基于物联网的汽车起重机远程监控系统设计

摘要：随着物联网、人工智能、大数据技术的发展，越来越多的传统工程机械装备实现了网络化、智能化，其核心是对现有装备的数据进行采集和分析处理。本文首先对汽车起重机关键性能进行论述，从系统的功能和性能需求出发，在物联网三层架构的基础上，介绍了汽车起重机远程监控系统的整体架构和模块划分。

关键词：物联网；远程监控系统；采集控制终端；运营管理中心

一、引言

随着信息技术与先进制造技术高速发展，作为装备工业最重要组成部分的工程机械行业，呈现发展态势。在“一带一路”沿线国家基础设施建设等需求下，工程机械行业产业升级、技术进步是各行业的重要保证和国家综合实力的集中体现。传统的工程机械设备设计重点在于机械、电气、液压系统的功能，随着物联网技术和智能制造技术的发展，越来越多的机械设备通过物物相连的形式联网，通过实时监控设备运行状态，在进一步的保障了设备的运行安全可靠的同时，还能提供更多诸如远程控制、远程维护维修等功能。本文主要介绍基于物联网三层架构的汽车起重机远程监控系统。

二、物联网三层架构

物联网技术在智能装备升级中发挥着重大作用。物联网可分为三层架构，从下到上依次是感知层、网络层和应用层，感知层是物联网三层结构中最基础的一层，主要完成对物体的识别和对数据的采集。网络层是利用各种接入及传输设备将感知到的信息进行传送。应用层是将收集的信息进行处理，为用户提供丰富的服务。基于物联网的汽车起重机远程监控系统的设计体现出了物联网的三个基本特征，即全面感知、可靠传输和智能处理[1]。

三、基于物联网的汽车起重机远程监控系统的功能及性能需求

汽车起重机是装在普通汽车底盘或特制汽车底盘上的一种起重机，是结合了汽车的机动性和起重机的吊装性为一体的起重机械， 其行驶驾驶室与起重操纵室分开设置。汽车起重机的优点是灵活机动、越野性能好，转移迅速，可以自行行驶不用组装直接可以工作，广泛地应用于厂矿企业及工程安装工地，是起重运输业广泛使用的起重机械之一。汽车起重机工作时，汽车的轮胎不受力，依靠四条液压支撑腿将整个汽车抬起来，并将起重机的各个部分展开，进行起重作业。汽车起重机的结构可分为下车底盘部分和上车部分，下车结构与一般的汽车相同，主要考虑到汽车部分的载重性和越野性。汽车起重机的结构和原理决定了它的功能要求，即要求起重机灵活机动，主要是对汽车底盘的要求；要求液压支腿的支撑状态能长时间保持位置不变；要求起重臂在一定范围内任意调整长度和俯角；吊重物在一定速度范围内任意升降，并能在任意位置上能够负重停止。根据汽车起重机使用的实际工作环境和场景，远程监控系统的需求如下：

（一）功能需求

1.远程定位功能：可以随时定位汽车起重机当前所处地详细位置和行驶轨迹。系统可提供包括经纬度、行驶速度、时间等详细数值。要对起重机机型远程控制，首先要對起重机具体位置实时定位，远程定位功能还能满足机主、厂商、工程机械代理商对于设备的运营状况的监控需求，

2.信息采集与处理功能：数据采集处理功能分为两部分，一是需要实时采集起重机的各种工况信息、传感器信息以及非工作状态信息；二是能够对数据进行分类整理、校验、处理。

3.数据传输功能：数据传输分为两个部分，一是传感器、控制器信息与数据采集终端的数据传输功能，此部分功能设计重点在于数据的准确性和实时性；二是数据采集终端通过与运营管理中心的通信，随着越来越多的电控器件及传感器安装在起重机上，如音视频装置等，需要远程传输的数据量比较大，另外运营管理中心接收到车载终端数据后要对起重机进行远程操控，此部分功能设计重点在于高速实时性。

4.远程控制功能：根据汽车起重机结构和工作原理，保证起重机工作时的安全性是非常重要的，因此汽车起重机远程控制功能主要分为：一是起重机安全工作状态监控，主要监控起重机支腿、吊臂、回转机构、变幅机构、吊钩的实时工况，通过和不同的设备型号数据库中相应数据做比对，对于异常工况实时进行远程控制；二是能够进行远程故障诊断，通过采集到的数据分析起重机的故障，并远程提供故障检修指导，并为机主提供维修保养建议；三是根据不同权限级别对设备进行远程开锁机。

5.远程信息管理功能：信息管理系统对于采集的设备信息进行存储和实时分析。可实现的功能包括：售后、维护数据的记录、查询和分析功能，对于不同的权限提供远程参数修改和设置功能，以及WEB访问、智能手机或平板电脑远程访问功能。

（二）性能需求

1.实时性：由于对起重机的工况数据的采集及反馈控制是实时的，如果信息有延迟可能会引起误操作。通过检测设备的关键数据，远程监控系统还能建立故障预警模型，对可能产生的故障在预定的情况下做出预警，提醒监控人员进行处理，保障系统的实时性非常重要。

2.可靠性：远程监控系统可以存储和处理大量汽车起重机的状态信息并对信息进行实时处理，因此该系统及相应的服务器应能长时间无故障运行，以免数据出错及丢失。

3. 安全性：安全性分为两个方面，一是设备信息传输到采集控制终端的过程中，要保证有线传输系统的安全可靠，数据采集终端到运营管理中心的无线传输过程也需要加密处理，防止非工作人员对数据进行截获破坏；二是运营管理中心也要有严格的加密及权限管理要求。

4.可扩展性：该远程控制系统应该具备良好的架构，便于后期对系统功能进行扩展升级，以及与设备厂商所在地内部管理系统实现无缝连接。

四、系统介绍

汽车起重机使用灵活，场景多变，因此很有必要进行远程监控。基于物联网的三层架构，本项目设计的汽车起重机远程监控物联网系统分为三个部分，分别为感知层、网络层和应用层 。

第一部分是感知层，感知层是物联网的核心，是信息采集的关键部分，感知层的作用是通过传感网络获取环境信息。对于本远程监控系统，感知层的设备称为车载采集控制终端，该终端主要完成数据采集、数据传输以及反馈控制功能。

数据采集模块：数据采集模块是采集控制终端的核心模块，是将传感器、控制器信息采集处理后发送给网关，汽车起重机需要采集的数据有工况信息、定位信息以及视频信息。工况信息分为下车和上车两个部分，下车是汽车底盘部分，主要采集汽车行驶的位置及轨迹信息；上车是起重机操作部分，采集的数据有：起重量、起重力矩、起升/下降高度、运行行程、幅度、水平度、风速、回转角度、操作指令、工作时间、累计工作时间、工作循环、工况设置、防后倾、吊点初始位置和最终位置[2]。除工况信息外还需要采集起重机的定位信息及视频监控信息，定位模块GPS数据经过SCI串口与微处理器连接。 视频影像监控起重机的吊点、吊点初始位置和最终位置等信息，视频监控系统由摄像头、无线传输模块、显示器组成，显示部分可通过车载显示操作屏幕实时显示视频画面，也可以将实时录像通过无线传输模块传输到应用层的运营管理中心显示并存储。 以上感知层数据可通过工业网关采集，本系统采用HINET边缘计算网关，该网关是—款面向工业现场设备接入、数据采集、设备监控的工业级边缘计算网关，特点是接口丰富，支持以太网、串口、CAN口、IO口等设备接入及以太网、wifi/4G/5G全网通网络接入，可满足绝大部分工业应用场景及工业设备接入。该网关是一款内嵌工业控制协议，支持远程自定义配置、远程部署、网关状态监控等技术于一体的内嵌网络操作系统的工业级智能网关，内嵌协议分析器可以通过协议分析把现场设备的数据先收集到网关节点计算分析，然后再通过MQTT物联网协议传送到运营管理中心云平台。

数据传输模块：CAN是控制器局域网络（Controller Area Network， CAN）是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络，具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种现场总线，广泛应用于汽车和工程机械领域 ，起重机的数据采集模块和汽车起重机内部的主控制器、输入控制器件、人机交互设备、执行机器、传感器信息等是通过CAN总线系统传输。

反馈控制模块：主要功能是接收和执行反馈控制信息。控制信号也是通过采用 4G 无线数据传输方式将运营管理中心的模拟量及开关量控制信号通过无线的形式远传至终端设备。反馈控制模块核心也是嵌入式微处理器，本系统采用 STM32F103VBT6作为数据采集及控制的微处理器模块。应用层的运营管理中心实时接收采集控制终端发送的信息，根据设备实际情况再将控制指令发送给采集控制终端，反馈控制模块接收到相关控制指令后执行控制操作，包括：远程操控、开/锁机指令，故障预警、紧急情况报警等。本系统在运营管理中心设计了与车载显示操作屏相似的界面，运营管理中心工作人员能够实时监控起重机工作状态，并在需要的情况下对设备进行远程提醒及操控。

第二部分是网络层，汽车起重机主要应用于路桥建设、风电吊装等领域，使用地点偏远，因此应用移动通信技术进行通信。虽然我国已建成全球最大的5G网络，并在技术标准方面在全球起引领作用，但是由于4G网络部署广泛，且在相当长一段时间内4G仍将与5G长期共存，因此本系统采用4G网络传输。本系统采用的物联网无线智能网关可以实现感知网络与通信网络，以及不同类型感知网络之间的协议转换，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。此外该物联网智能网关还具备设备管理功能，运营商通过智能网关可以管理底层的各感知节点，了解各节点的相关信息，并实现远程控制。 随着网络技术的发展，尤其是5G 通信网络覆盖范围越来越大， 5G 移动通信技术体系结构更加灵活，能解决车联网低时延、高带宽、高可靠性等多样化应用场景中因性能差异带来的问题[3]，因此还可以采用5G移动通信技术实现对终端设备的长距离、高速率、实时性地远程监控。

第三部分是应用层，物联网应用层主要处理数据和功能应用两个核心问，从数据上来看，物联网应用层需要把接收到的海量数据进行精准处理和实时管理，这相比管理传统静态数据要复杂很多 ，难点和重点在于数据量巨大以及处理实时性的要求。本系统需要实时采集的数据维度和设备数量多、采集频率高，因此本系统采用开源关系数据库MySQL，该云数据库解决突发访问高峰带来的请求压力，稳定应对高并发流量。从功能上来看，应用层是要将这些数据和具体业务紧密联系起来，实现数据和业务应用相结合。对于起重机远程监控系统，应用层称为运营管理中心，其主要任务是对传送上来的远程数据进行分析与处理、远程实时监控、远程信息管理等，因此运营管理中心的主体功能包括：

1.权限和登录管理。本系统采用B/S模式（浏览器/服务器）网络结构模式，浏览器通过Web服务器与数据库交互，因此用户通过浏览器登录系统，系统对用户的权限进行分别类管理，主要分为设备厂商、代理商、贷款银行和机主用户，用户和厂商设置最多权限，包含有进入实时监控界面，获取实时工况信息，另外厂商的远程控制平台还能处理各种故障和突发问题，在专业人员的监控下还能远程控制设备；代理商和贷款银行主要权限为设备轨迹及定位查询，开锁机控制。登录界面包含有各种验证方式，可以选择需要登录的车型。

2.实时工况数据监控。远程运营管理中心向安装在机械设备上的采集控制终端发送指令，机载终端将当前地位置信息及工作状态信息，通过无线4G网络传输到运营管理中心，来自采集控制终端的信息在运营管理系统中的界面中实时显示，包括有设备基本信息、位置信息、轨迹信息、工况信息及视频信息。除此之外。运营管理中心数据库中有大量真实机械设备原始工况数据，通过将实时信息与数据库中设备历史状态相比对，以及进一步的数据挖掘与数据分析，可以判断起重机实时工作当中的异常状况，预测可能发生的故障并及时处理。

3.远程控制。运营管理中心有专门的控制界面，基本的控制包括有远程故障诊断、开/锁车、远程断电。起重机在非工作状态的位置信息、故障信息等也可传输到运营管理中心，通过与数据库中各种故障信息比对，进行远程故障诊断。还可以通过数据分析，在设备造成故障前向用户提出保养建议。

4.运营信息管理。运营管理中心还包含有远程信息管理系统，系统数据库中保存有关设备信息、机主资料、销售资料、维修与保养资料等各类信息，工程机械厂商、代理商、贷款银行、机主可通过移动终端访问信息管理系统，通过对系统分类管理，防止拖欠贷款，以及事故回溯追踪。

5.云平台。起重机远程监控系统服务部署在云平台上的Web服务器中，运营管理中心云平台与现场多个设备互联，实现现场设备各类工况数据的采集、存储、分析与应用。云平台首先需要具有强大的用户请求响应功能，在操作的过程中可以有效地响应节点上送的数据，并且将这些数据送入到服务器当中，进行数据存储，并且把相应的命令发送给节点，另外还需要在数据管理的过程中依照用户的要求将指令传递给相应的节点，实现子系统的管理和控制[4]。

五、结束語

本文将传统机械控制系统与物联网技术相结合，提出了基于物联网的汽车起重机远程监控系统，系统核心模块包含数据采集控制终端，无线传输模块，以及反馈控制模块，通过运营管理中心对设备进行实时监控。随着物联网技术的发展及广泛应用，工程机械设备也可以和车联网的发展一样，基于物联网、云计算、大数据等核心技术，构建统一开放的工程机械设备联网解决方案，给予工程机械企业和用户数据管理、设备管理和运营管理，基于统一安全的网络接入、各种终端的灵活适配、海量数据的采集分析等能力。

作者单位：许楠    西安信息职业大学

参  考  文  献

[1]许磊.物联网工程导论[M].高等教育出版社，2018.

[2]GB/T 28264—2017，起重机械安全监控管理系统[S]．中国国家标准化管理委员会

[3]杨荣悦，张鹏洲，宋卿.基于5G 技术的智能车联网研究与展望[J].  电信科学， 2020.

[4]郁达飞，吴旦钧.基于云平台的远程监控系统的设计与实现[J].  中国科技纵横， 2020.