嵌入式工程機械遠程監控系統設計與實現

白云龍 楊開欣 郭謹瑋 董海博 陳曉韋

摘? ?要：文章主要研究了工程機械遠程監控系統，在對監控系統的4層模型進行解析的基礎上，詳細介紹了系統設計的整體構架，并完成了嵌入式工程機械監控器軟件及功能的設計，進而更好地實現遠程監控的功能。

關鍵詞：嵌入式;遠程監控系統;工程機械監控器

嵌入式系統技術是現階段研究的熱點技術之一，傳統工程機械改造通過應用嵌入式系統技術實現逐漸受到國內外行業的重視，同PC機上的軟件開發不同，嵌入式系統軟件開發與硬件密切相關，通過ARM ADS軟件開發環境，以目標機—主機形式完成系統調試，嵌入式系統在開發時可利用的資源有限，通常使用串口、總線接口或液晶屏等完成輸入、輸出顯示，開發時更需具有針對性。

1? ? 嵌入式工程機械遠程監控系統總體架構

本文所設計的系統主要由4個層次組成，即遠程監控系統、工程機械控制器、監控器及全球定位系統（Global Positioning System，GPS），該系統總體架構如圖1所示，通過對新技術的充分運用，實現了實時監控施工機械運行狀態及施工進度的功能，采用通信技術將檢測結果傳遞至監控中心進行統計分析和整合工作，實現信息的反饋，且監控中心的專家可遠程指導具體工作[1]。

2? ? 監控系統關鍵模塊功能

2.1? 工程機械控制器

工程機械控制器部分主要由能夠進行獨立控制的各控制系統構成，在實現控制功能時，不同系統間根據實際需要可相互協調工作、相互配合，實現數據互通，并同時由上層監控系統控制。

2.1.1? 安全監控系統

本文將嵌入式微處理器引入到安全監控系統中，安全監控系統作為系統的核心部分，對工程機械現狀的各項運行參數（如起重機吊臂長度、壓力等）通過傳感器進行監控，同時，完成模擬和計算采集的數據，如起重機起吊重物的質量通過傳感器獲取后同額定所吊重物質量進行對比，據此完成智能控制，安全監控系統若發現有超負荷工作情況出現，則對故障進行診斷然后給出應急措施，及時實現控制過程。

2.1.2? 電液比例控制

控制工程中的電子技術和工程控制設備間，電液比例控制技術已成為兩者的橋梁，具備節能、穩定等優勢的電液比例控制系統在眾多領域得到應用。在本文系統中，電液比例控制系統同中間層的連接通過控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）總線實現，完成數據的交換、故障的診斷及動作的控制等，例如計算機電液比例控制系統在起重機中的應用，可接收和分析手柄輸入的電信號，依據分析結果控制起重機吊臂，從而做出各種動作[2]。

2.1.3? 電子節能控制系統

電子節能控制系統在滿足生產要求的基礎上做到盡可能地節約能源，主要可實現控制工況節能、短期超載、自動怠速及溢流等，需以一定前提為依據，在液壓系統的作用下，實際工作狀態的分析依據系統判斷信號（系統中的壓力）完成，嵌入式微處理器在此基礎上完成工程機械的處理，控制發動機以確保機械能夠科學、準確運行。

2.1.4? 發動機ECU系統

隨著發動機技術的發展與完善，對電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）功能提出了更高的要求（如信息處理量及處理速度），該系統主要由ECU和傳感器構成，其功能在于對發動機的運行進行最大限度的改善，并減少汽車尾氣中有害物質的排放量。對機械發動機的動力性實現最大程度的提高，針對現階段工程中的機械設備多使用柴油發動機的現象，發動機ECU系統主要對燃油定量和噴油定時進行控制，傳感器完成相關信息的檢測后，將信息傳輸到電子控制單元執行相應處理，然后通過執行器將處理后的信息傳遞給發動機完成相應動作。

2.2? 工程機械監控器和GPS系統

工程機械監控器和GPS系統處于監控系統的中間層，承接上下層系統的功能。監控器的功能通過人機交互裝置實現（主要利用機載前端主機），通過中間層系統工程機械GPS系統采用無線傳輸技術完成對底層控制系統的實時監控，進而可以做到系統故障的及時發現和報警，使監控與維護等功能在控制中心就可完成，對于特殊故障狀況控制中心可通過指導現場工作人員完成。

2.2.1? 工程機械監控器

處于整個系統中間層的工程機械監控器，同樣需承接上下層系統的功能，前端與底層的控制系統的連接主要通過CAN總線實現，進而通過采集工程機械實時運行狀態完成故障的發現及診斷，發出故障報警信息，機載前端控制系統功能（包括數據處理和采集作業狀態信息等功能）主要由嵌入式微處理器完成，8位和16位的嵌入式微處理器難以滿足目前工程機械監控的要求，本文選用了32位嵌入式微處理器（基于ARM）[3]。

2.2.2? 工程機械GPS定位系統

為了實現工程機械地理位置信息的準確獲取，將GPS技術引入到了嵌入式工程機械監控系統中，采用串口連接的方式完成GPS模塊在系統中的嵌入，采用NMEA0183 ASC II碼完成傳遞至串口處理程序進行信息處理和解讀，實現相關信息的獲取，從而實現和控制中心的遠程通信。

2.3? 遠程監控系統

作為整個監控器系統的核心，遠程監控中心可以將各種信息（制造廠、設計單位及不同地點）有機集合起來，以確保能夠全面處理信息并有效利用資源，通過遠程監控中心合理調度工程機械機群，從而使整個工程機械的作業效率得以提高。

3? ? 軟件功能設計

3.1? 系統主函數

采用4×4鍵盤及掃描程序，由于監控器外圍設備（主要是串行口設備）較多，需要監控器和設備相互發/收信息，本文通過串行口掃描程序掃描各串行口，并完成了專門的棧存儲數據的設立。

3.2? 軟件功能

3.2.1? 基本界面顯示

界面上全部信息的顯示才能確保控制功能的有效實現，系統采230×125的LCD顯示器，內容分別在3部分顯示：系統指令、信息區，狀態參數區，故障報警區。

3.2.2? GPS數據處理和下位機信息的接收

監控器接收GPS模塊定時發送的信息（采用ASCII碼協議，每秒向監控器發送字符串），主要包括終端的經緯度、速度等信息，系統的串行口掃描程序處于連續掃描的工作狀態，接收字符時串行口需調用GPS數據處理程序，在數組里存儲串行口（串行口采用查詢方式）所接收的數據，經GSM處理程序提取后發送出去，每接收一個字符提取一次。

通過下位監控器系統各傳感器完成系統狀態信息的采集，通過統一協議格式的制定，下位監控器信息的讀取可通過串行口完成，然后將整理后的信息傳輸給監控器。

3.2.3? 數據處理與故障處理

以下位監控器傳輸來的信息為依據，完成系統所需參量的計算，同時將需發送的數據存儲至特定數組中，如通過左/右輪轉動的速度完成機體速度的計算及在速度數組中的儲存。

系統故障的實時顯示及記入故障數組由故障處理環節負責完成，并發送至管理中心，可分為監測計算機故障和自動故障（通過下位監控器信息數組的讀取完成相應判斷）、人工故障和停機時間輸入（通過鍵盤完成輸入，同時在數組中寫入信息，以短消息的形式發送出去）。

4? ? 結語

控制器作為智能控制系統的關鍵，隨著嵌入式技術逐漸應用在傳統工業中，本文主要研究了工程機械遠程監控系統，完成了嵌入式工程機械監控器系統的設計，在對監控系統的4層模型進行解析的基礎上，詳細介紹了系統設計的整體構架，并完成了嵌入式工程機械監控器軟件及功能的設計，本文以32位處理器作為核心，利用傳感器、信息及通信及GPS等高科技手段實現嵌入式工程機械遠程監控系統的設計，進而更好地實現遠程監控的功能。

[參考文獻]

[1]潘曉貝.嵌入式技術在遠程監控系統中的應用[J].長沙民政職業技術學院學報，2018（1）：122-124.

[2]張帆.混合動力工程機械動力系統的構成理論現狀及研究進展[J].時代農機，2017（5）：104-105.

[3]黃祎.野外通訊監控器設計[J].時代農機，2015（5）：36-37.

Abstract：This paper mainly studies the remote monitoring system of construction machinery， on the basis of analyzing the four-layer model of the monitoring system， the overall framework of the system is introduced in detail， the software and function of the embedded construction machinery monitor are designed， and then realize the function of remote monitoring better.

Key words：embedded; remote monitoring system; construction machinery monitor