李明

Abstract： Forklift is an important construction machinery， used for loading， unloading and stacking of goods to meet the needs of short-distance transportation. The operation of the forklift directly affects the life safety of the operators. If the forklift is overturned and easy to cause safety accidents， the forklift needs to be operated. The situation is monitored in real time and effective preventive measures are taken. This article first analyzes the requirements of the forklift remote monitoring system， and conducts an in-depth discussion on the overall scheme design， vehicle control system design， network transmission module design， and remote monitoring platform design for reference by relevant personnel.

關(guān)鍵詞： 叉車;監(jiān)控系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集與處理;物聯(lián)網(wǎng)

Key words： forklift;monitoring system;data acquisition and processing;Internet of Things

中圖分類號(hào)：TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0227-03

0 ?引言

工程機(jī)械產(chǎn)品可靠性直接影響市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，而叉車產(chǎn)品對(duì)可靠性、安全性有著更高的要求。需要叉車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性和可靠性、高穩(wěn)性、實(shí)時(shí)性、平臺(tái)易用性，可用于對(duì)強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果的判斷，保證遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)時(shí)查看叉車運(yùn)行情況，系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)符合工作人員使用習(xí)慣，可根據(jù)需要對(duì)保養(yǎng)信息、特殊停機(jī)信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)錄入，將數(shù)據(jù)信息和運(yùn)行參數(shù)以圖像或表格方式展示出來(lái)。

1 ?叉車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需求分析

叉車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要具備準(zhǔn)確性、可靠性，可以采集叉車整機(jī)運(yùn)行情況，識(shí)別叉車是否滿足運(yùn)行要求，起重量、行駛速度是否超限，駕駛?cè)藛T是否按照規(guī)定打開(kāi)或關(guān)閉轉(zhuǎn)向燈，能否按操作規(guī)程要求運(yùn)輸載荷并輸送至指定高度，運(yùn)行至坡道位置時(shí)是否進(jìn)行停車制動(dòng)。還要求具備高穩(wěn)定性，確保監(jiān)控系統(tǒng)可靠運(yùn)行，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。要求監(jiān)控系統(tǒng)具備較強(qiáng)實(shí)時(shí)性，可以遠(yuǎn)程查看叉車運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)要求對(duì)叉車進(jìn)行監(jiān)控。較強(qiáng)的平臺(tái)易用性，要求平臺(tái)人機(jī)界面設(shè)計(jì)應(yīng)該符合工作人員使用習(xí)慣，具良好的交互性。具備較好的通用性、靈活性，監(jiān)控平臺(tái)可以根據(jù)使用需要進(jìn)行移植，可應(yīng)用到其它工程機(jī)械中，可以遠(yuǎn)程對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)用，查看故障信息、保養(yǎng)信息、停機(jī)原因等，也可以將運(yùn)行信息建立表格打印出紙質(zhì)報(bào)表。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該功能完善，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)可以對(duì)叉車實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行查看，還可以將采集到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，通過(guò)圖表方式將數(shù)據(jù)以更為直觀的方式展示出來(lái)。

2 ?叉車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

叉車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)收車載控制系統(tǒng)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和監(jiān)控終端構(gòu)成，車載系統(tǒng)采用STM32芯片和傳感檢測(cè)模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)，是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)底層，對(duì)叉車運(yùn)行數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，網(wǎng)關(guān)模塊將車載系統(tǒng)與遠(yuǎn)程平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，將多臺(tái)叉車運(yùn)行信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，平臺(tái)是針對(duì)用戶進(jìn)行研發(fā)，將上傳數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和分析，通過(guò)人機(jī)界面顯示出來(lái)。系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器模式，瀏覽器作為用戶與監(jiān)控平臺(tái)交互渠道，采用JavaScript進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、錄入、導(dǎo)出和歷史回放等功能。

3 ?車載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集和處理作為車載控制系統(tǒng)的主要功能，是由網(wǎng)絡(luò)中繼模塊、電源模塊、傾斜檢測(cè)模塊、角度檢測(cè)模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、上位機(jī)等構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)中繼模塊是由多個(gè)傳感器模塊構(gòu)成，采用ATmega8芯片及外圍電路構(gòu)成，可對(duì)轉(zhuǎn)向燈、手剎、負(fù)載等信息進(jìn)行采集，定義數(shù)據(jù)位功能和數(shù)據(jù)格式，對(duì)采集到信號(hào)處理后通過(guò)RS485端口給數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，中繼模塊與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)間以主控詢問(wèn)方式實(shí)現(xiàn)通訊，先發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中繼盒地址碼、功能碼等5個(gè)字節(jié)，中繼回復(fù)地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等7字節(jié)信息，可以將叉車運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等傳給主控。

數(shù)據(jù)采集與處理模塊采用STM32芯片，可以與上位機(jī)、電源管理模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊等進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將數(shù)據(jù)信息以Modbus協(xié)議通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行上傳，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。上位機(jī)采用17寸觸摸屏，通過(guò)USB接口與STM32芯片進(jìn)行通訊，工作人員可以在觸摸屏中輸入車輛識(shí)別碼進(jìn)行匹配，在空載、滿載情況下對(duì)叉車輪距進(jìn)行校準(zhǔn)，界面中將叉車運(yùn)行速度、方向、位置等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。電源模塊可對(duì)系統(tǒng)電源進(jìn)行管理，避免叉車電壓和系統(tǒng)電壓出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

4 ?網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)離不開(kāi)穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，可將通訊網(wǎng)絡(luò)與車載控制系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，確保底層傳感數(shù)據(jù)可以進(jìn)行互聯(lián)。監(jiān)控平臺(tái)需要將叉車運(yùn)行軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)描述，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求0.1s上傳一次數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)信息量大，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸速度還達(dá)不到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸要求，存在的網(wǎng)絡(luò)延遲問(wèn)題需要采用更為高效、簡(jiǎn)潔的通信協(xié)議。

4.1 MQTT協(xié)議

為了將所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與外設(shè)進(jìn)行連接，可以采用MQTT協(xié)議。該協(xié)議是一種廣泛用于傳感器與驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)交互，已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議重要構(gòu)成部分，是輕量級(jí)發(fā)布/傳輸協(xié)議，架構(gòu)在TCP協(xié)議以上，為應(yīng)用層協(xié)議，有客戶端、代理端，客戶端相互間不可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要由某客戶端向代理端發(fā)出標(biāo)識(shí)消息，代理端進(jìn)行回復(fù)且將獲取到數(shù)據(jù)信息推送至同樣消息標(biāo)識(shí)客戶端。從本質(zhì)上來(lái)看，是一種異步通信方式，可以減小消息發(fā)布者與訂閱者的耦合度，也就是不需要得到準(zhǔn)確IP地址及端口號(hào)，不需要同時(shí)在線，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)應(yīng)用異步回調(diào)機(jī)制，可以滿足靈活多變的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，由協(xié)議實(shí)現(xiàn)交換最小化，可以有效減少網(wǎng)絡(luò)流量。

該協(xié)議控制報(bào)文由固定報(bào)頭、可變報(bào)頭、有效載荷等構(gòu)成，分配給固定報(bào)頭2字節(jié)，Message字節(jié)可以設(shè)置14種消息傳輸類型，Qos設(shè)置有三種級(jí)別，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，系統(tǒng)會(huì)隨著級(jí)別的提升而增加負(fù)荷?？勺儓?bào)頭與有效載荷長(zhǎng)度最大可達(dá)到256MB，比HTTP協(xié)議有著更小的流量開(kāi)銷，同時(shí)，在進(jìn)行報(bào)文傳遞時(shí)會(huì)對(duì)有效載荷載進(jìn)行屏蔽，這樣就可以兼容所有數(shù)據(jù)類型，可更好地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中。

4.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的選取

由于MQTT協(xié)議具有很好的優(yōu)越性能，網(wǎng)關(guān)傳輸模塊可以采用Modbus轉(zhuǎn)MQTT網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理模塊相互間通過(guò)RS485接口進(jìn)行交互，網(wǎng)關(guān)采用GPRS模塊、4G/LTE模塊、WIFI模塊等，可采用不同方式進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳送。數(shù)據(jù)采集與處理模塊將RS485端口定義為采用Modbus協(xié)議，數(shù)據(jù)信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)對(duì)安裝于服務(wù)器端MQTT代理模塊發(fā)送叉車實(shí)時(shí)運(yùn)行信息、發(fā)動(dòng)機(jī)信息等，服務(wù)器端向MQTT代理模塊獲取叉車相關(guān)信息，并向車載控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)。

5 ?遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

5.1 核心技術(shù)

Node Js作為將Chrome瀏覽器作為基礎(chǔ)，采用JavaScript建立起可以滿足網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用的環(huán)境。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單線程、時(shí)間循環(huán)，很多API都以事件、異步編程作為基礎(chǔ)，可以結(jié)合開(kāi)發(fā)需要注冊(cè)回調(diào)函數(shù)，依次放進(jìn)時(shí)間循環(huán)隊(duì)列，如果受到事件觸發(fā)可以從隊(duì)列中取出進(jìn)行回調(diào)。代碼可以采用無(wú)阻塞方式來(lái)執(zhí)行，確保系統(tǒng)資源可以得到更好地利用。在叉車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)方面，例如，對(duì)叉車信息進(jìn)行修改，獲取叉車場(chǎng)地信息等場(chǎng)景接口，均采用Node Js來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Express框架為當(dāng)前針對(duì)Node Js二次封裝高效框架，已經(jīng)在很多系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中得到應(yīng)用，由于具備諸多特性可以進(jìn)行快速開(kāi)發(fā)，該框架具有很靈活的擴(kuò)展機(jī)制，應(yīng)用更為簡(jiǎn)便，支持路由、多模塊，具體的特性有：①高效率開(kāi)發(fā)。針對(duì)Node Js進(jìn)行二次封裝，Express可以為其提供更多技術(shù)成熟的接口，研發(fā)人員不必進(jìn)行底層開(kāi)發(fā)即可以采用接口函數(shù)，有著更好的開(kāi)發(fā)效率。②擴(kuò)展機(jī)制完善。利用自身具備的擴(kuò)展機(jī)制來(lái)引入、兼容其它功能模塊，可以減少研發(fā)人員工作量。③易操作性。搭建功能模塊更為簡(jiǎn)易，通過(guò)調(diào)用函數(shù)、賦值等操作即可實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)庫(kù)是將數(shù)據(jù)信息根據(jù)特定規(guī)則進(jìn)行排列，為帶有共享性的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫(kù)集成在計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過(guò)遵守特定規(guī)則數(shù)據(jù)組織用于對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ)，通過(guò)特定語(yǔ)法來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行增添、刪減、修改、查找等操作，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)信息進(jìn)行控制。叉車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ)，便于管理人員進(jìn)行查詢。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)采用Sql數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，按照叉車遠(yuǎn)程監(jiān)控需要，劃分為車輛基礎(chǔ)信息、運(yùn)行信息和錄入信息三部分，按照每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)不同范圍，結(jié)合實(shí)際要求為每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建系列表，叉車場(chǎng)地信息表主鍵、項(xiàng)目編號(hào)、場(chǎng)地名稱和編號(hào)、負(fù)責(zé)人姓名等信息均可由表進(jìn)行創(chuàng)建。

5.2 平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)邏輯與頁(yè)面采和JavaScript、HTML等多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以BOOSTRAP框架實(shí)現(xiàn)頁(yè)面靜態(tài)效果，通過(guò)CSS對(duì)頁(yè)面進(jìn)行排版，利用Jquery庫(kù)技術(shù)用于頁(yè)面與人員交互。后臺(tái)模塊接口應(yīng)用Node Js及Express來(lái)為系統(tǒng)提供框架，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控項(xiàng)的增刪操作，將數(shù)據(jù)信息與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，做到數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)。

5.3 功能模塊設(shè)計(jì)

用戶管理模塊基于WEB技術(shù)，可以在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，但需要保證數(shù)據(jù)信息的安全性，給予不足用戶不同的權(quán)限，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息操作權(quán)限的管理。用戶認(rèn)證為最外層安全保護(hù)，沒(méi)有進(jìn)行注冊(cè)和審核的人員無(wú)限登陸、操作，進(jìn)入系統(tǒng)要進(jìn)行身份驗(yàn)證，成功后分配給不同使用權(quán)限。新人員進(jìn)行注冊(cè)時(shí)需要提交用戶名、密碼、性別、部門等信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的有效管理，管理員可以對(duì)無(wú)效用戶進(jìn)行刪除操作。

故障數(shù)據(jù)管理模塊可用于叉車故障信息管理，遠(yuǎn)程客戶端數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至后臺(tái)處理和加工，按照數(shù)據(jù)類型存入數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)表內(nèi)。錄入子模塊將叉車編號(hào)、故障時(shí)期、故障部位與類型、故障模式、現(xiàn)象和原因等提交數(shù)據(jù)庫(kù)保存，對(duì)故障時(shí)間進(jìn)行計(jì)算方可以存入數(shù)據(jù)表內(nèi)，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)采集時(shí)減少工作量，沒(méi)有對(duì)故障時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，需要通過(guò)錄入子模塊完成。數(shù)據(jù)修改子模塊，可以對(duì)錄入數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤進(jìn)行糾正，減小由于錯(cuò)誤引起的分析誤差。查詢子模塊可以對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和瀏覽，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的信息比較全面，而對(duì)于用戶需求信息，只有調(diào)用查詢模塊才能進(jìn)行有條件查詢，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢的便利。

可靠性模塊可對(duì)整機(jī)和系統(tǒng)進(jìn)行分析，有利于了解設(shè)備壽命規(guī)律，預(yù)測(cè)故障時(shí)間間隔和運(yùn)行情況。采用最小二乘法對(duì)指數(shù)分布、威布爾分布進(jìn)行擬合處理，對(duì)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，叉車壽命周期參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將可靠性故障數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，建立起故障函數(shù)擬合圖，確定出壽命臨界值為12000h，約為8年使用時(shí)間。統(tǒng)計(jì)分析模塊可能故障部位、模式和類型進(jìn)行分析，深入分析叉車故障運(yùn)行情況，查找出故障模式和原因。故障部位分析用于確定故障多發(fā)點(diǎn)，對(duì)故障部位進(jìn)行合理劃分，根據(jù)叉車特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)到故障數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，故障部分發(fā)生概率從高到低分別為液壓件、電氣件、附件、傳動(dòng)件、轉(zhuǎn)向件、車身、制動(dòng)件和工作裝置。故障模式統(tǒng)計(jì)根據(jù)失效模式來(lái)確定，根據(jù)叉車具體工作情況和故障模式劃分相關(guān)規(guī)定，對(duì)故障模式進(jìn)行編碼并劃分不同類型，故障模式為滲漏、部件失靈、元件斷裂和松脫。滲漏模式下液壓油、冷卻液滲漏，失靈是對(duì)故障數(shù)據(jù)描述不清，需要對(duì)故障屬性進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。故障類型統(tǒng)計(jì)可以降低或杜絕危害性故障，減小故障發(fā)生頻率，根據(jù)故障嚴(yán)重性將叉車故障劃分為嚴(yán)重、重大、一般和輕微四個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)不同類型故障出現(xiàn)概率。

5.4 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

建立起叉車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)以后，平臺(tái)通過(guò)瀏覽器即可以獲取到服務(wù)器端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并對(duì)叉車實(shí)際運(yùn)行情況和軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示。通過(guò)采集到叉車運(yùn)行狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)分析，建立起故障率函數(shù)，讓管理人員了解故障部分和故障模式分布，可以對(duì)叉車壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，針對(duì)故障和安全隱患制定切實(shí)可行的應(yīng)對(duì)措施，可以為叉車管理提供參考。

6 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，研發(fā)叉車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采用諸多關(guān)鍵技術(shù)搭建起監(jiān)控平臺(tái)，應(yīng)用B/S架構(gòu)模式，采用JavaScript技術(shù)以瀏覽器作為用戶與監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)交互窗口，工作人員可以通過(guò)人機(jī)界面對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)控、錄入、導(dǎo)出和數(shù)據(jù)回放等操作，也可以對(duì)違規(guī)操作進(jìn)行預(yù)警，避免叉車運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)安全事故，實(shí)現(xiàn)對(duì)叉車的智能化管理，了解叉車具體運(yùn)行狀態(tài)和故障情況，預(yù)測(cè)叉車使用壽命，提高叉車操作時(shí)的安全性、可靠性。這種基于物聯(lián)網(wǎng)傳感的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以推廣到其它工程機(jī)械，為不同類型機(jī)械車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)創(chuàng)建提供技術(shù)支持。

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