嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓超 強(qiáng)偉 唐正飛

摘要：文章主要針對(duì)嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控器系統(tǒng)進(jìn)行研究與分析，解析嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的4層模型，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)解析嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體構(gòu)架。

關(guān)鍵詞：嵌入式；工程機(jī)械監(jiān)控器；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的4層模型

基于嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要分為4個(gè)層次，如圖1所示，由工程機(jī)械控制器、監(jiān)控器以及工程機(jī)械GPS定位系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。本文提出的監(jiān)控系統(tǒng)中充分利用了計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)等，通過(guò)這些新技術(shù)的運(yùn)用能夠?qū)κ┕みM(jìn)度以及施工機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)合通信技術(shù)將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行傳遞，由監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與整合。相關(guān)工作人員作為系統(tǒng)一部分，可以實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的對(duì)接，反饋施工現(xiàn)狀，同時(shí)監(jiān)控中心的專(zhuān)家也能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)。下面就基于嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的層次進(jìn)行解析。

1.1 工程機(jī)械控制器

如圖所示，是嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的最基礎(chǔ)部分，主要由各個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成，包括安全監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit， ECU）系統(tǒng)等。在工程機(jī)械控制器的各個(gè)控制系統(tǒng)之間，系統(tǒng)本身獨(dú)立控制，但不同系統(tǒng)之間又能夠相互聯(lián)系協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械控制功能。同時(shí)，不同控制系統(tǒng)之間互相配合、數(shù)據(jù)互通，接受上層監(jiān)控系統(tǒng)的控制。

1.2 工程機(jī)械監(jiān)控器和工程機(jī)械GPS系統(tǒng)

嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)中的工程機(jī)械監(jiān)控器以及工程機(jī)械GPS系統(tǒng)處于整個(gè)系統(tǒng)的中間層，具有承接工程機(jī)械控制器和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能。工程機(jī)械監(jiān)控器主要利用了機(jī)載前端主機(jī)，通過(guò)人機(jī)交互裝置實(shí)現(xiàn)功能的。工程機(jī)械GPS系統(tǒng)采用了GPS技術(shù)以及GPRS無(wú)線傳輸技術(shù)[1]。通過(guò)中間層系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)最底層控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障并給出報(bào)警，在控制中心就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與維護(hù)等功能，出現(xiàn)不能遠(yuǎn)程控制解決的故障時(shí)，還可以通過(guò)控制中心根據(jù)故障狀況給現(xiàn)場(chǎng)工作人員指導(dǎo)。

1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

作為整個(gè)嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的頂層，主要由結(jié)構(gòu)化查詢(xún)語(yǔ)言（Structured Query Language，SQL）信息管理系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心構(gòu)成，還引入電子地圖模塊。由于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心的引入，用戶在遠(yuǎn)端就能夠了解工程機(jī)械的實(shí)時(shí)狀況，在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)能夠根據(jù)故障信息和數(shù)據(jù)庫(kù)中已有故障信息進(jìn)行匹配，提供遠(yuǎn)程專(zhuān)家?guī)椭鉀Q故障問(wèn)題。

2 工程機(jī)械控制器

2.1 安全監(jiān)控系統(tǒng)

在安全監(jiān)控系統(tǒng)中引入了嵌入式微處理器，而且以此為核心。結(jié)合傳感器來(lái)對(duì)工程機(jī)械現(xiàn)狀的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，比如起重機(jī)吊臂長(zhǎng)度、壓力等，對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬和計(jì)算。比如在起重機(jī)中可以利用傳感器來(lái)知道起吊重物的質(zhì)量，并和起重機(jī)的額定所吊重物質(zhì)量進(jìn)行比對(duì)和智能控制。當(dāng)出現(xiàn)超負(fù)荷工作的時(shí)候，安全監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)及時(shí)作出反饋，診斷故障，給出應(yīng)急措施。

2.2 計(jì)算機(jī)電液比例控制系統(tǒng)

在當(dāng)前現(xiàn)代控制工程當(dāng)中，電液比例控制技術(shù)是基本構(gòu)成技術(shù)之一，尤其是近10年來(lái)得到迅速發(fā)展，成為當(dāng)前工程控制設(shè)備和電子技術(shù)的橋梁。電液比例控制系統(tǒng)也是在傳統(tǒng)電液伺服技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，目前由于節(jié)能、可靠等優(yōu)越性在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用[2]。以起重機(jī)為例，計(jì)算機(jī)電液比例控制系統(tǒng)中能夠根據(jù)手柄輸入的電信號(hào)進(jìn)行接收和分析，在分析的基礎(chǔ)上對(duì)起重機(jī)的吊臂進(jìn)行控制，做出各種動(dòng)作。結(jié)合控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線實(shí)現(xiàn)和中間層的連接以及數(shù)據(jù)交換、故障診斷等。

2.3 電子節(jié)能控制系統(tǒng)

電子節(jié)能控制系統(tǒng)基于一定前提進(jìn)行的，結(jié)合液壓系統(tǒng)，將該系統(tǒng)中的壓力作為系統(tǒng)判斷的信號(hào)來(lái)分析機(jī)械的實(shí)際工作狀態(tài)。嵌入式微處理器能夠結(jié)合實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行工程機(jī)械的處理，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的科學(xué)準(zhǔn)確運(yùn)行，滿足生產(chǎn)要求的基礎(chǔ)上最大限度的實(shí)現(xiàn)節(jié)能[34]。目前電子節(jié)能控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)主要包括分工況節(jié)能控制、短期超載控制、自動(dòng)怠速控制、溢流控制。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)ECU系統(tǒng)

該系統(tǒng)實(shí)際是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元系統(tǒng)的主要功能是最大限度地改善發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，提高其經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)減少汽車(chē)尾氣中有害物質(zhì)的排放，提高其環(huán)保性；通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU系統(tǒng)還能夠最大限度地保證機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。在目前的工程中應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備大多是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，因此在利用發(fā)動(dòng)機(jī)ECU系統(tǒng)進(jìn)行控制的時(shí)候主要控制的是燃油定量和噴油定時(shí)問(wèn)題，該系統(tǒng)主要由ECU和傳感器構(gòu)成。傳感器在檢測(cè)到各種信息之后，能夠傳遞到電子控制單元進(jìn)行信息的處理，處理之后通過(guò)執(zhí)行器傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)作。在當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展與提高，對(duì)于電子控制單元信息處理量以及處理速度也提出了更高的要求。

2.5 其他控制系統(tǒng)

在嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控器系統(tǒng)中，要想實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)控制功能，不僅僅需要上述幾個(gè)系統(tǒng)，還需要引入其他控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中引入了功率分配控制系統(tǒng)等，希望能夠進(jìn)一步提高工程機(jī)械監(jiān)控器系統(tǒng)的控制水平。

3 工程機(jī)械監(jiān)控器

工程機(jī)械監(jiān)控器對(duì)于整個(gè)工程機(jī)械而言，屬于中間層，能夠承接頂層的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，而且能夠承接底層的工程機(jī)械控制器。通過(guò)CAN總線將前端的控制系統(tǒng)和底層的控制系統(tǒng)連接起來(lái)，從而可以實(shí)時(shí)采集工程機(jī)械實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，也能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程機(jī)械運(yùn)行中的故障和潛在的故障[5]，針對(duì)發(fā)現(xiàn)故障問(wèn)題給出報(bào)警信息，另外可以聯(lián)合人機(jī)交互裝置來(lái)發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的控制。嵌入式微處理器作為機(jī)載前端監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成部分，直接決定著機(jī)載前端控制系統(tǒng)的功能，在當(dāng)前采用的嵌入式微處理器主要是8位和16位的，已經(jīng)不能適應(yīng)工程機(jī)械監(jiān)控的要求，基于ARM的32位嵌入式微處理器成為未來(lái)嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控器系統(tǒng)的發(fā)展潮流。機(jī)載前端監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能有：工程機(jī)械作業(yè)狀態(tài)信息采集功能、人機(jī)交互功能、數(shù)據(jù)處理功能。

4 工程機(jī)械GPS定位系統(tǒng)

在嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)中引入GPS技術(shù)的主要目的是能夠獲取工程機(jī)械的地理位置信息，將GPS模塊嵌入系統(tǒng)當(dāng)中采用串口連接的方式，定時(shí)向系統(tǒng)發(fā)送位置信息。在當(dāng)前技術(shù)的應(yīng)用中采用美國(guó)NMEA0183 ASC II碼來(lái)傳遞位置的經(jīng)緯度以及工程機(jī)械運(yùn)行速度等各種信息，串口處理程序接收到這些信息之后，能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行處理解讀得到經(jīng)緯度信息，并將系統(tǒng)通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行信息傳遞，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)和控制中心的通信。

5 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心作為嵌入式工程機(jī)械監(jiān)控器系統(tǒng)的一個(gè)核心，能夠?qū)⒅圃靚設(shè)計(jì)單位以及不同地點(diǎn)的各種信息有機(jī)集合起來(lái)的，在繁雜的信息基礎(chǔ)上需要實(shí)現(xiàn)信息的全面處理以及資源的有效利用，就必須要加強(qiáng)有效的遠(yuǎn)程服務(wù)與調(diào)度建設(shè)，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)這一功能。對(duì)工程機(jī)械機(jī)群合理的調(diào)度，最終能夠提高整個(gè)工程機(jī)械的作業(yè)效率。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著工程機(jī)械的發(fā)展必須要加強(qiáng)智能控制系統(tǒng)的建設(shè)，在智能控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵時(shí)候控制器。新興的嵌入式技術(shù)開(kāi)始得到發(fā)展，并且在傳統(tǒng)工業(yè)中進(jìn)行改革與應(yīng)用，目前嵌入式技術(shù)將32位處理器作為核心，同時(shí)綜合運(yùn)用了傳感器技術(shù)、信息技術(shù)以及通信技術(shù)、GPS技術(shù)等高科技手段，來(lái)促進(jìn)工程機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展。

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