基于Web的非开挖钻机远程监控系统



基于Web的非开挖钻机远程监控系统

0引言

我国新型城镇化建设的加快有效地促进了非开挖行业的发展。截止到2013年年底，国内非开挖钻机保有量已达13 030台(含进口钻机413台)。在未来一段时间内，城镇基础设施建设、油气管道建设、管道修复等方面对非开挖钻机的需求量还会持续增长[1]。非开挖钻机施工环境比较恶劣，对企业产品的使用寿命和服务质量都造成极大的影响。Internet技术和集成电路的发展使得远程控制成为可能，及时掌握钻机工作状况对钻机的故障诊断[2]、售后维修等都起着重要作用。

传统的监控系统由于其局限性和专用性，已不能满足现代企业生产管理扁平化、精细化发展的要求[3]。Web服务器发布系统的出现为监控系统提供了基于浏览器/服务器(browser/server，B/S)的三层架构模型，形成了“瘦服务器端-胖服务器端-瘦服务器”模式[4-6]。本文以全球移动通信系统(global system for mobile communication，GSM)和Internet作为通信平台，以Java Web、数据库技术为基础，通过8位微处理器采集钻机数据，利用GSM技术传送钻机信息。Web服务器端将数据存入数据库并将其解析到Web前端，当存在数据异常时后台通过GSM发送报警短信，警告、通知钻机所有者，从而实现对钻机运行状态监控、故障预警等，为钻机的安全使用提供保障。

1系统总体方案

本系统包括现场监测与控制子系统(简称信息采集终端)、数据存储与转发子系统(简称中间子系统)、服务器端数据接收与命令发送子系统(简称服务器端)[7-8]三部分。系统结构图如图1所示。

信息采集终端安装在非开挖钻机上，用于采集钻机回转压力、回拖压力、泥浆泵压力、全球定位系统(global positioning system，GPS)等数据并将数据打包发送到终端的GSM模块[9]，然后将数据发送到服务器端GSM接收模块。当服务器端接收到钻机数据后，将数据存储至钻机数据库，同时服务器端对钻机数据进行处理并将其显示在Web前端。当钻机数据存在异常时，后台服务器端将通过GSM端口发送报警短信，提醒钻机所有者钻机运行状态异常。

图1　系统结构图

2信息采集终端设计

信息采集终端主要由数据采集、数据传输、钻机控制三部分组成，原理图如图2所示。

图2　硬件原理图

2.1数据采集模块

数据采集模块主要完成钻机运行参数的采集与预处理。模块采用12C5A60S2单片机为主控芯片，其最高工作频率达17 MHz，能够很好地满足间歇性采样的需求。数据采集模块每隔一段时间对钻机运行参数、GPS信息进行采样，并将传感器采集到的模拟信号传送至单片机。单片机通过片内10位A/D转换器对模拟信号进行A/D转换，然后将钻机数据进行打包，最后将打包后的数据发送到数据传输模块。数据采集模块工作流程图如图3所示。

图3　数据采集模块工作流程图

2.2数据传输模块

数据传输模块采用芯讯通无线科技(上海)有限公司SIM900A型GSM模块。单片机通过串口与GSM模块进行通信，并通过AT指令对模块进行控制。当GSM模块接收到单片机发出的发送指令后，GSM模块将单片机发送过来的数据包通过短信的形式发送至服务器端。数据格式如图4所示。

图4　数据格式

当服务器端接收到信息采集终端传送的数据时，Web浏览器下的Applet程序将对数据进行分析、处理，并向Web服务器发送HTTP请求；Applet通过Servlet对数据库进行访问，并将数据存储至数据库[10]。

2.3钻机控制模块

钻机控制主要控制钻机的运行状态，当钻机所有者认为钻机操作或运行存在异常，可通过手机短信的形式对钻机进行远程的关机操作，以达到保护钻机的目的，其控制流程如图5所示。

钻机启动后，系统对GSM模块进行初始化。当GSM收到新短信后，单片机读取信息并通过对信息中的关键字识别判断信息是否为有效信息(控制指令)。当信息为控制指令时，单片机通过控制继电器的断开来关闭钻机电源，从而关闭钻机。

图5　控制模块工作流程图

3系统软件设计

3.1软件工作流程

监控系统软件主要由数据接收、数据处理与存储、MySQL数据库、Web服务和Web应用程序等组成[11]。

数据接收部分主要负责接收信息采集终端发来的钻机数据，并在钻机数据存在异常时发送控制指令与报警信息。数据接收部分通过Java中开源的RXTX接口实现串口通信，从而实现对GSM模块的AT指令控制。数据处理与存储主要是对接收到的钻机信息进行解析，并将数据存储至相应钻机的数据库表中，以用于Web前端用户对数据的查询。MySQL数据库[14]为整个系统提供数据的存储与查询服务，系统主要通过Java提供的JDBC(Java数据库连接)技术来实现对数据库的开发。Web服务是Web应用程序的一部分，用户通过Web应用程序实现钻机数据查询、地理位置监视、线上交流等功能。

3.2软件功能设计

监控软件主要实现了管理员(钻机厂商)对钻机的系统化管理，也为用户(钻机所有者)提供了一个对钻机进行监控的平台。因此，根据软件功能需求的不同将软件分为用户、管理员两种模式。用户模式主要包括系统登陆、钻机属性查询、钻机维护计划、钻机位置监控、在线交流、修改密码等公共模块，而管理员模式中则增加了钻机历史纪录、钻机实时监控、系统管理功能。软件功能设计如图6所示。

图6　软件功能设计图

Web前端[12-13]在首页上给用户提供了产品介绍、公司新闻、用户须知、维修提醒等快捷信息，方便用户对公司、钻机进行详细了解。在钻机属性模块中，用户可对自己所购买钻机的详细参数进行查询。针对用户购买钻机类型的不同，公司提供了两种维修计划，方便用户及时对钻机进行维护保养。当钻机出现异常时，用户可通过在线交流与钻机厂商进行线上交流，钻机GPS也可以给服务人员提供详细的钻机位置，方便他们第一时间到达施工现场排除故障。同时，系统为管理员提供了钻机详细的实时监控数据、历史数据与系统管理功能，可以对钻机进行长时间的钻机性能监测与系统化管理。

4系统测试

将监控系统软件及信息采集终端安装好后进行系统测试，测试的主要项目包括传感器检测测试、GPS定位测试、局域网测试、钻机控制测试等。测试过程中，通过对所测试钻机多次的开关机、施工操作以得到钻机运行参数，并在Web前端的监控软件中查看钻机状态。通过多次系统测试得到下面几个结果。

(1)在实时监控系统中，信息采集终端对钻机数据每隔30 s进行一次监测，并将监测数据发送至服务器端，Web服务得到数据处理并存储至数据库。在Web前端调用数据库表，可查看到接收到的钻机数据信息，如表1所示。

表1　钻机数据

在钻机GPS监测时，由于直接引用百度地图API造成测试坐标与百度地图实际位置存在偏差，因此在调用百度地图时，进行了必要的坐标转换，坐标转换后实际位置与测试位置间偏差较小。

(2)使用路由器建立包括主机在内的多台电脑组成的局域网，对系统进行局域网测试。测试时，以主机作为服务器并获取其IP配置，主机IPV4地址为192.168.1.101。在局域网内任一台PC机上访问网址192.168.1.101:8080/mylogin/index.jsp可以登录监控系统并进行其他操作。

5结束语

本文运用Web技术实现了3层B/S架构下的非开挖钻机远程监控系统。通过远程监控系统，用户可以对钻机的运行状态进行实时监控，及时发现钻机运行中出现的问题，并可以和钻机售后人员进行线上交流，并迅速找出故障原因；同时，用户可远程对钻机进行控制，以保证钻机的安全运行。在Internet技术高速发展的今天，将Web技术运用到远程控制方面，不仅对非开挖行业在钻机管理、监控和远程故障诊断方面有重要意义，也对其他工程机械在远程监控方面具有借鉴意义和推广价值。

参考文献

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[14]Ben F.MySQL必知必会[M].刘晓霞,钟鸣,译.北京:人民邮电出版社,2009.

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Remote Monitoring System Based on Web for Trenchless Drilling Rig

黄雷文国军张奥东

(中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院，湖北 武汉430074)

摘要：针对非开挖钻机工作环境恶劣、故障率较高等现状，设计了一种基于Web的非开挖钻机远程监控系统，实现对非开挖钻机的实时监控。系统由信息采集终端和服务器端软件组成，以8位单片机为主控芯片的信息采集终端对钻机运行参数进行采集、发送并控制钻机；服务器端通过Java串口通信技术将接收到的钻机数据进行处理并存储至MySQL数据库,动态发布钻机参数，实现对钻机的有效监控和系统性管理。现场运行情况表明，该系统运行稳定，对其他工程机械的远程监控具有很好的借鉴意义。

关键词：钻机全球移动通信系统监控信息采集数据处理串口通信控制软件设计故障预警

Abstract：To solve the problems of harsh working conditions and higher failure rate that the trenchless drilling rigs have to face,the remote monitoring system based on Web for trenchless drilling rig is designed.The system consists of two parts; the information acquisition terminal and the sever software.The information acquisition terminal takes the 8- bit single chip microcomputer as the master control chip to collect and send the operating parameters of the trenchless drilling rig and control the drilling rig,Through the Java serial port communication technology,the server processes the parameters of rigs and then stores the data in MySQL database,and dynamically releases the parameters of the rig to implement effective monitoring and systematical management for the drilling rig.According to the field operation,it shows that the system operates stably and provides good reference for the remote monitoring of other engineering machinery.

Keywords:Drilling rigGlobal system for mobile communication (GSM)MonitoringInformation acquisitionData processingSerial communicationControlSoftware designFault alarm

中图分类号：TP277;TH6

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604019

国家自然科学基金面上基金资助项目(编号：41272174)。

修改稿收到日期：2015-08-15。

第一作者黄雷(1991-)，男，现为中国地质大学(武汉)机械工程专业在读硕士研究生；主要从事机械设计、自动控制方向的研究。