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基于Web的非開挖鉆機遠程監(jiān)控系統(tǒng)

0引言

我國新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快有效地促進了非開挖行業(yè)的發(fā)展。截止到2013年年底，國內(nèi)非開挖鉆機保有量已達13 030臺(含進口鉆機413臺)。在未來一段時間內(nèi)，城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、油氣管道建設(shè)、管道修復(fù)等方面對非開挖鉆機的需求量還會持續(xù)增長[1]。非開挖鉆機施工環(huán)境比較惡劣，對企業(yè)產(chǎn)品的使用壽命和服務(wù)質(zhì)量都造成極大的影響。Internet技術(shù)和集成電路的發(fā)展使得遠程控制成為可能，及時掌握鉆機工作狀況對鉆機的故障診斷[2]、售后維修等都起著重要作用。

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)由于其局限性和專用性，已不能滿足現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)管理扁平化、精細化發(fā)展的要求[3]。Web服務(wù)器發(fā)布系統(tǒng)的出現(xiàn)為監(jiān)控系統(tǒng)提供了基于瀏覽器/服務(wù)器(browser/server，B/S)的三層架構(gòu)模型，形成了“瘦服務(wù)器端-胖服務(wù)器端-瘦服務(wù)器”模式[4-6]。本文以全球移動通信系統(tǒng)(global system for mobile communication，GSM)和Internet作為通信平臺，以Java Web、數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎(chǔ)，通過8位微處理器采集鉆機數(shù)據(jù)，利用GSM技術(shù)傳送鉆機信息。Web服務(wù)器端將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫并將其解析到Web前端，當(dāng)存在數(shù)據(jù)異常時后臺通過GSM發(fā)送報警短信，警告、通知鉆機所有者，從而實現(xiàn)對鉆機運行狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)警等，為鉆機的安全使用提供保障。

1系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)包括現(xiàn)場監(jiān)測與控制子系統(tǒng)(簡稱信息采集終端)、數(shù)據(jù)存儲與轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)(簡稱中間子系統(tǒng))、服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收與命令發(fā)送子系統(tǒng)(簡稱服務(wù)器端)[7-8]三部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

信息采集終端安裝在非開挖鉆機上，用于采集鉆機回轉(zhuǎn)壓力、回拖壓力、泥漿泵壓力、全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)等數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到終端的GSM模塊[9]，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端GSM接收模塊。當(dāng)服務(wù)器端接收到鉆機數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存儲至鉆機數(shù)據(jù)庫，同時服務(wù)器端對鉆機數(shù)據(jù)進行處理并將其顯示在Web前端。當(dāng)鉆機數(shù)據(jù)存在異常時，后臺服務(wù)器端將通過GSM端口發(fā)送報警短信，提醒鉆機所有者鉆機運行狀態(tài)異常。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2信息采集終端設(shè)計

信息采集終端主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、鉆機控制三部分組成，原理圖如圖2所示。

圖2　硬件原理圖

2.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要完成鉆機運行參數(shù)的采集與預(yù)處理。模塊采用12C5A60S2單片機為主控芯片，其最高工作頻率達17 MHz，能夠很好地滿足間歇性采樣的需求。數(shù)據(jù)采集模塊每隔一段時間對鉆機運行參數(shù)、GPS信息進行采樣，并將傳感器采集到的模擬信號傳送至單片機。單片機通過片內(nèi)10位A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，然后將鉆機數(shù)據(jù)進行打包，最后將打包后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)采集模塊工作流程圖如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)采集模塊工作流程圖

2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用芯訊通無線科技(上海)有限公司SIM900A型GSM模塊。單片機通過串口與GSM模塊進行通信，并通過AT指令對模塊進行控制。當(dāng)GSM模塊接收到單片機發(fā)出的發(fā)送指令后，GSM模塊將單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包通過短信的形式發(fā)送至服務(wù)器端。數(shù)據(jù)格式如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)格式

當(dāng)服務(wù)器端接收到信息采集終端傳送的數(shù)據(jù)時，Web瀏覽器下的Applet程序?qū)?shù)據(jù)進行分析、處理，并向Web服務(wù)器發(fā)送HTTP請求；Applet通過Servlet對數(shù)據(jù)庫進行訪問，并將數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫[10]。

2.3鉆機控制模塊

鉆機控制主要控制鉆機的運行狀態(tài)，當(dāng)鉆機所有者認(rèn)為鉆機操作或運行存在異常，可通過手機短信的形式對鉆機進行遠程的關(guān)機操作，以達到保護鉆機的目的，其控制流程如圖5所示。

鉆機啟動后，系統(tǒng)對GSM模塊進行初始化。當(dāng)GSM收到新短信后，單片機讀取信息并通過對信息中的關(guān)鍵字識別判斷信息是否為有效信息(控制指令)。當(dāng)信息為控制指令時，單片機通過控制繼電器的斷開來關(guān)閉鉆機電源，從而關(guān)閉鉆機。

圖5　控制模塊工作流程圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1軟件工作流程

監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理與存儲、MySQL數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)和Web應(yīng)用程序等組成[11]。

數(shù)據(jù)接收部分主要負責(zé)接收信息采集終端發(fā)來的鉆機數(shù)據(jù)，并在鉆機數(shù)據(jù)存在異常時發(fā)送控制指令與報警信息。數(shù)據(jù)接收部分通過Java中開源的RXTX接口實現(xiàn)串口通信，從而實現(xiàn)對GSM模塊的AT指令控制。數(shù)據(jù)處理與存儲主要是對接收到的鉆機信息進行解析，并將數(shù)據(jù)存儲至相應(yīng)鉆機的數(shù)據(jù)庫表中，以用于Web前端用戶對數(shù)據(jù)的查詢。MySQL數(shù)據(jù)庫[14]為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的存儲與查詢服務(wù)，系統(tǒng)主要通過Java提供的JDBC(Java數(shù)據(jù)庫連接)技術(shù)來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的開發(fā)。Web服務(wù)是Web應(yīng)用程序的一部分，用戶通過Web應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)鉆機數(shù)據(jù)查詢、地理位置監(jiān)視、線上交流等功能。

3.2軟件功能設(shè)計

監(jiān)控軟件主要實現(xiàn)了管理員(鉆機廠商)對鉆機的系統(tǒng)化管理，也為用戶(鉆機所有者)提供了一個對鉆機進行監(jiān)控的平臺。因此，根據(jù)軟件功能需求的不同將軟件分為用戶、管理員兩種模式。用戶模式主要包括系統(tǒng)登陸、鉆機屬性查詢、鉆機維護計劃、鉆機位置監(jiān)控、在線交流、修改密碼等公共模塊，而管理員模式中則增加了鉆機歷史紀(jì)錄、鉆機實時監(jiān)控、系統(tǒng)管理功能。軟件功能設(shè)計如圖6所示。

圖6　軟件功能設(shè)計圖

Web前端[12-13]在首頁上給用戶提供了產(chǎn)品介紹、公司新聞、用戶須知、維修提醒等快捷信息，方便用戶對公司、鉆機進行詳細了解。在鉆機屬性模塊中，用戶可對自己所購買鉆機的詳細參數(shù)進行查詢。針對用戶購買鉆機類型的不同，公司提供了兩種維修計劃，方便用戶及時對鉆機進行維護保養(yǎng)。當(dāng)鉆機出現(xiàn)異常時，用戶可通過在線交流與鉆機廠商進行線上交流，鉆機GPS也可以給服務(wù)人員提供詳細的鉆機位置，方便他們第一時間到達施工現(xiàn)場排除故障。同時，系統(tǒng)為管理員提供了鉆機詳細的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)與系統(tǒng)管理功能，可以對鉆機進行長時間的鉆機性能監(jiān)測與系統(tǒng)化管理。

4系統(tǒng)測試

將監(jiān)控系統(tǒng)軟件及信息采集終端安裝好后進行系統(tǒng)測試，測試的主要項目包括傳感器檢測測試、GPS定位測試、局域網(wǎng)測試、鉆機控制測試等。測試過程中，通過對所測試鉆機多次的開關(guān)機、施工操作以得到鉆機運行參數(shù)，并在Web前端的監(jiān)控軟件中查看鉆機狀態(tài)。通過多次系統(tǒng)測試得到下面幾個結(jié)果。

(1)在實時監(jiān)控系統(tǒng)中，信息采集終端對鉆機數(shù)據(jù)每隔30 s進行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器端，Web服務(wù)得到數(shù)據(jù)處理并存儲至數(shù)據(jù)庫。在Web前端調(diào)用數(shù)據(jù)庫表，可查看到接收到的鉆機數(shù)據(jù)信息，如表1所示。

表1　鉆機數(shù)據(jù)

在鉆機GPS監(jiān)測時，由于直接引用百度地圖API造成測試坐標(biāo)與百度地圖實際位置存在偏差，因此在調(diào)用百度地圖時，進行了必要的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后實際位置與測試位置間偏差較小。

(2)使用路由器建立包括主機在內(nèi)的多臺電腦組成的局域網(wǎng)，對系統(tǒng)進行局域網(wǎng)測試。測試時，以主機作為服務(wù)器并獲取其IP配置，主機IPV4地址為192.168.1.101。在局域網(wǎng)內(nèi)任一臺PC機上訪問網(wǎng)址192.168.1.101:8080/mylogin/index.jsp可以登錄監(jiān)控系統(tǒng)并進行其他操作。

5結(jié)束語

本文運用Web技術(shù)實現(xiàn)了3層B/S架構(gòu)下的非開挖鉆機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以對鉆機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)鉆機運行中出現(xiàn)的問題，并可以和鉆機售后人員進行線上交流，并迅速找出故障原因；同時，用戶可遠程對鉆機進行控制，以保證鉆機的安全運行。在Internet技術(shù)高速發(fā)展的今天，將Web技術(shù)運用到遠程控制方面，不僅對非開挖行業(yè)在鉆機管理、監(jiān)控和遠程故障診斷方面有重要意義，也對其他工程機械在遠程監(jiān)控方面具有借鑒意義和推廣價值。

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Remote Monitoring System Based on Web for Trenchless Drilling Rig

黃雷文國軍張奧東

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)機械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢430074)

摘要：針對非開挖鉆機工作環(huán)境惡劣、故障率較高等現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于Web的非開挖鉆機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對非開挖鉆機的實時監(jiān)控。系統(tǒng)由信息采集終端和服務(wù)器端軟件組成，以8位單片機為主控芯片的信息采集終端對鉆機運行參數(shù)進行采集、發(fā)送并控制鉆機；服務(wù)器端通過Java串口通信技術(shù)將接收到的鉆機數(shù)據(jù)進行處理并存儲至MySQL數(shù)據(jù)庫,動態(tài)發(fā)布鉆機參數(shù)，實現(xiàn)對鉆機的有效監(jiān)控和系統(tǒng)性管理?，F(xiàn)場運行情況表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，對其他工程機械的遠程監(jiān)控具有很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：鉆機全球移動通信系統(tǒng)監(jiān)控信息采集數(shù)據(jù)處理串口通信控制軟件設(shè)計故障預(yù)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

中圖分類號：TP277;TH6

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604019

國家自然科學(xué)基金面上基金資助項目(編號：41272174)。

修改稿收到日期：2015-08-15。

第一作者黃雷(1991-)，男，現(xiàn)為中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)機械工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事機械設(shè)計、自動控制方向的研究。