局域网，将现场所有设备信号都传输到现场汇聚节点；然后，现场汇聚节点再通过长距离无线和第四代移动通信技术(4th generation communications system,4G)网络，将现场设备信号传输到云端监控平台。现场无线组网采用目前流行的远距离无线电(long range radio，LoRa)技术。远程数据传输采用4G/第五代移动通信技术(5th generation mobile communication technology,5G)网络实现。现场嗅探设备通过LoRa-USB通信模块进行现场短距离数据交互。

③应用操作层。

应用操作层分为远程监控平台、手机平台以及现场嗅探监控平台。远程监控平台搭建基于“微服务+软件即服务(software-as-a-service，SaaS)”的技术架构，实现数据采集处理、预警报警安全监控、设备培训管理、设备维修保养、现场任务远程下达等功能。现场嗅探系统主要用于无法远程网络通信，必须现场对设备进行控制的应用场景。

1.2 系统运行原理

现场有6台乡村住宅的施工设备。系统运行原理如下。每个设备安装信号采集模块，将信号从设备中读取出来。LoRa无线网络将信号传输到现场无线汇聚节点，再通过4G/5G网络将汇聚节点信号数据传输到云端服务器。服务器端通过应用软件和平台对现场设备进行监控。监控的内容主要有任务下发管理、远程查看数据、报警预警管理、远程控制管理、大数据分析等。

系统运行原理如图1所示。

图1 系统运行原理

2 无线数据采集传输系统

无线数据采集传输系统主要实现设备数据采集，以及将数据传输到监控平台(包括现场局域网传输和远程传输)。无线数据传输如图2所示。

图2 无线数据传输图

2.1 数据采集节点

2.1.1 采集信号类型分析

目前，需要采集信号的设备有6种。每个设备均需监测运行参数和安全参数这2种信号，而监测信号参数各不相同。设备监控参数分析如表1所示。

表1 设备监控参数分析

2.1.2 采集信号协议分析

目前，6种设备采集的信号和协议均各不相同，有数字信号、模拟信号以及开关量信号。其中，数字信号有RS-485和串行通信总线(inter-integrated circuit,IIC)2种通信协议。1路数字信号可以同时采集多个参数。开关量和模拟量信号1路只能采集1个信号。

2.1.3 数据采集模块开发

根据2.1.1节和2.1.2节的分析，数据采集模块共需设计4种类型的接口，包括2种数字量信号通信接口、1种模拟量接口以及1种开关量接口。不同设备的数据采集模块接口根据设备需要分别进行设计。根据现场设备采集需求分析，目前6种设备只需要设计2种信号采集模块电路板即可，分别为纯开关量信号和模拟量信号采集电路板，以及和融合数字量信号采集电路板。每个电路板为4路通道。电路板的数据采集模块电路原理如图3所示。

图3 数据采集模块电路原理图

数据采集节模块由信号采集单元、中央处理单元(central processing unit,CPU)、数据存储单元、供电单元、LoRa数据传输射频电路单元组成。现场设备传感器分2个部分。一部分是数字信号，由设备信号采集单元统一对设备的多个运行参数进行采集，然后与数据采集节点的数字信号采集单元进行连接和协议对接。另一部分是模拟信号和开关量传感器信号，直接接入数据采集节点的对应接口。设备数据采集后，经过数据采集节点的协议转换，在处理器的运行下进行数据的存储和处理。处理后的数据经LoRa射频模块发送到LoRa汇聚节点，再由汇聚节点将信号传输到远程云平台服务器。主要参数如下。

①数据采集接口有4路接口。每路接口采集信号不同。

②处理芯片选用STM32 系列F103C8T6。其为主控芯片。

③LoRa射频模块。信号传输采用CKS00ML470AJ0 LoRa 模块。这是一款LoRa调制技术的通信模块，具有结构紧凑、功耗低等特点。

④电源模块。数据采集节点采用独立电池电源模块供电，同时给信号转换模块、CPU处理模块、储存模块、调试接口模块、无线传输模块供电。供电电压为DC 12 V转±12 V、转±5 V、转3V共3种。不同的模块根据不同接口，选择不同的供电电压。本次采用的芯片以及程序处理都采用节电模式，充分延长电源使用时间，在正常1次/分钟的频率下能够使用3个月。

2.2 无线数据传输网络设计

(1)无线网络技术选择。

为了实现施工过程全面的远程监控，需要将每台设备的设备运行和安全信号传输到远程管理平台。6台设备的安装位置根据工地大小不一，可能会相距1～2 km，但是其间不能安装更多的中间传输节点。所以需要在现场搭建网络，并要求网络满足传输距离远、信号传输稳定、功耗低、成本低、抗干扰能力强等要求。为此，经过对各类无线传输方式的选择和对比，本文选用LoRa无线网络技术[2]。LoRa 技术基于其扩频调制技术的通信方式[3]，具有传输距离远、抗干扰能力强、功耗低等优势，能够满足现场无线传输要求。无线网络主要由信号采集节点、信号汇聚节点、无线传输网组成。

(2)网络拓扑结构。

基于LoRa的无线网络拓扑结构分为链路图、星型图、树状图等多种传输方式。星型网络拓扑如图4所示。

图4 星型网络拓扑图

目前，现场无线网络需要满足以下要求。

①现场只有6台设备，所以采集节点不多，不需要大量的中转节点。

②设备可能分布在不同的地方，有的工地较大，可能设备之间相隔较远，甚至在1 km以上。

③设备节点间相互通信不能受影响。即使出现1个采集节点坏点，也不能影响其他节点通信。综上所述，本文适合使用星型结构拓扑图。

通过星型无线网络传输结构，将现场所有的设备采集的信号作为1个采集节点[4]，将采集的信号分别通过星型网络传输到汇聚节点。采集节点到汇聚节点之间通过点对点通信。汇聚节点将信号利用4G网络传输到服务器端[5]。现场网络拓扑如图5所示。

图5 现场网络拓扑图

(3)无线网络唤醒时间设计。

本系统采用星型拓扑结构。汇聚节点和采集节点之间的通信要通过一定的唤醒模式进行数据传输。这样可以达到低功耗和延长电池寿命的目的。唤醒方式一般分为主动唤醒和空中唤醒。通信唤醒模式如图6所示。

图6 通信唤醒模式

本系统中，根据现场工作模式，将采取主动唤醒和空中唤醒相结合的方式进行，从而节约用电。

设备开始运作前通过主动唤醒模式，间隔一段时间对采集节点设备唤醒1次，以采集设备工作状态。

当判断设备进入工作模式后，采取空中唤醒方式工作，以固定的高频率采集和发送数据。本系统采样周期为30 s。

当设备停止运行时，空中唤醒模式停止，主动唤醒模式开启。

2.3 汇聚节点模块设计

汇聚节点模块主要是对现场设备采集的信号进行处理，主要分为汇聚节点设备和嗅探节点设备。

汇聚节点设备主要是将现场采集的信号远程传到云平台。

嗅探节点设备主要通过现场电脑和汇聚节点进行通信，实现现场监控功能。

2.3.1 汇聚节点模块设计

(1)汇聚节点功能。

汇聚节点主要负责将现场采集节点采集的信号集成并上传到云端服务器或发送到现场操作嗅探终端，在整个网络中起到网关的作用。汇聚节点功能如图7所示。

图7 汇聚节点功能图

汇聚节点工作流程如下。首先，每个采集节点采集设备的信号；然后，将采集的信号通过LoRa无线网络传到汇聚节点，由汇聚节点将采集的信号进行数据汇集和协议转换；最后，通过4G/5G信号传输到云管理平台。同时，也可以通过LoRa网络和LoRa-专用数据转换器将现场设备采集的数据直接短距离传输到嗅探采集器[6]，以实现现场管理。

(2)汇聚节点硬件实现。

汇聚节点在无线网络内处于网络网关的角色。汇聚节点在硬件方面主要由处理器单元、供电单元、4G/5G/远程传输单元、射频单元、嗅探射频通信单元组成。

①处理器采用STM32F103R8T6芯片，用于处理复杂的通信协议，以及与射频接口进行通信。

②供电单元。RoLa网络的通信大部分需要汇聚节点的参与，耗电量较大。因此，所设计的电源部分采用太阳能供电与充电锂电池相结合的方式。设备安装的时候应尽量安装在有太阳的地方。锂电池电量可以使用15天以上。

高校机构内的知识(指组织或个人的教学科研实践活动过程中形成)主要包括以下几部分：各项已经取得且公开发表的教学科研成果，比如受著作权保护的各类著作、期刊论文、取得专利权的专利文献等；各项不以发表为目的的教学课件、会议演讲稿、参加学术会议带回的资料、各类参观考察采集回来的资料、各实验室记录的工作日志、实验数据等；各级各类学位论文、毕业论文；存在于师生头脑中的知识、想法、经验等。

③4G/5G网络传输模块将RoLa网络与4G/5G网络相连接，实现现场设备与云端平台数据的交互[7]。

汇聚节点电路如图8所示。

图8 汇聚节点电路图

2.3.2 嗅探服务终端

嗅探服务终端实现现场设备和现场电脑之间信号的直接传输。当现场4G无线网络出现信号不畅时，可以通过嗅探服务终端直接采集现场设备信号，并对其进行现场控制。嗅探节点功能如图9所示。

图9 嗅探节点功能图

现场嗅探节点通过RoLa无线网络与汇聚节点进行无线通信和数据交换，将汇聚节点采集的现场设备信号数据经过嗅探节点和现场电脑端连接传输到现场系统中，实现无任何远程传输网络条件下的现场监控[8]。嗅探节点电路如图10所示。

图10 嗅探节点电路图

嗅探节点的电路图比较简单，主要由专用数据转换模块、处理器、RoLa射频模块组成。USB转换模块主要实现电脑端系统与现场采集设备的连接，以及协议的转换。射频电路模块实现与现场汇聚节点之间的数据通信。

3 远程监控系统设计与实现

3.1 远程监控系统功能分析

为实现对乡村住宅现场的智能设备集中管控，需要开发一套基于“微服务+SaaS”的多项目乡村住宅智能设备远程监控系统。远程监控系统可以对现场设备分别进行远程和现场监控[9-10]。

图11 远程监控系统功能图

3.2 远程监控系统技术架构及实现

软件的技术架构完全按照系统需求搭建，主要满足系统的以下需求：多项目多账号服务；各任务和设备独立运行相互不干扰；大数据量的采集和处理。

据以上需求，本系统技术架构采用“微服务+SaaS”架构，数据采集使用时序数据库进行大数量的处理。

本文采用的微服务架构，实现了对设备数据采集、任务管理、预警报警管理、培训服务等多个任务的分服务搭建和运行，各个服务间各自独立运行，保证服务间相互不影响。同时，系统采用SaaS管理模式，实现多项目、多模块管理。数据库采用时序数据库采集方式。这种方式能够最大程度地满足设备数据采集时高并发情况，同时保证数据不丢失。

3.3 远程监控系统功能实现

(1)设备管理及预警报警管理。

设备管理及预警报警管理模块的主要功能为设备管理、设备基础信息配置和设备预警报警管理等。

①设备管理功能。设备管理功能主要是实现添加设备、厂家、基本信息、设备监控参数，同时设置其启用或是禁用状态，以及启用时间段等。

②设备预警报警管理功能。设备预警报警管理功能主要是设置设备监控参数预警报警默认值模板、自定义设置预警报警值、分级报警模式、报警消息推送设置、实时报警数据展示、报警预警统计分析等。

(2)设备任务管理。

任务管理主要是根据设备计划实施任务，提前实现任务制定、任务下发、任务执行、任务反馈和任务记录等功能。

设备任务管理流程如图12所示。

图12 设备任务管理流程图

(3)设备安全监控系统。

设备安全监控系统主要通过采集设备的实时数据，并对数据进行专业的处理和分析，以向施工员、管理员提供有效的施工、管理依据。系统功能主要包括实时监控、报警管理、趋势分析和报表管理等。

①实时监控。系统实时采集现场所有设备的运行参数和安全参数。数据以30 s的周期进行数据更新。

②报警管理。系统对报警事件进行及时处理，对报警数据进行统计分析，提供安全报警数据依据。

③趋势分析。系统展示各类数据的历史曲线分析，同时可以实现多数据之间的对比分析等。

④报表管理。系统统计各类任务报表、报警报表、数据报表、维保报表等，为管理人员提供专业分析参考。

(4)设备培训指导模块。

设备培训指导模块主要通过软件系统，对现场施工人员进行设备安全使用、设备维保、施工安全指导、工程工艺流程等业务培训。主要培训方式有文档培训、视频培训和三维模型培训等。通过培训，可以快速地让施工人员熟悉和掌握设备使用方法，熟悉工艺流程和新的工法操作。培训设备包括计算机端和现场平板端。

4 结论

本文针对乡村施工工人无法对新智能设备进行操作的现状，利用传感器技术和LoRa技术，研发了基于LoRa的无线数据采集模块和无线数据网络；利用互联网技术和物联网技术，开发了乡村住宅建造装备远程监控系统。整个系统的研发，实现了施工现场设备在施工建造过程的集中控制、远程监控、安全监控和生产指导等功能。该系统的研发将间接推动智能设备在乡村装配式建造中的使用，进而推动乡村住宅建造快速化、高效化、规模化、环保化，为乡村振兴计划提供有力的支撑。