快速液壓夯實機遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

司癸卯，肖 鵬，段智輝

（1.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065）

隨著信息化技術的發(fā)展以及多學科技術的綜合應用，工程機械的遠程監(jiān)控技術［1－2］得以真正實現.對快速液壓夯實機而言，業(yè)主以及監(jiān)理方希望對機械進行遠程監(jiān)控，從而提高監(jiān)管力度.同時，對機械進行地理定位，可以很好地實現遠程調度和管理.因此十分有必要開發(fā)出一套遠程監(jiān)控系統(tǒng)以滿足市場信息化發(fā)展的需求.

1 快速液壓夯實機

快速液壓夯實機［3］是一種對材料進行壓實的工程機械.它利用裝載機液壓能把重錘提升到一定的高度，然后釋放重錘來產生強大的垂直作用力，并直接作用在緩沖底座上，底座上強大的沖擊力間接作用在被壓材料上，進而對材料進行壓實.重錘提升時，選用安裝在箱體不同位置上的開關來控制重錘的各檔沖程.重錘釋放下落時，在蓄能器產生的液壓能和重錘自身的重力勢能的雙重作用下，重錘加速下落.重錘直接夯擊到接地緩沖底座，產生強大的沖擊力，底座沖擊力作用到被壓材料上，從而完成一次夯實作業(yè)過程.在箱體上安裝對應的夯實深度檢測裝置，通過傳感器的微小變化量間接反映夯實質量.快速液壓夯實機的整體結構如圖1所示.

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的整體設計

從快速液壓夯實機的遠程監(jiān)控的組成部分來看，整個監(jiān)控系統(tǒng)分為數據采集、數據傳輸和數據處理3個模塊，如圖2所示.

圖1 快速液壓夯實機整體結構圖Fig.1 Whole structure of high－speed hydraulic tamper

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of remote monitoring system

數據采集是利用不同功能的傳感器完成不同工況參數的采集.同時，GPS（Global Positioning System）接收機對夯實機的地理信息進行接收、存儲，MCU（Micro Control Unit）對數據進行一定的處理后，等待數據傳輸命令.數據傳輸模塊是利用GPRS（General Packet Radio Service）傳輸模塊把采集到的工況數據以及地理位置信息打包附著在GPRS網絡上完成數據的無線傳輸，GPRS的通信機能保證數據及時準確地傳送到遠程的數據處理終端.數據處理是整個系統(tǒng)的上位機部分，主要保證數據的及時處理與顯示.數據異常時，及時報警.

3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

遠程監(jiān)控系統(tǒng)是軟硬件結合的綜合技術產物.硬件是保證系統(tǒng)工作的基礎，是系統(tǒng)運行的關鍵.該系統(tǒng)中硬件的設計主要包括控制器模塊、GPRS模塊、GPS模塊以及圍繞不同模塊的外圍器件.硬件整體結構圖如圖3所示.

圖3 硬件整體結構圖Fig.3 Whole hardware structure

3.1 控制器模塊

從系統(tǒng)的經濟性以及整個監(jiān)控系統(tǒng)的要求出發(fā)，選用AT89C52單片機作為數據采集模塊中的數據處理器［4］.單片機適合于事務密集的場合.另外，AT89C52是低電壓、低功耗、高性能的8位單片機，內部采用的高密度、非易失性存儲技術也保證了其適合較為復雜的數據處理以及控制場合.

3.2 GPRS模塊

數據的傳輸方式通常分為有線傳輸和無線傳輸.有線傳輸時，首先需要進行布線操作，為數據提供有效可行的傳輸鏈路.另外，有線傳輸支持的傳輸協議較少，只能提供特定協議下的數據傳輸.總的來說，有線傳輸固能保證數據的傳輸，但是建設成本太高，不利于遠程監(jiān)控系統(tǒng)的搭建.無線傳輸的特點就在于數據的傳輸不受地理位置的限制，因此傳輸距離就可以得到有效保證.最大的優(yōu)點就是可以直接利用運營商已經建好的數據通信網絡以及基站完成數據的傳輸與交換.按照流量使用情況的計費標準保證了大量持續(xù)性以及間斷性數據傳輸的經濟性.從夯實機的作業(yè)環(huán)境以及其流動性大的實際特點出發(fā)，選用無線通信網絡完全可以滿足數據的傳輸要求.

無線網絡的傳輸方式有很多種.目前應用最廣、技術成熟、網絡穩(wěn)定的是GPRS網絡.GPRS網絡是基于全球移動通訊系統(tǒng)GSM（Global System of Mobile communication）網絡上的通信網絡，其實質上仍然遵循GSM網絡的通信機制，只是在GSM網絡的基礎上引入了兩個新的通訊節(jié)點［4－5］，即SGSN（Serving GPRS Support Node）和 GGSN（Gateway GPRS Support Node）.SGSN，實現了數據的接入點控制和安全功能設置，保證了用戶能夠在端到端的分組方式下發(fā)送和接收數據，這樣可以更有效地傳輸高速數據和信令.GGSN支持組之間的數據互通，把GSM網絡中GPRS分組數據包進行協議轉換，然后傳送到遠程的數據接收網絡.GPRS在傳輸協議上完全支持TCP／IP（Transmission Control Protocol／Internet Protocol）協 議，通 過GPRS模塊獲取的動態(tài)IP就可以將傳輸過來的數據發(fā)送到具有固定的IP網絡.

從數據傳輸的要求來看，選用西門子公司的MC35iGPRS模塊符合數據的傳輸要求.該模塊在設計上充分考慮到了實際的安裝需求，完全采用緊湊型設計，為用戶提供了簡單的無線連接，可以永久保持在線，方便數據在任何時間、任何網絡覆蓋點的傳輸.同時提供171.2kbps的傳輸速率，保證了數據傳輸的要求.

3.3 GPS模塊

利用GPS［6］定位系統(tǒng)建立的實時導航定位系統(tǒng)已經被廣泛應用于不同的行業(yè)中.從GPS系統(tǒng)的構成出發(fā)，使用者是作為接收機部分，主要負責接收定位設備的地理位置信息.GPS接收機在本系統(tǒng)中的工作原理如圖4所示.本系統(tǒng)中選用GARMIN（佳明）公司生產的GPS25－LVS［7］系列的OEM（Original Equipment Manufacture）板.其采用5V供電，內置保護電池，有RS232和TTL（Transistor Transistor Logic）兩種電平輸出形式，市場占有率高，具有很高的性價比.GPS信息經過GPRS網絡把數據傳送到遠程監(jiān)控中心的原理如圖5所示.GPS25－LVS與AT89C52的硬件連接原理圖如圖6所示.

圖4 GPS接收工作原理Fig.4 Schematic diagram of GPS reception working

圖5 GPS由GPRS傳輸數據Fig.5 GPRS transmit data to GPS

圖6 GPS25－LVS與AT89C52的硬件連接圖Fig.6 Hardware connection structure for GPS25－LVS and AT89C52

3.4 外圍電路

圍繞主控制器和GPRS通信等模塊設計其對應的外圍擴展工作電路，包括電平的轉換、數據的串行通信、看門狗電路和SIM卡電路等.不同電平的轉換保證了器件可以在各自的工作電壓下正常工作.由于TTL電平和RS232電平不能直接相連通信，因此還需要MAX232［8］電平轉換芯片實現TTL電平和RS232電平的互相轉換.看門狗電路的設計可以確保主控制器程序在跑飛的情況下重新回到系統(tǒng)上電時的初始狀態(tài)，此時系統(tǒng)重啟一次.開通GPRS網絡通信服務的SIM（Subscriber Identity Module）卡以及對應的管腳通電工作是數據傳輸的前提.

4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

軟件的設計是對硬件采集到數據的最終處理，是數據處理結果的直接顯示與說明.

數據采集的流程圖如圖7所示.主要完成數據的初始化、故障檢測等工作.數據沒有故障時，直接進入工作狀態(tài).此時，傳感器開始工作，完成不同工況參數的采集.出現故障時，及時報警，停止當前的工作狀態(tài).

數據傳輸是利用GPRS網絡向遠程監(jiān)控中心發(fā)送數據的.需要對數據按照設定的通信機制和協議要求進行轉換處理，確保數據滿足GPRS網絡的傳輸要求.對應的流程圖分別如圖8和9所示.圖8中，TCP（Transmission Control Protocol）是傳輸控制協議；圖9中PPP（Point to Point Protocol）是點對點協議.

數據處理作為整個遠程監(jiān)控系統(tǒng)的上位機部分，是對整個監(jiān)控動態(tài)參數的最終顯示和直接說明.利用Visual Basic可視化軟件開發(fā)整個監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心界面，完成不同的工況參數和地理信息的顯示.監(jiān)控系統(tǒng)異常時，及時報警.最后，整個遠程監(jiān)控系統(tǒng)搭建完成后，需要對監(jiān)控系統(tǒng)進行調試驗證，確保系統(tǒng)能夠正常運行.

圖7 數據采集流程圖Fig.7 Flow diagram of data acquisition

圖8 主控制器數據處理流程圖Fig.8 Fow diagram of data handling on master controller

圖9 數據傳輸流程圖Fig.9 Flow diagram of data transmission

5 結 語

快速液壓夯實機是異于強夯機的一種小型夯實機械，可以滿足地基壓實、路面修補等工程的實際需求.對快速液壓夯實機開展遠程監(jiān)控研究，符合工程機械信息化發(fā)展的趨勢，同時滿足業(yè)主和監(jiān)理方的遠程監(jiān)控要求.快速液壓夯實機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)在經濟性上得到了保證，節(jié)約了建設成本，性能穩(wěn)定，因此可以滿足長期的遠程監(jiān)控要求.

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