魏敬成，陳秀生，倪 林，王安麟，徐 剛

（1.山重建機有限公司，山東 臨沂 276024；2.濟南大學(xué) 機械工程學(xué)院，山東 濟南 250022；3.同濟大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201804；4.山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

自2000年以來，我國工程機械呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展的態(tài)勢，工程機械產(chǎn)銷量已位居世界第一［1］.工程機械行業(yè)的迅猛發(fā)展，對工程機械產(chǎn)品及其制造的智能化提出了更高的要求，實現(xiàn)工程機械產(chǎn)品及其制造智能化的前提是對工程機械實現(xiàn)全面、全生命周期監(jiān)控.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是自20世紀(jì)90年代末發(fā)展起來的一項新的信息技術(shù)，其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，系統(tǒng)可以自動地、實時地對物體進行識別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件［2－4］.應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)工程機械監(jiān)控系統(tǒng)，將會實現(xiàn)工程機械全壽命周期、全面的監(jiān)控［5］.

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

工程機械產(chǎn)品監(jiān)控的內(nèi)容主要分為兩部分：靜態(tài)信息和動態(tài)信息.靜態(tài)信息主要包括設(shè)計信息、制造信息、流通信息、維護信息等；動態(tài)信息主要是產(chǎn)品主要部件的狀態(tài)參數(shù)信息，如壓力、流量、溫度、電壓、電流等.為實現(xiàn)動態(tài)信息和靜態(tài)信息的監(jiān)控，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機械監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計如下：

（1）工程機械靜態(tài)信息的采集、存儲和查詢

系統(tǒng)能夠采集工程機械產(chǎn)品整機及其零部件的設(shè)計、制造、銷售、維護和回收等靜態(tài)信息，所采集的信息存儲于系統(tǒng)的服務(wù)器上，操作人員可以根據(jù)需要查詢相關(guān)信息.

（2）狀態(tài)信息的實時采集

實時采集工程機械產(chǎn)品的運行參數(shù)，如：發(fā)動機水溫、機油壓力、系統(tǒng)工作油溫、系統(tǒng)電源電壓、機油溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、燃油油位等.

（3）工程機械產(chǎn)品地理位置信息的采集

針對工程機械作業(yè)趨于分散以及工程機械租賃性使用的特點，系統(tǒng)能夠?qū)崟r地確定產(chǎn)品的地理位置，實現(xiàn)工程機械產(chǎn)品的實時定位和遠(yuǎn)程鎖車功能.

（4）工程機械關(guān)鍵信息的追溯與防偽

系統(tǒng)能夠追溯產(chǎn)品的全生命周期過程信息，以便于實現(xiàn)產(chǎn)品的回收和再制造；能夠防止關(guān)鍵部件被非法更換和非正常維護，保證工程機械產(chǎn)品的可靠性.

西雙和羅衫默默往回走，途中經(jīng)過一個超級市場。西雙頓住腳步，說，給樓蘭買個水杯吧。羅衫問買水杯干什么？西雙說我知道有一種歪嘴兒水杯，杯口伸出一個吸管，可以隨意彎曲，這樣樓蘭躺在床上就可以喝水了。羅衫向他翹起大拇指，說，我就知道你不是那種無情無意的男人。西雙說現(xiàn)在我對樓蘭的確無情無意，買個水杯，說明不了什么吧？拿著買來的水杯往醫(yī)院走，又叮囑羅衫說，一會兒你把水杯送進病房，我就不進去了。

（5）工程故障信息的智能化處理

系統(tǒng)對于狀態(tài)異常的信息，能夠自動報警，能夠為維護人員提供解決方案，實現(xiàn)故障信息的智能化處理.

（6）遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

系統(tǒng)能夠提供過程信息和產(chǎn)品信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，系統(tǒng)操作人員通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與設(shè)備，和現(xiàn)場人員實現(xiàn)交互.

2 技術(shù)方案設(shè)計

（1）信息的采集

根據(jù)信息的種類，信息的采集使用不同的元器件.對于動態(tài)信息，通過安裝在相應(yīng)部件上的傳感器來實現(xiàn)；對于靜態(tài)信息的采集，則通過射頻識別（RFID）標(biāo)簽記錄靜態(tài)信息.

（2）數(shù)據(jù)傳輸方案

數(shù)據(jù)傳輸采用無線和有線兩種方式.現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線傳輸，CAN總線通過CAN收發(fā)器接口芯片82C250的兩個輸出端CAN＿H（高電平）和CAN＿L（低電平）與物理總線相連.對于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，則由全球定位系統(tǒng)（GPS）終端采用通用無線分組業(yè)務(wù)（GPRS）實現(xiàn)傳輸.GPS終端采用無線的方式上傳和接收遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)中心的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)中心和工程機械故障診斷專家系統(tǒng)通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換.系統(tǒng)采用的傳輸方案如圖1所示.

（3）數(shù)據(jù)存儲方案

系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，存儲于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，各子系統(tǒng)及其使用者根據(jù)權(quán)限調(diào)用所需數(shù)據(jù).為防止數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)在存儲于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的同時，在備份數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存儲.

（4）地理位置信息采集方案

工程機械監(jiān)控系統(tǒng)通過GPS和GPRS技術(shù)實現(xiàn)工程機械產(chǎn)品實時采集工程機械產(chǎn)品的地理位置信息.

（5）故障智能化處理

系統(tǒng)通過建立工程機械故障的基本形式、故障原因和故障處理方法的關(guān)系，形成故障處理的基本模式，實現(xiàn)工程機械故障的智能化處理.

（6）各子系統(tǒng)的集成方案

系統(tǒng)按照功能劃分模塊，各子系統(tǒng)獨立開發(fā)，子系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)的傳遞和調(diào)用實現(xiàn)集成.在子系統(tǒng)設(shè)計時，規(guī)定各子系統(tǒng)采用統(tǒng)一的開發(fā)語言（C＃）；通過建立一個統(tǒng)一的監(jiān)控中心（平臺），保證各子系統(tǒng)的互操作性.

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案Fig.1 Data transmission scheme of the monitoring system

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)首先需要對信息進行采集，將采集的信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，再由遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對接收的數(shù)據(jù)進行處理并顯示，同時操作人員可以對系統(tǒng)操作.系統(tǒng)功能的實現(xiàn)需要信息采集技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、中間件技術(shù)、云計算技術(shù)以及一些公共技術(shù)的支持，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用的三層架構(gòu)為基礎(chǔ).基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機械監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示.

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機械監(jiān)控系統(tǒng)通過感知層的傳感器、二維碼、射頻識別標(biāo)簽等實現(xiàn)信息的采集，采集的信息使用網(wǎng)絡(luò)層進行傳輸，在應(yīng)用層進行數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理都是在公共技術(shù)的支持下完成.

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)Fig.2 Framework of the monitoring system

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的三層架構(gòu)和功能要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計為三層：應(yīng)用層、功能層和技術(shù)層.應(yīng)用層用以實現(xiàn)制造、售后、產(chǎn)品、物流、現(xiàn)場管理等領(lǐng)域的監(jiān)控，功能層是監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用后實現(xiàn)的功能，技術(shù)層則是為實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)所做的技術(shù)開發(fā).實現(xiàn)工程機械全面監(jiān)控所開發(fā)的監(jiān)控子系統(tǒng)主要有：制造過程監(jiān)控系統(tǒng)、物流管理監(jiān)控系統(tǒng)、工程機械監(jiān)控RFID應(yīng)用系統(tǒng)、工程機械故障診斷專家系統(tǒng)、工程機械狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機械系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the monitoring system

4 結(jié)語

制造物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是目前先進制造領(lǐng)域研究的熱點，本文作者對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工程機械監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用進行了探索，設(shè)計了系統(tǒng)的功能，并對系統(tǒng)功能實現(xiàn)的技術(shù)方案進行了設(shè)計，進而提出了系統(tǒng)的架構(gòu)和體系結(jié)構(gòu).本研究將為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機械監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)建立基礎(chǔ).

［1］中經(jīng)網(wǎng)數(shù)據(jù)有限公司.中國工程機械行業(yè)分析報告（2012年）［EB／OL］.［2014－03－06］.http：／／www.doc88.com／p－8701692967303.html.China Economic Information Network Data Limited Company.China construction machinery industry analysis reports－2012［EB／OL］.［2014－03－06］.http：／／www.doc88.com／p－8701692967303.html.

［2］王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2009，23（12）：1－7.WANG Baoyun.Review on internet of things［J］.Journal of Electronic Measurement and Instrument，2009，23（12）：1－7.

［3］劉強，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用［J］.計算機科學(xué)，2010，37（6）：1－4.LIU Qiang，CUI Li，CHEN Haiming.Key technologies and applications of Internet of Things［J］.Computer Science，2010，37（6）：1－4.

［4］劉志峰，張宏海.基于RFID技術(shù)的EPC全球網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建［J］.計算機應(yīng)用，2005，25（S1）：14－15.LIU Zhifeng，ZHANG Honghai.Construction of EPC global net based on RFID［J］.Computer Applications，2005，25（S1）：14－15.

［5］陳秀生.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程機械智能化監(jiān)控系統(tǒng)研究［R］.上海：同濟大學(xué)／山推工程機械股份有限公司博士后研究工作報告，2013.CHEN Xiusheng.Study on the intelligent monitoring system of construction machinery based on internet of things［R］.Shanghai：Tongji University／Shantui Construction Machinery Limited Company Post Doctoral Research Report，2013.