研究一种应用于工程机械的智能监控系统

2009年 学识获取与建模 第二次国际研讨会

研究一种应用于工程机械的智能监控系统

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北京大学 土木工程与建筑专业，北京，中国

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摘要：为了监控建筑机械的性能和质量，一个智能监控应用系统被提出。该系统安装监控单元在每个工程机械作为其系统的终端，GPRS(通用分组无线服务)作为它的网络载体，智能监控中心作为控制器。该系统可以监控工程机械的运行状态以及当它工作发生异常，该系统在线连接在以GPRS为基础的网络上，ARM嵌入式系统和以Lab Windows/CVI为基础的数据库设计。

         关键词：智能监控；GPRS；ARM；工程机械

1.       引言

工程机械的性能和质量对工程的施工进度有着非常重要的影响。但是工程机械有着更高的失败率因为它复杂的机构，不确定的负荷和恶劣的工作环境。因此，工程机械的监控是稳定，安全和可靠的工程工作的一个症结。随着社会的发展和技术的进步，人们为了得到更高的效率和更低的成本开始越来越多的要求性能监控和工程机械故障分析。新一代的工程机械不仅需要集成操作和智能控制，还需要依靠网络整合整个系统控制的工程机械组。目前，传统的工程机械只被设计成普通的电子控制技术和定期的维修，这不能满足现代的需求。因此一个新的工程机械监控系统，可以完成本地的集中控制，监控和维护，也可以进行远程的监控和诊断，已经成为一个研究的热门问题。

         为了监控工程机械运行性能，提出了一种依靠通用分组无线业务(GPRS)网络的工程机械的在线监控系统。这个系统可以监控一些工程机械的参数，例如速度、压力、温度通过远距离监控终端。

         如果工程机械的维护人员想要知道工程机械的运行状态，他可以发送短信息给系统的监控单元，然后该系统就会通过GPRS模块经过通信网络和互联网给维护人员发送工程机械的运行参数。因此工程机械的实时监控系统已经实现。这个系统还可以设置当工程机械的一些重要参数处于危险边缘时进行报警提示。即如果工程机械出现异常，该系统将会发送报警信息到维护人员的手机或者发送到监控中心，以便于工程机械的问题可以马上被修复。在实践中，它展示了该系统的优越性。

2.       系统结构

2.1智能监控系统的结构

        

图1.智能监控系统的结构

         智能监控系统主要由3部分组成：监控单元，GPRS，智能监控中心，如图1所示。监控单元安装在每个工程机械上。它通过GPRS无线网络与智能监控中心通信。另外，该系统结构是一个三层模型。监控单元是更底层，重点是获取设备状态信息。智能监控中心是更顶层系统，重点是处理状态和错误信息。上下层之间，GPRS负责他们的通信。

         GPRS是整个系统的通信媒介，通过短消息，语言和两种分组数据(IP和X.25)可以被接收和发送。控制终端(手机)是一个远程控制者以及系统的显示者。它是负责发送几种命令短消息(例如监控工程机械实时状态的命令)和接收短消息(例如命令短消息的实施情况和错误的报警信息)

         智能监控中心是负责从监控单元接收数据以及管理处理信息。

2.2    基于ARM嵌入式系统的现场监控单元

通过ARM微控制器和其他辅助设备设计和开发现场监控单元。ARM架构已经进化到一个地步，它支持实现的性能点的范围很广。ARM处理器架构简单很容易实现传统设备的小型化，小型化的设备又能允许更低的功耗。

         现场监控单元可以通过他们的功能主要的被划分为五个单元：数据采集单元，通信单元，单片机(EasyARM615)单元，LED显示单元和电源单元等。如图2。

图2. 监控单元结构

         如图，数据采集单元主要负责采集一些工程机械的重要信号，例如水温度，工作压力和速度等。GPRS网络的通信单元主要负责通信数据传输。LED显示单元负责工程机械的实时状态显示。单片机单元是系统的控制核心负责各模块单元的正常工作，电源单元负责提供工作电压。

         因为几乎所以的监控参数将会被监控单元采集，他是整个系统的基础。工程机械是由电力系统，引擎转向系统，传动系统，刹车系统，电气系统等组成。传感器将会搭建在每个相关系统中。每个传感器将会采集相应的参数。监控单元可以从传感器中读取相应的参数然后实时的监控它们。

         因此参数的选择对于监控单元来说是非常重要的。在理论上，更多的监控参数被获得，就能得到更好的效果。但是实际上，这是不考虑成本和操作的行为。此外，一些参数不可以在实际中测量，例如引擎发动，传动简单和操作效率降低。这些现象通过传感器监控更加困难，但是他们可以被操作员及时的直观的感知到。因此系统应该充分利用每个机械操作员的预估作为设备失败分析的一种信号。由于，监控单元使用结合传感器的采集和操作员的感知作为参数信息的措施，提供信息给智能监控中心。另外，监控单元必须有异常报警功能和从智能监控中心接收查询命令的功能。

2.3    智能监控中心

工程机械的智能监控中心是整个系统的核心部分。它是负责从监控单元接收系统状态信息和报警信息，分类和保存信息。智能监控中心，一方面通过GPRS网络模块与现场终端展开双向交流，另一方面，它给用户提供可视化界面，允许用户在家里远程了解工程机械。该智能监控中心必须依靠GPRS无线模块与终端通信。另外，它也负责工程机械的故障诊断，包括特殊状态和每个工程机械的故障信息，并分析导致故障的原因。

该系统应用软件采用模块化设计。它主要划分为以下几个模块：

• 初始化模块：它从配置文件加载初始化系统参数，以确保操作系统可靠运行。这些参数包括串口参数(例如使用的端口号，波特率等)，GPRS终端参数(例如短消息中心号码等)和系统参数(例如询问周期报警信息，日志存储时间等)。这些模块结合系统环境设置使用。它的作用是设置这些参数以确保系统运行更好并保存配置文件以便系统重新初始化。
• 自动报警信息处理模块。经过系统初始化，系统程序开始运行。同时，自动报警信息处理模块也开始运行。它不断的读取报警信息从外部文件到报警信息队列，并发送报警信息到目标群体。报警信息包括报警内容，报警时间，报警源，目标群体等。
• 手动报警信息处理模块。有时候，值班工人需要根据真实情形处理报警信息。鉴于此，系统设置了手动报警信息处理模块。工人可以手动的发送报警信息给指定的手机电话。

2.4    智能监控中心

系统程序包括3个主要部件：通信部分，数据库部分和人机界面部分。通信部分可以从传感器读取数据，然后将数据保存到数据库，并通过表格或者曲线的形势将他们显示到人机界面。系统设计流程图如图3.

图3.系统程序设计流程图

3.      基于LAB WINDOWS/CVI的数据库设计

在智能监控领域，随着集成测试的复杂性和困难的提高，越来越多的测试参数将会被涉及，包括测试对象，测试设备，测试结果，测试人群等。他们的维护和管理将会实现在一个统一的数据库。

          LAB WINDOWS/CVI以实现在各种数据库之间的访问和维护。如图4。在图中，LAB WINDOWS/CVI可以从测试参数中接收数据并保存到数据库。然后它可以从数据库中读取数据，另外，它可以完成基于读取数据的图像显示。

图4.基于LAB WINDOWS/CVI的数据库设计

           CVI SQL的工具包是依靠使用CVI软件包来操作数据库，其中包括一系列高性能的操作功能。这些功能全面的应用程序可以实现多功能的数据库。在SQL数据包安装后，Lab Windows/CVI SQL将会自动的注册一个ODBC(开放数据库连接)数据库源在计算机上，该数据源是Lab Windows / CVI SQL程序使用例程的数据源。

           为了实现Lab Windows / CVISQL访问数据库和实现数据管理，该系统使用ActiveX Data Object (ADO)接口技术和ODBC(开放数据连接)并选择微软的Access数据库，然后使用SQL工具包作为数据管理和软件开发工具。

           因为更多的工程机械的测试参数，设计一个良好的明确的接口对用户来说是非常重要的。Lab Windows / CVI可以提供开发环境来设计更好的基于数据库的接口。在该系统中，数据显示方式是图标还是数据曲线，如图5所示。这是他们明确的显示接口。

图5. 数据显示接口

4.      结论

考虑到现在工程机械远程控制系统的功能，本文提出一种以及GPRS网络的工程机械在线监控系统。工程机械的智能监控可以及时的探查或者诊断机械的故障。以达到实时的监控。在该系统中，以下几方面被主要提到：

•  应用GPRS到工程机械智能监控系统
•  运行基于ARM的嵌入式系统的监控单元
•  基于 Lab Windows/CVI

该系统已经被试验在某一工厂用其他子系统的远距离监控中心。结果证明该系统可以节省时间，提高维护效率和提供其他的辅助功能。因此智能监控系统有具体的实际意义在现在的工程机械中。

 

承认书

         这是一个被中国住房部和中国城乡发展计划支持的项目

 

参考文献

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