基于無(wú)線局域網(wǎng)港口集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉培+覃萬(wàn)晴+黃宜軍

摘 要： 針對(duì)集裝箱裝卸橋中的小車位置、起升高度、電機(jī)轉(zhuǎn)速等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于WiFi無(wú)線通信的港口集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以WiFi無(wú)線通信技術(shù)為傳輸手段，把下位機(jī)采集到的裝卸橋的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，并在以易語(yǔ)言作為開發(fā)平臺(tái)的監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示。最后，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能對(duì)港口集裝箱裝卸橋各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行有效的監(jiān)控。

關(guān)鍵詞： ESP8266； 易語(yǔ)言； 無(wú)線局域網(wǎng)； 裝卸橋

中圖分類號(hào)： TN948.4?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(yùn)輸業(yè)務(wù)的發(fā)展，碼頭裝卸機(jī)械的有效利用在提高碼頭生產(chǎn)作業(yè)效率中起著至關(guān)重要的作用。裝卸橋作為碼頭集裝箱裝卸作業(yè)中的關(guān)鍵裝卸機(jī)械設(shè)備，它的各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)是設(shè)備管理人員關(guān)注的重點(diǎn)，也是影響設(shè)備生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。因此，對(duì)集裝箱裝卸橋的監(jiān)測(cè)成為研究的熱點(diǎn)之一[1?3]。集裝箱裝卸橋主要包括起升機(jī)構(gòu)、小車行走機(jī)構(gòu)、大車行走機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)四大機(jī)構(gòu)[4]。由于俯仰機(jī)構(gòu)只在作業(yè)開始時(shí)和停機(jī)時(shí)才工作，使用頻率較低，所以本文根據(jù)集裝箱裝卸橋的實(shí)際運(yùn)行情況，采用無(wú)線WiFi技術(shù)和監(jiān)控軟件對(duì)集裝箱裝卸橋的大車機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)的主要運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。

1 港口集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)化集裝箱碼頭監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信和監(jiān)控管理三大部分組成。集裝箱裝卸橋的各項(xiàng)監(jiān)控采用STM32F407ZGT6作為主控芯片，檢測(cè)和控制裝卸橋所需動(dòng)力的各個(gè)電機(jī)的速度、電壓和電流。同時(shí)利用溫濕度傳感器檢測(cè)當(dāng)前裝卸橋的工作環(huán)境。利用MFRC522讀卡器讀取回小車在裝卸橋的位置。將以上的數(shù)據(jù)打包成一個(gè)數(shù)據(jù)包，通過(guò)串口發(fā)送給WiFi模塊。經(jīng)由路由器的局域網(wǎng)，通過(guò)正確的配置，把數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器，然后在服務(wù)器界面顯示出來(lái)當(dāng)前整個(gè)裝卸橋的運(yùn)行狀態(tài)和工作環(huán)境。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于集裝箱裝卸橋價(jià)格昂貴，港口設(shè)備資源緊缺等原因，很難用實(shí)機(jī)來(lái)驗(yàn)證該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性，因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)集裝箱裝卸橋的模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕蓹C(jī)械部分和電控部分組成。下面主要對(duì)電控部分進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2.1 控制器的選擇

采用STM32F407ZGT6作為集裝箱裝卸橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控芯片，它不僅檢測(cè)裝卸橋三大機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行環(huán)境參數(shù)，同時(shí)還可控制裝卸橋所需動(dòng)力的各個(gè)電機(jī)的速度。

2.2 各機(jī)構(gòu)動(dòng)力源設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)大、小車和起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行驅(qū)動(dòng)裝置的分析，本文根據(jù)模擬仿真的功能需求，選用自帶編碼器的減速電機(jī)——GM25?370雙通道霍爾編碼器減速電機(jī)，各大機(jī)構(gòu)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)編碼器檢測(cè)出來(lái)。由于單片機(jī)I/O的驅(qū)動(dòng)能力的限制，電機(jī)與單片機(jī)之間還需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，因此，在本設(shè)計(jì)中用到以L298N芯片為核心的驅(qū)動(dòng)模塊。其接線如圖2所示。

2.3 電機(jī)電壓、電流的檢測(cè)

在電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，產(chǎn)生的電壓、電流和轉(zhuǎn)速這三個(gè)變量的大小值可以間接地反映電機(jī)的運(yùn)行是否出現(xiàn)故障。所以本文采用電壓、電流檢測(cè)模塊對(duì)電機(jī)的電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)。

2.4 小車位置定位設(shè)計(jì)

在裝卸橋工作的過(guò)程中，對(duì)小車位置的監(jiān)控很重要，本文利用讀卡器讀卡的方式對(duì)小車進(jìn)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(jī)通信。單片機(jī)循環(huán)查詢讀卡器是否讀取到卡片，并接收讀卡器返回當(dāng)前讀取到的卡片ID號(hào)，再進(jìn)行存儲(chǔ)，然后與單片機(jī)內(nèi)部預(yù)先保存的卡片ID號(hào)進(jìn)行匹配，如果匹配成功，就返回當(dāng)前數(shù)組的下標(biāo)，以此知道當(dāng)前哪張卡片被讀取，也就知道當(dāng)前小車的位置在哪里了。讀卡器模塊與單片機(jī)的連接如圖3所示。endprint

2.5 起升機(jī)構(gòu)的起升高度檢測(cè)

對(duì)于集裝箱裝卸橋起升機(jī)構(gòu)的起升高度，本文采用超聲波模塊來(lái)檢測(cè)。測(cè)量的距離以串口的形式發(fā)送回來(lái)，50 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)給本系統(tǒng)的主控單片機(jī)。

2.6 裝卸橋溫濕度變量的檢測(cè)

在裝卸橋的工作環(huán)境中，過(guò)高的溫度或者濕度都會(huì)直接影響到電機(jī)的使用壽命，因此，檢測(cè)裝卸橋工作環(huán)境中的溫濕度具有一定的必要性。在本設(shè)計(jì)中，利用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器完成對(duì)裝卸橋工作環(huán)境的監(jiān)測(cè)，它與單片機(jī)的接線如圖5所示。

2.7 無(wú)線通信設(shè)計(jì)

無(wú)線WiFi傳輸模塊擔(dān)任著數(shù)據(jù)傳輸作用，是該監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)通道傳輸?shù)膬?yōu)劣直接影響到監(jiān)控質(zhì)量[5]。本文采用以ESP8266為控制核心的WiFi模塊搭建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。模塊的設(shè)置是通過(guò)串口進(jìn)行AT指令設(shè)置的。此WiFi模塊與開發(fā)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(shè)計(jì)

在本文中，與WiFi模塊工作狀態(tài)有關(guān)的還有2個(gè)LED燈和1個(gè)按鍵。LED0的作用是提示當(dāng)前WiFi模塊數(shù)據(jù)發(fā)送是否正常。如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，則LED0間隔0.5 s閃爍。LED1的作用是提示W(wǎng)iFi模塊是否連接上服務(wù)器。如果WiFi模塊與服務(wù)器斷開連接，則LED1閃爍50 ms。開發(fā)板的按鍵設(shè)計(jì)是一個(gè)搖桿按鍵，當(dāng)WiFi模塊沒有連接上路由器時(shí)，必須要向下?lián)u搖桿按鍵持續(xù)1 s，WiFi模塊便自動(dòng)連接上預(yù)先設(shè)定好的WiFi網(wǎng)絡(luò)。

2.9 TFTLCD液晶顯示屏

設(shè)置WiFi模塊時(shí)，通過(guò)串口返回一定的響應(yīng)字符串，為了能夠?qū)崟r(shí)查看響應(yīng)字符串的內(nèi)容，本系統(tǒng)使用一個(gè)2.8寸的TFT液晶顯示屏。通過(guò)響應(yīng)字符串的不同來(lái)判定WiFi模塊是否設(shè)置成功。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送是由μCOS Ⅱ操作系統(tǒng)完成的，它的流程圖如圖7所示。

該操作系統(tǒng)主要完成四項(xiàng)任務(wù)，分別是：

（1） WiFi模塊數(shù)據(jù)包發(fā)送任務(wù)。首先判斷WiFi模塊數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功，然后再根據(jù)其他任務(wù)傳遞過(guò)來(lái)的信息打包成一個(gè)42 B的數(shù)據(jù)包，等待模塊發(fā)送完成。如果數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，那么就進(jìn)入重新連接服務(wù)器的狀態(tài)。

（2） 溫濕度傳感器檢測(cè)任務(wù)。它不停地掃描判斷溫濕度傳感器是否讀取數(shù)據(jù)成功，然后更新數(shù)據(jù)傳遞給WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

（3） RC522讀卡任務(wù)。循環(huán)掃描讀卡器是否尋卡成功，如果有卡片進(jìn)入刷卡區(qū)，那么讀取卡片ID號(hào)，匹配卡片序號(hào)，更新數(shù)據(jù)傳遞給WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

（4） A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)。循環(huán)采集各通道A/D值，把數(shù)據(jù)更新。

3.2 PID速度控制算法

3.3 濾波子程序

在A/D數(shù)據(jù)采集中，模擬信號(hào)很不穩(wěn)定，高頻信號(hào)很多，因此結(jié)合均值濾波和一階低通濾波器把高頻信號(hào)過(guò)濾掉，那么得到的結(jié)果就比較穩(wěn)定了。

3.4 WiFi通信軟件設(shè)計(jì)

3.5 監(jiān)控界面的開發(fā)

本文利用易語(yǔ)言開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了集裝箱裝卸橋監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面。開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)首先需要對(duì)界面進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，然后再根據(jù)界面所需要的功能進(jìn)行代碼編寫。根據(jù)集裝箱裝卸橋監(jiān)控系統(tǒng)的需求，本文設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控的主界面和數(shù)據(jù)庫(kù)記錄界面，如圖8所示。

上位機(jī)監(jiān)控主界面如圖8（a）所示。WiFi模塊成功連接服務(wù)器之后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器上。服務(wù)器主界面上的標(biāo)題欄顯示內(nèi)網(wǎng)IP地址、溫濕度值、小車當(dāng)前位置、起升機(jī)構(gòu)高度，還有各機(jī)構(gòu)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)庫(kù)界面如圖8（b）所示，它主要記錄集裝箱的數(shù)量、到達(dá)時(shí)間等信息。

4 基于無(wú)線局域網(wǎng)港口集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系

統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，本文通過(guò)硬件模擬系統(tǒng)的搭建和軟件系統(tǒng)的編程，構(gòu)建了一個(gè)基于無(wú)線局域網(wǎng)港口集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系統(tǒng)。

當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，向下?lián)軇?dòng)開發(fā)板上的搖桿按鍵，單片機(jī)就會(huì)給WiFi模塊發(fā)送AT配置指令。如果WiFi連接局域網(wǎng)成功，液晶顯示屏則顯示“AT……OK…”，否則顯示“ERROR…WiFi CO”，說(shuō)明WiFi模塊沒有成功連接到局域網(wǎng)。

WiFi配置完成以后，便可以登錄到服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的主界面各參數(shù)框開始顯示單片機(jī)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)，如圖9所示，它反映了單擊操控按鈕之后控制小車的移動(dòng)所產(chǎn)生的運(yùn)行參數(shù)的變化。

當(dāng)小車移動(dòng)到7的位置時(shí)，開始控制起升機(jī)構(gòu)降落到模擬集裝箱上方，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)如圖10所示。

此時(shí)，如果起升機(jī)構(gòu)降落在集裝箱的上空位置不理想時(shí)，可以移動(dòng)一下大車機(jī)構(gòu)，但是只需要移動(dòng)一點(diǎn)位置就可以了，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如圖11所示。

從圖9～圖11可以看出，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地反映集裝箱裝卸橋的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。管理人員可以通過(guò)觀察裝卸橋電機(jī)的電壓、電流和轉(zhuǎn)速等狀態(tài)參數(shù)及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和預(yù)告其出現(xiàn)的運(yùn)行故障[6]。比如電壓、電流都很大，但是轉(zhuǎn)速為零，則可判定當(dāng)前電機(jī)為堵轉(zhuǎn)。

進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)記錄界面，可以看到如圖12所示的內(nèi)容。它包含集裝箱的來(lái)源地、種類、數(shù)量和到達(dá)時(shí)間等信息，相當(dāng)于是裝卸橋作業(yè)集裝箱的歷史記錄一樣。

5 結(jié) 論

針對(duì)裝卸橋運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)問(wèn)題，本文提出一種基于無(wú)線局域網(wǎng)集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系統(tǒng)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，通過(guò)對(duì)裝卸橋模型進(jìn)行模擬測(cè)試，完成了在線數(shù)據(jù)的獲取、監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫(kù)記錄等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠較好地監(jiān)測(cè)集裝箱裝卸橋運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息，為集裝箱裝卸橋運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)和故障診斷提供了一個(gè)有效的解決方案。

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