基于無線局域網港口集裝箱裝卸橋的監控系統設計

張曉培+覃萬晴+黃宜軍

摘 要： 針對集裝箱裝卸橋中的小車位置、起升高度、電機轉速等運行狀態參數的監測問題，設計一種基于WiFi無線通信的港口集裝箱裝卸橋的監控系統。系統以WiFi無線通信技術為傳輸手段，把下位機采集到的裝卸橋的運行參數數據發送給上位機，并在以易語言作為開發平臺的監控界面上實時顯示。最后，對該系統進行模擬測驗，實驗結果表明，該系統能對港口集裝箱裝卸橋各運行參數進行有效的監控。

關鍵詞： ESP8266； 易語言； 無線局域網； 裝卸橋

中圖分類號： TN948.4?34； TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）23?0018?05

Abstract： Aiming at the monitoring of the operating status parameters such as car location， lifting height and motor speed in container loading bridge， a monitoring system based on WiFi wireless communication was designed for the port′s container loading bridge. The loading bridge′s operating parameter data acquired by the slave computer in the system is transmitted to the host computer by means of WiFi wireless communication technology， and displayed on the monitoring interface taking easy language as the development platform. The simulation experiment was carried on for the container loading bridge monitoring system. The simulation results show that the system can monitor each operating parameter of the port′s container loading bridge effectively.

Keywords： ESP8266； easy language； wireless local area network； loading bridge

隨著港口集裝箱運輸業務的發展，碼頭裝卸機械的有效利用在提高碼頭生產作業效率中起著至關重要的作用。裝卸橋作為碼頭集裝箱裝卸作業中的關鍵裝卸機械設備，它的各個機構的運行狀態和故障狀態是設備管理人員關注的重點，也是影響設備生產效率的關鍵。因此，對集裝箱裝卸橋的監測成為研究的熱點之一[1?3]。集裝箱裝卸橋主要包括起升機構、小車行走機構、大車行走機構和俯仰機構四大機構[4]。由于俯仰機構只在作業開始時和停機時才工作，使用頻率較低，所以本文根據集裝箱裝卸橋的實際運行情況，采用無線WiFi技術和監控軟件對集裝箱裝卸橋的大車機構、小車機構和起升機構的主要運行狀態和環境參數進行監控系統的研究和設計。

1 港口集裝箱裝卸橋的監控系統總體設計

根據自動化集裝箱碼頭監控系統的功能要求，該系統主要由數據采集、無線通信和監控管理三大部分組成。集裝箱裝卸橋的各項監控采用STM32F407ZGT6作為主控芯片，檢測和控制裝卸橋所需動力的各個電機的速度、電壓和電流。同時利用溫濕度傳感器檢測當前裝卸橋的工作環境。利用MFRC522讀卡器讀取回小車在裝卸橋的位置。將以上的數據打包成一個數據包，通過串口發送給WiFi模塊。經由路由器的局域網，通過正確的配置，把數據包發送給服務器，然后在服務器界面顯示出來當前整個裝卸橋的運行狀態和工作環境。系統總體框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

由于集裝箱裝卸橋價格昂貴，港口設備資源緊缺等原因，很難用實機來驗證該設計系統的可行性，因此本文設計了一個集裝箱裝卸橋的模擬實驗模型。該實驗模型主要由機械部分和電控部分組成。下面主要對電控部分進行詳細的分析。

2.1 控制器的選擇

采用STM32F407ZGT6作為集裝箱裝卸橋監測系統的主控芯片，它不僅檢測裝卸橋三大機構的運行參數和運行環境參數，同時還可控制裝卸橋所需動力的各個電機的速度。

2.2 各機構動力源設計

通過對大、小車和起升機構的運行驅動裝置的分析，本文根據模擬仿真的功能需求，選用自帶編碼器的減速電機——GM25?370雙通道霍爾編碼器減速電機，各大機構直流電機的轉速可以通過編碼器檢測出來。由于單片機I/O的驅動能力的限制，電機與單片機之間還需要電機驅動模塊，因此，在本設計中用到以L298N芯片為核心的驅動模塊。其接線如圖2所示。

2.3 電機電壓、電流的檢測

在電機運行的過程中，產生的電壓、電流和轉速這三個變量的大小值可以間接地反映電機的運行是否出現故障。所以本文采用電壓、電流檢測模塊對電機的電壓和電流進行檢測。

2.4 小車位置定位設計

在裝卸橋工作的過程中，對小車位置的監控很重要，本文利用讀卡器讀卡的方式對小車進行定位。采用的讀卡器模塊為MFRC522，該模塊利用SPI通信接口與單片機通信。單片機循環查詢讀卡器是否讀取到卡片，并接收讀卡器返回當前讀取到的卡片ID號，再進行存儲，然后與單片機內部預先保存的卡片ID號進行匹配，如果匹配成功，就返回當前數組的下標，以此知道當前哪張卡片被讀取，也就知道當前小車的位置在哪里了。讀卡器模塊與單片機的連接如圖3所示。endprint

2.5 起升機構的起升高度檢測

對于集裝箱裝卸橋起升機構的起升高度，本文采用超聲波模塊來檢測。測量的距離以串口的形式發送回來，50 ms發送一次數據給本系統的主控單片機。

2.6 裝卸橋溫濕度變量的檢測

在裝卸橋的工作環境中，過高的溫度或者濕度都會直接影響到電機的使用壽命，因此，檢測裝卸橋工作環境中的溫濕度具有一定的必要性。在本設計中，利用DHT11數字溫濕度傳感器完成對裝卸橋工作環境的監測，它與單片機的接線如圖5所示。

2.7 無線通信設計

無線WiFi傳輸模塊擔任著數據傳輸作用，是該監控系統的關鍵，數據通道傳輸的優劣直接影響到監控質量[5]。本文采用以ESP8266為控制核心的WiFi模塊搭建無線通信網絡。模塊的設置是通過串口進行AT指令設置的。此WiFi模塊與開發板的串口5相連接，如圖6所示，其傳輸波特率為115 200 b/s。

2.8 WiFi模塊指示燈和按鍵電路設計

在本文中，與WiFi模塊工作狀態有關的還有2個LED燈和1個按鍵。LED0的作用是提示當前WiFi模塊數據發送是否正常。如果數據發送成功，則LED0間隔0.5 s閃爍。LED1的作用是提示WiFi模塊是否連接上服務器。如果WiFi模塊與服務器斷開連接，則LED1閃爍50 ms。開發板的按鍵設計是一個搖桿按鍵，當WiFi模塊沒有連接上路由器時，必須要向下搖搖桿按鍵持續1 s，WiFi模塊便自動連接上預先設定好的WiFi網絡。

2.9 TFTLCD液晶顯示屏

設置WiFi模塊時，通過串口返回一定的響應字符串，為了能夠實時查看響應字符串的內容，本系統使用一個2.8寸的TFT液晶顯示屏。通過響應字符串的不同來判定WiFi模塊是否設置成功。

3 系統軟件設計

3.1 下位機數據采集和數據發送軟件設計

下位機數據采集和數據發送是由μCOS Ⅱ操作系統完成的，它的流程圖如圖7所示。

該操作系統主要完成四項任務，分別是：

（1） WiFi模塊數據包發送任務。首先判斷WiFi模塊數據發送是否成功，然后再根據其他任務傳遞過來的信息打包成一個42 B的數據包，等待模塊發送完成。如果數據發送不成功，那么就進入重新連接服務器的狀態。

（2） 溫濕度傳感器檢測任務。它不停地掃描判斷溫濕度傳感器是否讀取數據成功，然后更新數據傳遞給WiFi模塊進行數據發送。

（3） RC522讀卡任務。循環掃描讀卡器是否尋卡成功，如果有卡片進入刷卡區，那么讀取卡片ID號，匹配卡片序號，更新數據傳遞給WiFi模塊進行數據發送。

（4） A/D轉換任務。循環采集各通道A/D值，把數據更新。

3.2 PID速度控制算法

3.3 濾波子程序

在A/D數據采集中，模擬信號很不穩定，高頻信號很多，因此結合均值濾波和一階低通濾波器把高頻信號過濾掉，那么得到的結果就比較穩定了。

3.4 WiFi通信軟件設計

3.5 監控界面的開發

本文利用易語言開發平臺設計了集裝箱裝卸橋監控系統的監控界面。開發監控系統首先需要對界面進行布局設計，然后再根據界面所需要的功能進行代碼編寫。根據集裝箱裝卸橋監控系統的需求，本文設計了上位機監控的主界面和數據庫記錄界面，如圖8所示。

上位機監控主界面如圖8（a）所示。WiFi模塊成功連接服務器之后，開始發送數據到服務器上。服務器主界面上的標題欄顯示內網IP地址、溫濕度值、小車當前位置、起升機構高度，還有各機構的電流、電壓和轉速。數據庫界面如圖8（b）所示，它主要記錄集裝箱的數量、到達時間等信息。

4 基于無線局域網港口集裝箱裝卸橋的監控系

統測試

為了驗證系統的可行性，本文通過硬件模擬系統的搭建和軟件系統的編程，構建了一個基于無線局域網港口集裝箱裝卸橋的監控系統。

當系統上電時，向下撥動開發板上的搖桿按鍵，單片機就會給WiFi模塊發送AT配置指令。如果WiFi連接局域網成功，液晶顯示屏則顯示“AT……OK…”，否則顯示“ERROR…WiFi CO”，說明WiFi模塊沒有成功連接到局域網。

WiFi配置完成以后，便可以登錄到服務器上進行數據的發送。此時監控系統的主界面各參數框開始顯示單片機采集回來的數據，如圖9所示，它反映了單擊操控按鈕之后控制小車的移動所產生的運行參數的變化。

當小車移動到7的位置時，開始控制起升機構降落到模擬集裝箱上方，其運動過程中的各項參數如圖10所示。

此時，如果起升機構降落在集裝箱的上空位置不理想時，可以移動一下大車機構，但是只需要移動一點位置就可以了，監控數據如圖11所示。

從圖9～圖11可以看出，該監控系統能夠實時地反映集裝箱裝卸橋的運行狀態參數。管理人員可以通過觀察裝卸橋電機的電壓、電流和轉速等狀態參數及時地發現和預告其出現的運行故障[6]。比如電壓、電流都很大，但是轉速為零，則可判定當前電機為堵轉。

進入數據庫記錄界面，可以看到如圖12所示的內容。它包含集裝箱的來源地、種類、數量和到達時間等信息，相當于是裝卸橋作業集裝箱的歷史記錄一樣。

5 結 論

針對裝卸橋運行參數的檢測問題，本文提出一種基于無線局域網集裝箱裝卸橋的監控系統。為了驗證系統的可行性，通過對裝卸橋模型進行模擬測試，完成了在線數據的獲取、監控和數據庫記錄等功能。試驗結果表明，該系統能夠較好地監測集裝箱裝卸橋運行時的狀態信息，為集裝箱裝卸橋運行狀態的檢測和故障診斷提供了一個有效的解決方案。

參考文獻

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[2] 徐承軍.基于無線局域網的集裝箱碼頭機械調度系統的仿真、優化與監控[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[3] 魏欣，林葉春，鮑敏中.基于InTouch平臺集裝箱裝卸橋監控系統的開發[J].工業控制計算機，2004（3）：32?33.

[4] 顧海紅.港口輸送機械與集裝箱機械[M].北京：人民交通出版社，2010.

[5] 曾磊，張海峰，侯維巖.基于WiFi的無線測控系統設計與實現[J].電測與儀表，2011，48（7）：81?83.

[6] 徐敏.設備故障診斷手冊：機械設備狀態監測和故障診斷[M].西安：西安交通大學出版社，1998.

[7] 田緒業，丁耀貴，郭常委，等.集裝箱碼頭岸邊無人智能生產系統[J].港口科技，2016（4）：42?45.endprint