一種非接觸式加固數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

葉國云，儲江，葉青云，董志

（寧波如意股份有限公司，浙江 寧波 315600）

0 引言

市面上工業(yè)車輛的品種繁多，有托盤堆垛車、平衡重式叉車、側(cè)面式叉車、三向堆垛車、前移式叉車、叉腿式叉車等，廣泛應(yīng)用于港口、機(jī)場、車間、倉庫、配送中心等[1-2]，是重型貨物搬運(yùn)中必不可少的設(shè)備。工業(yè)車輛屬于特種設(shè)備范疇，由于工業(yè)車輛的專業(yè)性及特殊性，應(yīng)當(dāng)避免其各類安全隱患。

根據(jù)國家質(zhì)檢總局每年對特種車輛的事故統(tǒng)計與分析，特種車輛每年都有安全事故發(fā)生，且造成的損失較為嚴(yán)重，特種車輛的安全管理與預(yù)防不容忽視。據(jù)數(shù)據(jù)分析，安全事故中大部分原因?yàn)樵O(shè)備老化或故障、使用操作不當(dāng)、管理不到位等[3-4]。加裝車輛傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)可對車輛狀況數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時記錄，由于市面上暫無專用記錄儀，多數(shù)為在現(xiàn)有儀表設(shè)備中增加存儲器件以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲，但現(xiàn)有儀表的設(shè)計之初并未考慮到高防護(hù)性，當(dāng)車輛出現(xiàn)嚴(yán)重事故時可能會導(dǎo)致儀表連同存儲數(shù)據(jù)一并被銷毀，給事故分析帶來重大阻礙。為規(guī)避這一問題，本文提出一款非接觸式加固數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。隔離式供電及隔離式通信可以有效防止連接電器損壞時導(dǎo)致電路對數(shù)據(jù)記錄儀的損壞，加固式結(jié)構(gòu)可以避免在發(fā)生嚴(yán)重事故時記錄數(shù)據(jù)被損壞。

1 系統(tǒng)框架

非接觸式加固數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)由記錄儀設(shè)備與固定支架設(shè)備組成，兩個設(shè)備都包含了硬件電路與嵌入式軟件。記錄儀設(shè)備單元電路包含激光發(fā)射電路、激光接收電路、無線充電接收電路、處理器核心電路、數(shù)據(jù)存儲電路，結(jié)構(gòu)上設(shè)計逃逸槽。固定支架設(shè)備單元電路包含CAN通信電路、電源管理電路、處理器核心電路、無線充電發(fā)送電路、激光發(fā)射電路、激光接收電路，結(jié)構(gòu)上有固定擋桿。上述兩個設(shè)備組成的記錄系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)存儲、逃逸槽保證數(shù)據(jù)安全的功能。

圖1 記錄儀設(shè)備整體電路架構(gòu)圖

圖2 固定支架設(shè)備整體電路架構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)整裝效果圖

記錄儀設(shè)備與固定支架設(shè)備通過擋桿螺絲固定安裝。固定支架設(shè)備通過航空連接器連接叉車電源及CAN總線，3個指示顯示是固定支架設(shè)備狀態(tài)。固定支架設(shè)備通過無線充電電路為記錄儀設(shè)備提供非接觸式供電，通過激光收發(fā)電路與記錄儀設(shè)備進(jìn)行非接觸式通信。記錄儀設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲電路放置于頂部的球體內(nèi)密封保護(hù)，圓形球體與下部結(jié)構(gòu)件設(shè)有逃逸槽，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重事故時，逃逸槽斷裂，確保球體內(nèi)的數(shù)據(jù)安全逃逸。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 記錄儀設(shè)備

記錄儀設(shè)備采用加固式金屬材質(zhì)，頂部球狀結(jié)構(gòu)內(nèi)襯防火材料，同時內(nèi)部電路采用防火密封膠灌注形式，確保數(shù)據(jù)存儲電路的安全性。設(shè)計有逃逸槽（如圖4），當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重事故時，逃逸槽斷裂，確保球體內(nèi)的數(shù)據(jù)安全逃逸，整體結(jié)構(gòu)如圖5～圖8所示。

圖4 逃逸槽特寫圖

圖5 記錄儀設(shè)備前側(cè)視圖

圖6 記錄儀設(shè)備后側(cè)視圖

圖7 記錄儀設(shè)備頂部側(cè)視圖

圖8 記錄儀設(shè)備底部側(cè)視圖

記錄儀設(shè)備通信接口采用隔離式激光通信（如圖5），記錄儀設(shè)備采用無線充電形式供電（如圖8），由此可知整個記錄儀設(shè)備無任何線纜連接，全部采用隔離式供電與通信，避免了著火、短路等對記錄儀設(shè)備造成電路或內(nèi)部芯片的損壞。

記錄儀設(shè)備與固定支架設(shè)備使用激光模擬三線SPI通信機(jī)制，固定支架設(shè)備作為SPI主設(shè)備，記錄儀設(shè)備作為SPI從設(shè)備，三線SPI通信時序圖如圖9所示。

圖9 三線SPI時序圖

記錄儀設(shè)備無線充電接收電路如圖10所示，采用5 V/1 A的無線供電方案可滿足系統(tǒng)用電需求。記錄儀設(shè)備選用eMMC存儲芯片，以實(shí)現(xiàn)對激光通信傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速大容量存儲。

圖10 無線充電接收模塊

2.2 固定支架設(shè)備

固定支架設(shè)備采用金屬材質(zhì)，整體結(jié)構(gòu)如圖11～圖13所示。

如圖11及圖12所示，固定支架設(shè)備的凹槽可放入記錄儀設(shè)備，同時擁有6個螺絲鎖緊位置，可在記錄儀設(shè)備放入后，使用擋桿螺絲牢固固定記錄儀設(shè)備。

圖11 固定支架設(shè)備前側(cè)視圖

如圖12及圖13所示，激光通信接口向外凸出，與記錄儀設(shè)備的激光通信凹槽結(jié)構(gòu)匹配，凹凸對接的形式可以避免可見光對激光通信的干擾。其中激光發(fā)送電路如圖14所示，激光接收電路如圖15所示。

圖12 固定支架設(shè)備后視圖

圖13 固定支架設(shè)備頂視圖

圖14 激光發(fā)送電路

圖15 激光接收電路

固定支架設(shè)備的無線充電發(fā)送電路位置與記錄儀設(shè)備的無線充電接收電路位置對應(yīng)，5 V/1 A無線充電發(fā)送電路如圖16所示。

固定支架設(shè)備采用四芯航空連接器與車載的電源與CAN總線進(jìn)行連接，便于快速安裝或卸裝設(shè)備。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)經(jīng)過初步功能調(diào)試，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與記錄的基礎(chǔ)功能，有待進(jìn)一步完善功能后裝載于公司三向揀選堆垛叉車進(jìn)行系統(tǒng)試用，系統(tǒng)主要用于采集車輛數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對車輛狀態(tài)、控制器等設(shè)備故障的監(jiān)控及駕駛員操作監(jiān)控，專業(yè)人員通過監(jiān)控存儲的數(shù)據(jù)來監(jiān)測與評估車輛健康狀況，預(yù)防因?yàn)檐囕v設(shè)備老化等原因?qū)е萝囕v周邊人員及駕駛員的人身安全或貨物財產(chǎn)安全受到損害。

圖16 無線充電發(fā)送電路