司癸卯，肖 鵬，段智輝

（1.長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065）

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展以及多學(xué)科技術(shù)的綜合應(yīng)用，工程機械的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)［1－2］得以真正實現(xiàn).對快速液壓夯實機而言，業(yè)主以及監(jiān)理方希望對機械進行遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而提高監(jiān)管力度.同時，對機械進行地理定位，可以很好地實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度和管理.因此十分有必要開發(fā)出一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以滿足市場信息化發(fā)展的需求.

1 快速液壓夯實機

快速液壓夯實機［3］是一種對材料進行壓實的工程機械.它利用裝載機液壓能把重錘提升到一定的高度，然后釋放重錘來產(chǎn)生強大的垂直作用力，并直接作用在緩沖底座上，底座上強大的沖擊力間接作用在被壓材料上，進而對材料進行壓實.重錘提升時，選用安裝在箱體不同位置上的開關(guān)來控制重錘的各檔沖程.重錘釋放下落時，在蓄能器產(chǎn)生的液壓能和重錘自身的重力勢能的雙重作用下，重錘加速下落.重錘直接夯擊到接地緩沖底座，產(chǎn)生強大的沖擊力，底座沖擊力作用到被壓材料上，從而完成一次夯實作業(yè)過程.在箱體上安裝對應(yīng)的夯實深度檢測裝置，通過傳感器的微小變化量間接反映夯實質(zhì)量.快速液壓夯實機的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計

從快速液壓夯實機的遠(yuǎn)程監(jiān)控的組成部分來看，整個監(jiān)控系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理3個模塊，如圖2所示.

圖1 快速液壓夯實機整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Whole structure of high－speed hydraulic tamper

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of remote monitoring system

數(shù)據(jù)采集是利用不同功能的傳感器完成不同工況參數(shù)的采集.同時，GPS（Global Positioning System）接收機對夯實機的地理信息進行接收、存儲，MCU（Micro Control Unit）對數(shù)據(jù)進行一定的處理后，等待數(shù)據(jù)傳輸命令.數(shù)據(jù)傳輸模塊是利用GPRS（General Packet Radio Service）傳輸模塊把采集到的工況數(shù)據(jù)以及地理位置信息打包附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，GPRS的通信機能保證數(shù)據(jù)及時準(zhǔn)確地傳送到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)處理終端.數(shù)據(jù)處理是整個系統(tǒng)的上位機部分，主要保證數(shù)據(jù)的及時處理與顯示.數(shù)據(jù)異常時，及時報警.

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是軟硬件結(jié)合的綜合技術(shù)產(chǎn)物.硬件是保證系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)運行的關(guān)鍵.該系統(tǒng)中硬件的設(shè)計主要包括控制器模塊、GPRS模塊、GPS模塊以及圍繞不同模塊的外圍器件.硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.

圖3 硬件整體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Whole hardware structure

3.1 控制器模塊

從系統(tǒng)的經(jīng)濟性以及整個監(jiān)控系統(tǒng)的要求出發(fā)，選用AT89C52單片機作為數(shù)據(jù)采集模塊中的數(shù)據(jù)處理器［4］.單片機適合于事務(wù)密集的場合.另外，AT89C52是低電壓、低功耗、高性能的8位單片機，內(nèi)部采用的高密度、非易失性存儲技術(shù)也保證了其適合較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理以及控制場合.

3.2 GPRS模塊

數(shù)據(jù)的傳輸方式通常分為有線傳輸和無線傳輸.有線傳輸時，首先需要進行布線操作，為數(shù)據(jù)提供有效可行的傳輸鏈路.另外，有線傳輸支持的傳輸協(xié)議較少，只能提供特定協(xié)議下的數(shù)據(jù)傳輸.總的來說，有線傳輸固能保證數(shù)據(jù)的傳輸，但是建設(shè)成本太高，不利于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的搭建.無線傳輸?shù)奶攸c就在于數(shù)據(jù)的傳輸不受地理位置的限制，因此傳輸距離就可以得到有效保證.最大的優(yōu)點就是可以直接利用運營商已經(jīng)建好的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)以及基站完成數(shù)據(jù)的傳輸與交換.按照流量使用情況的計費標(biāo)準(zhǔn)保證了大量持續(xù)性以及間斷性數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕?jīng)濟性.從夯實機的作業(yè)環(huán)境以及其流動性大的實際特點出發(fā)，選用無線通信網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足數(shù)據(jù)的傳輸要求.

無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式有很多種.目前應(yīng)用最廣、技術(shù)成熟、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的是GPRS網(wǎng)絡(luò).GPRS網(wǎng)絡(luò)是基于全球移動通訊系統(tǒng)GSM（Global System of Mobile communication）網(wǎng)絡(luò)上的通信網(wǎng)絡(luò)，其實質(zhì)上仍然遵循GSM網(wǎng)絡(luò)的通信機制，只是在GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入了兩個新的通訊節(jié)點［4－5］，即SGSN（Serving GPRS Support Node）和 GGSN（Gateway GPRS Support Node）.SGSN，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接入點控制和安全功能設(shè)置，保證了用戶能夠在端到端的分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這樣可以更有效地傳輸高速數(shù)據(jù)和信令.GGSN支持組之間的數(shù)據(jù)互通，把GSM網(wǎng)絡(luò)中GPRS分組數(shù)據(jù)包進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后傳送到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)接收網(wǎng)絡(luò).GPRS在傳輸協(xié)議上完全支持TCP／IP（Transmission Control Protocol／Internet Protocol）協(xié) 議，通 過GPRS模塊獲取的動態(tài)IP就可以將傳輸過來的數(shù)據(jù)發(fā)送到具有固定的IP網(wǎng)絡(luò).

從數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊髞砜?，選用西門子公司的MC35iGPRS模塊符合數(shù)據(jù)的傳輸要求.該模塊在設(shè)計上充分考慮到了實際的安裝需求，完全采用緊湊型設(shè)計，為用戶提供了簡單的無線連接，可以永久保持在線，方便數(shù)據(jù)在任何時間、任何網(wǎng)絡(luò)覆蓋點的傳輸.同時提供171.2kbps的傳輸速率，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?

3.3 GPS模塊

利用GPS［6］定位系統(tǒng)建立的實時導(dǎo)航定位系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于不同的行業(yè)中.從GPS系統(tǒng)的構(gòu)成出發(fā)，使用者是作為接收機部分，主要負(fù)責(zé)接收定位設(shè)備的地理位置信息.GPS接收機在本系統(tǒng)中的工作原理如圖4所示.本系統(tǒng)中選用GARMIN（佳明）公司生產(chǎn)的GPS25－LVS［7］系列的OEM（Original Equipment Manufacture）板.其采用5V供電，內(nèi)置保護電池，有RS232和TTL（Transistor Transistor Logic）兩種電平輸出形式，市場占有率高，具有很高的性價比.GPS信息經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的原理如圖5所示.GPS25－LVS與AT89C52的硬件連接原理圖如圖6所示.

圖4 GPS接收工作原理Fig.4 Schematic diagram of GPS reception working

圖5 GPS由GPRS傳輸數(shù)據(jù)Fig.5 GPRS transmit data to GPS

圖6 GPS25－LVS與AT89C52的硬件連接圖Fig.6 Hardware connection structure for GPS25－LVS and AT89C52

3.4 外圍電路

圍繞主控制器和GPRS通信等模塊設(shè)計其對應(yīng)的外圍擴展工作電路，包括電平的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的串行通信、看門狗電路和SIM卡電路等.不同電平的轉(zhuǎn)換保證了器件可以在各自的工作電壓下正常工作.由于TTL電平和RS232電平不能直接相連通信，因此還需要MAX232［8］電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)TTL電平和RS232電平的互相轉(zhuǎn)換.看門狗電路的設(shè)計可以確保主控制器程序在跑飛的情況下重新回到系統(tǒng)上電時的初始狀態(tài)，此時系統(tǒng)重啟一次.開通GPRS網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)的SIM（Subscriber Identity Module）卡以及對應(yīng)的管腳通電工作是數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤?

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計是對硬件采集到數(shù)據(jù)的最終處理，是數(shù)據(jù)處理結(jié)果的直接顯示與說明.

數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖7所示.主要完成數(shù)據(jù)的初始化、故障檢測等工作.數(shù)據(jù)沒有故障時，直接進入工作狀態(tài).此時，傳感器開始工作，完成不同工況參數(shù)的采集.出現(xiàn)故障時，及時報警，停止當(dāng)前的工作狀態(tài).

數(shù)據(jù)傳輸是利用GPRS網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)的.需要對數(shù)據(jù)按照設(shè)定的通信機制和協(xié)議要求進行轉(zhuǎn)換處理，確保數(shù)據(jù)滿足GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求.對應(yīng)的流程圖分別如圖8和9所示.圖8中，TCP（Transmission Control Protocol）是傳輸控制協(xié)議；圖9中PPP（Point to Point Protocol）是點對點協(xié)議.

數(shù)據(jù)處理作為整個遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的上位機部分，是對整個監(jiān)控動態(tài)參數(shù)的最終顯示和直接說明.利用Visual Basic可視化軟件開發(fā)整個監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心界面，完成不同的工況參數(shù)和地理信息的顯示.監(jiān)控系統(tǒng)異常時，及時報警.最后，整個遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)搭建完成后，需要對監(jiān)控系統(tǒng)進行調(diào)試驗證，確保系統(tǒng)能夠正常運行.

圖7 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.7 Flow diagram of data acquisition

圖8 主控制器數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.8 Fow diagram of data handling on master controller

圖9 數(shù)據(jù)傳輸流程圖Fig.9 Flow diagram of data transmission

5 結(jié) 語

快速液壓夯實機是異于強夯機的一種小型夯實機械，可以滿足地基壓實、路面修補等工程的實際需求.對快速液壓夯實機開展遠(yuǎn)程監(jiān)控研究，符合工程機械信息化發(fā)展的趨勢，同時滿足業(yè)主和監(jiān)理方的遠(yuǎn)程監(jiān)控要求.快速液壓夯實機的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在經(jīng)濟性上得到了保證，節(jié)約了建設(shè)成本，性能穩(wěn)定，因此可以滿足長期的遠(yuǎn)程監(jiān)控要求.

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