張曉培+覃萬晴+黃宜軍

摘 要： 針對集裝箱裝卸橋中的小車位置、起升高度、電機轉(zhuǎn)速等運行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測問題，設(shè)計一種基于WiFi無線通信的港口集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以WiFi無線通信技術(shù)為傳輸手段，把下位機采集到的裝卸橋的運行參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，并在以易語言作為開發(fā)平臺的監(jiān)控界面上實時顯示。最后，對該系統(tǒng)進行模擬測驗，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能對港口集裝箱裝卸橋各運行參數(shù)進行有效的監(jiān)控。

關(guān)鍵詞： ESP8266； 易語言； 無線局域網(wǎng)； 裝卸橋

中圖分類號： TN948.4?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）23?0018?05

Abstract： Aiming at the monitoring of the operating status parameters such as car location， lifting height and motor speed in container loading bridge， a monitoring system based on WiFi wireless communication was designed for the port′s container loading bridge. The loading bridge′s operating parameter data acquired by the slave computer in the system is transmitted to the host computer by means of WiFi wireless communication technology， and displayed on the monitoring interface taking easy language as the development platform. The simulation experiment was carried on for the container loading bridge monitoring system. The simulation results show that the system can monitor each operating parameter of the port′s container loading bridge effectively.

Keywords： ESP8266； easy language； wireless local area network； loading bridge

隨著港口集裝箱運輸業(yè)務(wù)的發(fā)展，碼頭裝卸機械的有效利用在提高碼頭生產(chǎn)作業(yè)效率中起著至關(guān)重要的作用。裝卸橋作為碼頭集裝箱裝卸作業(yè)中的關(guān)鍵裝卸機械設(shè)備，它的各個機構(gòu)的運行狀態(tài)和故障狀態(tài)是設(shè)備管理人員關(guān)注的重點，也是影響設(shè)備生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。因此，對集裝箱裝卸橋的監(jiān)測成為研究的熱點之一[1?3]。集裝箱裝卸橋主要包括起升機構(gòu)、小車行走機構(gòu)、大車行走機構(gòu)和俯仰機構(gòu)四大機構(gòu)[4]。由于俯仰機構(gòu)只在作業(yè)開始時和停機時才工作，使用頻率較低，所以本文根據(jù)集裝箱裝卸橋的實際運行情況，采用無線WiFi技術(shù)和監(jiān)控軟件對集裝箱裝卸橋的大車機構(gòu)、小車機構(gòu)和起升機構(gòu)的主要運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控系統(tǒng)的研究和設(shè)計。

1 港口集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)自動化集裝箱碼頭監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、無線通信和監(jiān)控管理三大部分組成。集裝箱裝卸橋的各項監(jiān)控采用STM32F407ZGT6作為主控芯片，檢測和控制裝卸橋所需動力的各個電機的速度、電壓和電流。同時利用溫濕度傳感器檢測當(dāng)前裝卸橋的工作環(huán)境。利用MFRC522讀卡器讀取回小車在裝卸橋的位置。將以上的數(shù)據(jù)打包成一個數(shù)據(jù)包，通過串口發(fā)送給WiFi模塊。經(jīng)由路由器的局域網(wǎng)，通過正確的配置，把數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器，然后在服務(wù)器界面顯示出來當(dāng)前整個裝卸橋的運行狀態(tài)和工作環(huán)境。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于集裝箱裝卸橋價格昂貴，港口設(shè)備資源緊缺等原因，很難用實機來驗證該設(shè)計系統(tǒng)的可行性，因此本文設(shè)計了一個集裝箱裝卸橋的模擬實驗?zāi)Ｐ?。該實驗?zāi)Ｐ椭饕蓹C械部分和電控部分組成。下面主要對電控部分進行詳細(xì)的分析。

2.1 控制器的選擇

采用STM32F407ZGT6作為集裝箱裝卸橋監(jiān)測系統(tǒng)的主控芯片，它不僅檢測裝卸橋三大機構(gòu)的運行參數(shù)和運行環(huán)境參數(shù)，同時還可控制裝卸橋所需動力的各個電機的速度。

2.2 各機構(gòu)動力源設(shè)計

通過對大、小車和起升機構(gòu)的運行驅(qū)動裝置的分析，本文根據(jù)模擬仿真的功能需求，選用自帶編碼器的減速電機——GM25?370雙通道霍爾編碼器減速電機，各大機構(gòu)直流電機的轉(zhuǎn)速可以通過編碼器檢測出來。由于單片機I/O的驅(qū)動能力的限制，電機與單片機之間還需要電機驅(qū)動模塊，因此，在本設(shè)計中用到以L298N芯片為核心的驅(qū)動模塊。其接線如圖2所示。

2.3 電機電壓、電流的檢測

在電機運行的過程中，產(chǎn)生的電壓、電流和轉(zhuǎn)速這三個變量的大小值可以間接地反映電機的運行是否出現(xiàn)故障。所以本文采用電壓、電流檢測模塊對電機的電壓和電流進行檢測。

2.4 小車位置定位設(shè)計

在裝卸橋工作的過程中，對小車位置的監(jiān)控很重要，本文利用讀卡器讀卡的方式對小車進行定位。采用的讀卡器模塊為MFRC522，該模塊利用SPI通信接口與單片機通信。單片機循環(huán)查詢讀卡器是否讀取到卡片，并接收讀卡器返回當(dāng)前讀取到的卡片ID號，再進行存儲，然后與單片機內(nèi)部預(yù)先保存的卡片ID號進行匹配，如果匹配成功，就返回當(dāng)前數(shù)組的下標(biāo)，以此知道當(dāng)前哪張卡片被讀取，也就知道當(dāng)前小車的位置在哪里了。讀卡器模塊與單片機的連接如圖3所示。endprint

2.5 起升機構(gòu)的起升高度檢測

對于集裝箱裝卸橋起升機構(gòu)的起升高度，本文采用超聲波模塊來檢測。測量的距離以串口的形式發(fā)送回來，50 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)給本系統(tǒng)的主控單片機。

2.6 裝卸橋溫濕度變量的檢測

在裝卸橋的工作環(huán)境中，過高的溫度或者濕度都會直接影響到電機的使用壽命，因此，檢測裝卸橋工作環(huán)境中的溫濕度具有一定的必要性。在本設(shè)計中，利用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器完成對裝卸橋工作環(huán)境的監(jiān)測，它與單片機的接線如圖5所示。

2.7 無線通信設(shè)計

無線WiFi傳輸模塊擔(dān)任著數(shù)據(jù)傳輸作用，是該監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)通道傳輸?shù)膬?yōu)劣直接影響到監(jiān)控質(zhì)量[5]。本文采用以ESP8266為控制核心的WiFi模塊搭建無線通信網(wǎng)絡(luò)。模塊的設(shè)置是通過串口進行AT指令設(shè)置的。此WiFi模塊與開發(fā)板的串口5相連接，如圖6所示，其傳輸波特率為115 200 b/s。

2.8 WiFi模塊指示燈和按鍵電路設(shè)計

在本文中，與WiFi模塊工作狀態(tài)有關(guān)的還有2個LED燈和1個按鍵。LED0的作用是提示當(dāng)前WiFi模塊數(shù)據(jù)發(fā)送是否正常。如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，則LED0間隔0.5 s閃爍。LED1的作用是提示W(wǎng)iFi模塊是否連接上服務(wù)器。如果WiFi模塊與服務(wù)器斷開連接，則LED1閃爍50 ms。開發(fā)板的按鍵設(shè)計是一個搖桿按鍵，當(dāng)WiFi模塊沒有連接上路由器時，必須要向下?lián)u搖桿按鍵持續(xù)1 s，WiFi模塊便自動連接上預(yù)先設(shè)定好的WiFi網(wǎng)絡(luò)。

2.9 TFTLCD液晶顯示屏

設(shè)置WiFi模塊時，通過串口返回一定的響應(yīng)字符串，為了能夠?qū)崟r查看響應(yīng)字符串的內(nèi)容，本系統(tǒng)使用一個2.8寸的TFT液晶顯示屏。通過響應(yīng)字符串的不同來判定WiFi模塊是否設(shè)置成功。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 下位機數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設(shè)計

下位機數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送是由μCOS Ⅱ操作系統(tǒng)完成的，它的流程圖如圖7所示。

該操作系統(tǒng)主要完成四項任務(wù)，分別是：

（1） WiFi模塊數(shù)據(jù)包發(fā)送任務(wù)。首先判斷WiFi模塊數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功，然后再根據(jù)其他任務(wù)傳遞過來的信息打包成一個42 B的數(shù)據(jù)包，等待模塊發(fā)送完成。如果數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，那么就進入重新連接服務(wù)器的狀態(tài)。

（2） 溫濕度傳感器檢測任務(wù)。它不停地掃描判斷溫濕度傳感器是否讀取數(shù)據(jù)成功，然后更新數(shù)據(jù)傳遞給WiFi模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

（3） RC522讀卡任務(wù)。循環(huán)掃描讀卡器是否尋卡成功，如果有卡片進入刷卡區(qū)，那么讀取卡片ID號，匹配卡片序號，更新數(shù)據(jù)傳遞給WiFi模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

（4） A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)。循環(huán)采集各通道A/D值，把數(shù)據(jù)更新。

3.2 PID速度控制算法

3.3 濾波子程序

在A/D數(shù)據(jù)采集中，模擬信號很不穩(wěn)定，高頻信號很多，因此結(jié)合均值濾波和一階低通濾波器把高頻信號過濾掉，那么得到的結(jié)果就比較穩(wěn)定了。

3.4 WiFi通信軟件設(shè)計

3.5 監(jiān)控界面的開發(fā)

本文利用易語言開發(fā)平臺設(shè)計了集裝箱裝卸橋監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面。開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)首先需要對界面進行布局設(shè)計，然后再根據(jù)界面所需要的功能進行代碼編寫。根據(jù)集裝箱裝卸橋監(jiān)控系統(tǒng)的需求，本文設(shè)計了上位機監(jiān)控的主界面和數(shù)據(jù)庫記錄界面，如圖8所示。

上位機監(jiān)控主界面如圖8（a）所示。WiFi模塊成功連接服務(wù)器之后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器上。服務(wù)器主界面上的標(biāo)題欄顯示內(nèi)網(wǎng)IP地址、溫濕度值、小車當(dāng)前位置、起升機構(gòu)高度，還有各機構(gòu)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)庫界面如圖8（b）所示，它主要記錄集裝箱的數(shù)量、到達(dá)時間等信息。

4 基于無線局域網(wǎng)港口集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系

統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)的可行性，本文通過硬件模擬系統(tǒng)的搭建和軟件系統(tǒng)的編程，構(gòu)建了一個基于無線局域網(wǎng)港口集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系統(tǒng)。

當(dāng)系統(tǒng)上電時，向下?lián)軇娱_發(fā)板上的搖桿按鍵，單片機就會給WiFi模塊發(fā)送AT配置指令。如果WiFi連接局域網(wǎng)成功，液晶顯示屏則顯示“AT……OK…”，否則顯示“ERROR…WiFi CO”，說明WiFi模塊沒有成功連接到局域網(wǎng)。

WiFi配置完成以后，便可以登錄到服務(wù)器上進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。此時監(jiān)控系統(tǒng)的主界面各參數(shù)框開始顯示單片機采集回來的數(shù)據(jù)，如圖9所示，它反映了單擊操控按鈕之后控制小車的移動所產(chǎn)生的運行參數(shù)的變化。

當(dāng)小車移動到7的位置時，開始控制起升機構(gòu)降落到模擬集裝箱上方，其運動過程中的各項參數(shù)如圖10所示。

此時，如果起升機構(gòu)降落在集裝箱的上空位置不理想時，可以移動一下大車機構(gòu)，但是只需要移動一點位置就可以了，監(jiān)控數(shù)據(jù)如圖11所示。

從圖9～圖11可以看出，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r地反映集裝箱裝卸橋的運行狀態(tài)參數(shù)。管理人員可以通過觀察裝卸橋電機的電壓、電流和轉(zhuǎn)速等狀態(tài)參數(shù)及時地發(fā)現(xiàn)和預(yù)告其出現(xiàn)的運行故障[6]。比如電壓、電流都很大，但是轉(zhuǎn)速為零，則可判定當(dāng)前電機為堵轉(zhuǎn)。

進入數(shù)據(jù)庫記錄界面，可以看到如圖12所示的內(nèi)容。它包含集裝箱的來源地、種類、數(shù)量和到達(dá)時間等信息，相當(dāng)于是裝卸橋作業(yè)集裝箱的歷史記錄一樣。

5 結(jié) 論

針對裝卸橋運行參數(shù)的檢測問題，本文提出一種基于無線局域網(wǎng)集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系統(tǒng)。為了驗證系統(tǒng)的可行性，通過對裝卸橋模型進行模擬測試，完成了在線數(shù)據(jù)的獲取、監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫記錄等功能。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠較好地監(jiān)測集裝箱裝卸橋運行時的狀態(tài)信息，為集裝箱裝卸橋運行狀態(tài)的檢測和故障診斷提供了一個有效的解決方案。

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