嵌入式工程机械远程监控系统设计与实现

白云龙 杨开欣 郭谨玮 董海博 陈晓韦

摘   要：文章主要研究了工程机械远程监控系统，在对监控系统的4层模型进行解析的基础上，详细介绍了系统设计的整体构架，并完成了嵌入式工程机械监控器软件及功能的设计，进而更好地实现远程监控的功能。

关键词：嵌入式;远程监控系统;工程机械监控器

嵌入式系统技术是现阶段研究的热点技术之一，传统工程机械改造通过应用嵌入式系统技术实现逐渐受到国内外行业的重视，同PC机上的软件开发不同，嵌入式系统软件开发与硬件密切相关，通过ARM ADS软件开发环境，以目标机—主机形式完成系统调试，嵌入式系统在开发时可利用的资源有限，通常使用串口、总线接口或液晶屏等完成输入、输出显示，开发时更需具有针对性。

1    嵌入式工程机械远程监控系统总体架构

本文所设计的系统主要由4个层次组成，即远程监控系统、工程机械控制器、监控器及全球定位系统（Global Positioning System，GPS），该系统总体架构如图1所示，通过对新技术的充分运用，实现了实时监控施工机械运行状态及施工进度的功能，采用通信技术将检测结果传递至监控中心进行统计分析和整合工作，实现信息的反馈，且监控中心的专家可远程指导具体工作[1]。

2    监控系统关键模块功能

2.1  工程机械控制器

工程机械控制器部分主要由能够进行独立控制的各控制系统构成，在实现控制功能时，不同系统间根据实际需要可相互协调工作、相互配合，实现数据互通，并同时由上层监控系统控制。

2.1.1  安全监控系统

本文将嵌入式微处理器引入到安全监控系统中，安全监控系统作为系统的核心部分，对工程机械现状的各项运行参数（如起重机吊臂长度、压力等）通过传感器进行监控，同时，完成模拟和计算采集的数据，如起重机起吊重物的质量通过传感器获取后同额定所吊重物质量进行对比，据此完成智能控制，安全监控系统若发现有超负荷工作情况出现，则对故障进行诊断然后给出应急措施，及时实现控制过程。

2.1.2  电液比例控制

控制工程中的电子技术和工程控制设备间，电液比例控制技术已成为两者的桥梁，具备节能、稳定等优势的电液比例控制系统在众多领域得到应用。在本文系统中，电液比例控制系统同中间层的连接通过控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线实现，完成数据的交换、故障的诊断及动作的控制等，例如计算机电液比例控制系统在起重机中的应用，可接收和分析手柄输入的电信号，依据分析结果控制起重机吊臂，从而做出各种动作[2]。

2.1.3  电子节能控制系统

电子节能控制系统在满足生产要求的基础上做到尽可能地节约能源，主要可实现控制工况节能、短期超载、自动怠速及溢流等，需以一定前提为依据，在液压系统的作用下，实际工作状态的分析依据系统判断信号（系统中的压力）完成，嵌入式微处理器在此基础上完成工程机械的处理，控制发动机以确保机械能够科学、准确运行。

2.1.4  发动机ECU系统

随着发动机技术的发展与完善，对电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）功能提出了更高的要求（如信息处理量及处理速度），该系统主要由ECU和传感器构成，其功能在于对发动机的运行进行最大限度的改善，并减少汽车尾气中有害物质的排放量。对机械发动机的动力性实现最大程度的提高，针对现阶段工程中的机械设备多使用柴油发动机的现象，发动机ECU系统主要对燃油定量和喷油定时进行控制，传感器完成相关信息的检测后，将信息传输到电子控制单元执行相应处理，然后通过执行器将处理后的信息传递给发动机完成相应动作。

2.2  工程机械监控器和GPS系统

工程机械监控器和GPS系统处于监控系统的中间层，承接上下层系统的功能。监控器的功能通过人机交互装置实现（主要利用机载前端主机），通过中间层系统工程机械GPS系统采用无线传输技术完成对底层控制系统的实时监控，进而可以做到系统故障的及时发现和报警，使监控与维护等功能在控制中心就可完成，对于特殊故障状况控制中心可通过指导现场工作人员完成。

2.2.1  工程机械监控器

处于整个系统中间层的工程机械监控器，同样需承接上下层系统的功能，前端与底层的控制系统的连接主要通过CAN总线实现，进而通过采集工程机械实时运行状态完成故障的发现及诊断，发出故障报警信息，机载前端控制系统功能（包括数据处理和采集作業状态信息等功能）主要由嵌入式微处理器完成，8位和16位的嵌入式微处理器难以满足目前工程机械监控的要求，本文选用了32位嵌入式微处理器（基于ARM）[3]。

2.2.2  工程机械GPS定位系统

为了实现工程机械地理位置信息的准确获取，将GPS技术引入到了嵌入式工程机械监控系统中，采用串口连接的方式完成GPS模块在系统中的嵌入，采用NMEA0183 ASC II码完成传递至串口处理程序进行信息处理和解读，实现相关信息的获取，从而实现和控制中心的远程通信。

2.3  远程监控系统

作为整个监控器系统的核心，远程监控中心可以将各种信息（制造厂、设计单位及不同地点）有机集合起来，以确保能够全面处理信息并有效利用资源，通过远程监控中心合理调度工程机械机群，从而使整个工程机械的作业效率得以提高。

3    软件功能设计

3.1  系统主函数

采用4×4键盘及扫描程序，由于监控器外围设备（主要是串行口设备）较多，需要监控器和设备相互发/收信息，本文通过串行口扫描程序扫描各串行口，并完成了专门的栈存储数据的设立。

3.2  軟件功能

3.2.1  基本界面显示

界面上全部信息的显示才能确保控制功能的有效实现，系统采230×125的LCD显示器，内容分别在3部分显示：系统指令、信息区，状态参数区，故障报警区。

3.2.2  GPS数据处理和下位机信息的接收

监控器接收GPS模块定时发送的信息（采用ASCII码协议，每秒向监控器发送字符串），主要包括终端的经纬度、速度等信息，系统的串行口扫描程序处于连续扫描的工作状态，接收字符时串行口需调用GPS数据处理程序，在数组里存储串行口（串行口采用查询方式）所接收的数据，经GSM处理程序提取后发送出去，每接收一个字符提取一次。

通过下位监控器系统各传感器完成系统状态信息的采集，通过统一协议格式的制定，下位监控器信息的读取可通过串行口完成，然后将整理后的信息传输给监控器。

3.2.3  数据处理与故障处理

以下位监控器传输来的信息为依据，完成系统所需参量的计算，同时将需发送的数据存储至特定数组中，如通过左/右轮转动的速度完成机体速度的计算及在速度数组中的储存。

系统故障的实时显示及记入故障数组由故障处理环节负责完成，并发送至管理中心，可分为监测计算机故障和自动故障（通过下位监控器信息数组的读取完成相应判断）、人工故障和停机时间输入（通过键盘完成输入，同时在数组中写入信息，以短消息的形式发送出去）。

4    结语

控制器作为智能控制系统的关键，随着嵌入式技术逐渐应用在传统工业中，本文主要研究了工程机械远程监控系统，完成了嵌入式工程机械监控器系统的设计，在对监控系统的4层模型进行解析的基础上，详细介绍了系统设计的整体构架，并完成了嵌入式工程机械监控器软件及功能的设计，本文以32位处理器作为核心，利用传感器、信息及通信及GPS等高科技手段实现嵌入式工程机械远程监控系统的设计，进而更好地实现远程监控的功能。

[参考文献]

[1]潘晓贝.嵌入式技术在远程监控系统中的应用[J].长沙民政职业技术学院学报，2018（1）：122-124.

[2]张帆.混合动力工程机械动力系统的构成理论现状及研究进展[J].时代农机，2017（5）：104-105.

[3]黄祎.野外通讯监控器设计[J].时代农机，2015（5）：36-37.

Abstract：This paper mainly studies the remote monitoring system of construction machinery， on the basis of analyzing the four-layer model of the monitoring system， the overall framework of the system is introduced in detail， the software and function of the embedded construction machinery monitor are designed， and then realize the function of remote monitoring better.

Key words：embedded; remote monitoring system; construction machinery monitor