摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的傳統(tǒng)工程機械裝備實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、智能化，其核心是對現(xiàn)有裝備的數(shù)據(jù)進行采集和分析處理。本文首先對汽車起重機關(guān)鍵性能進行論述，從系統(tǒng)的功能和性能需求出發(fā)，在物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹了汽車起重機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)和模塊劃分。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；遠程監(jiān)控系統(tǒng)；采集控制終端；運營管理中心

一、引言

隨著信息技術(shù)與先進制造技術(shù)高速發(fā)展，作為裝備工業(yè)最重要組成部分的工程機械行業(yè)，呈現(xiàn)發(fā)展態(tài)勢。在“一帶一路”沿線國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等需求下，工程機械行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級、技術(shù)進步是各行業(yè)的重要保證和國家綜合實力的集中體現(xiàn)。傳統(tǒng)的工程機械設(shè)備設(shè)計重點在于機械、電氣、液壓系統(tǒng)的功能，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能制造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的機械設(shè)備通過物物相連的形式聯(lián)網(wǎng)，通過實時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，在進一步的保障了設(shè)備的運行安全可靠的同時，還能提供更多諸如遠程控制、遠程維護維修等功能。本文主要介紹基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的汽車起重機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

二、物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能裝備升級中發(fā)揮著重大作用。物聯(lián)網(wǎng)可分為三層架構(gòu)，從下到上依次是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，感知層是物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中最基礎(chǔ)的一層，主要完成對物體的識別和對數(shù)據(jù)的采集。網(wǎng)絡(luò)層是利用各種接入及傳輸設(shè)備將感知到的信息進行傳送。應(yīng)用層是將收集的信息進行處理，為用戶提供豐富的服務(wù)?；谖锫?lián)網(wǎng)的汽車起重機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計體現(xiàn)出了物聯(lián)網(wǎng)的三個基本特征，即全面感知、可靠傳輸和智能處理[1]。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車起重機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能及性能需求

汽車起重機是裝在普通汽車底盤或特制汽車底盤上的一種起重機，是結(jié)合了汽車的機動性和起重機的吊裝性為一體的起重機械， 其行駛駕駛室與起重操縱室分開設(shè)置。汽車起重機的優(yōu)點是靈活機動、越野性能好，轉(zhuǎn)移迅速，可以自行行駛不用組裝直接可以工作，廣泛地應(yīng)用于廠礦企業(yè)及工程安裝工地，是起重運輸業(yè)廣泛使用的起重機械之一。汽車起重機工作時，汽車的輪胎不受力，依靠四條液壓支撐腿將整個汽車抬起來，并將起重機的各個部分展開，進行起重作業(yè)。汽車起重機的結(jié)構(gòu)可分為下車底盤部分和上車部分，下車結(jié)構(gòu)與一般的汽車相同，主要考慮到汽車部分的載重性和越野性。汽車起重機的結(jié)構(gòu)和原理決定了它的功能要求，即要求起重機靈活機動，主要是對汽車底盤的要求；要求液壓支腿的支撐狀態(tài)能長時間保持位置不變；要求起重臂在一定范圍內(nèi)任意調(diào)整長度和俯角；吊重物在一定速度范圍內(nèi)任意升降，并能在任意位置上能夠負重停止。根據(jù)汽車起重機使用的實際工作環(huán)境和場景，遠程監(jiān)控系統(tǒng)的需求如下：

（一）功能需求

1.遠程定位功能：可以隨時定位汽車起重機當(dāng)前所處地詳細位置和行駛軌跡。系統(tǒng)可提供包括經(jīng)緯度、行駛速度、時間等詳細數(shù)值。要對起重機機型遠程控制，首先要對起重機具體位置實時定位，遠程定位功能還能滿足機主、廠商、工程機械代理商對于設(shè)備的運營狀況的監(jiān)控需求，

2.信息采集與處理功能：數(shù)據(jù)采集處理功能分為兩部分，一是需要實時采集起重機的各種工況信息、傳感器信息以及非工作狀態(tài)信息；二是能夠?qū)?shù)據(jù)進行分類整理、校驗、處理。

3.數(shù)據(jù)傳輸功能：數(shù)據(jù)傳輸分為兩個部分，一是傳感器、控制器信息與數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)傳輸功能，此部分功能設(shè)計重點在于數(shù)據(jù)的準確性和實時性；二是數(shù)據(jù)采集終端通過與運營管理中心的通信，隨著越來越多的電控器件及傳感器安裝在起重機上，如音視頻裝置等，需要遠程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，另外運營管理中心接收到車載終端數(shù)據(jù)后要對起重機進行遠程操控，此部分功能設(shè)計重點在于高速實時性。

4.遠程控制功能：根據(jù)汽車起重機結(jié)構(gòu)和工作原理，保證起重機工作時的安全性是非常重要的，因此汽車起重機遠程控制功能主要分為：一是起重機安全工作狀態(tài)監(jiān)控，主要監(jiān)控起重機支腿、吊臂、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、變幅機構(gòu)、吊鉤的實時工況，通過和不同的設(shè)備型號數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)數(shù)據(jù)做比對，對于異常工況實時進行遠程控制；二是能夠進行遠程故障診斷，通過采集到的數(shù)據(jù)分析起重機的故障，并遠程提供故障檢修指導(dǎo)，并為機主提供維修保養(yǎng)建議；三是根據(jù)不同權(quán)限級別對設(shè)備進行遠程開鎖機。

5.遠程信息管理功能：信息管理系統(tǒng)對于采集的設(shè)備信息進行存儲和實時分析。可實現(xiàn)的功能包括：售后、維護數(shù)據(jù)的記錄、查詢和分析功能，對于不同的權(quán)限提供遠程參數(shù)修改和設(shè)置功能，以及WEB訪問、智能手機或平板電腦遠程訪問功能。

（二）性能需求

1.實時性：由于對起重機的工況數(shù)據(jù)的采集及反饋控制是實時的，如果信息有延遲可能會引起誤操作。通過檢測設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，遠程監(jiān)控系統(tǒng)還能建立故障預(yù)警模型，對可能產(chǎn)生的故障在預(yù)定的情況下做出預(yù)警，提醒監(jiān)控人員進行處理，保障系統(tǒng)的實時性非常重要。

2.可靠性：遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以存儲和處理大量汽車起重機的狀態(tài)信息并對信息進行實時處理，因此該系統(tǒng)及相應(yīng)的服務(wù)器應(yīng)能長時間無故障運行，以免數(shù)據(jù)出錯及丟失。

3. 安全性：安全性分為兩個方面，一是設(shè)備信息傳輸?shù)讲杉刂平K端的過程中，要保證有線傳輸系統(tǒng)的安全可靠，數(shù)據(jù)采集終端到運營管理中心的無線傳輸過程也需要加密處理，防止非工作人員對數(shù)據(jù)進行截獲破壞；二是運營管理中心也要有嚴格的加密及權(quán)限管理要求。

4.可擴展性：該遠程控制系統(tǒng)應(yīng)該具備良好的架構(gòu)，便于后期對系統(tǒng)功能進行擴展升級，以及與設(shè)備廠商所在地內(nèi)部管理系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接。

四、系統(tǒng)介紹

汽車起重機使用靈活，場景多變，因此很有必要進行遠程監(jiān)控?；谖锫?lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)，本項目設(shè)計的汽車起重機遠程監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分為三個部分，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層 。

第一部分是感知層，感知層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，是信息采集的關(guān)鍵部分，感知層的作用是通過傳感網(wǎng)絡(luò)獲取環(huán)境信息。對于本遠程監(jiān)控系統(tǒng)，感知層的設(shè)備稱為車載采集控制終端，該終端主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及反饋控制功能。

數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊是采集控制終端的核心模塊，是將傳感器、控制器信息采集處理后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，汽車起重機需要采集的數(shù)據(jù)有工況信息、定位信息以及視頻信息。工況信息分為下車和上車兩個部分，下車是汽車底盤部分，主要采集汽車行駛的位置及軌跡信息；上車是起重機操作部分，采集的數(shù)據(jù)有：起重量、起重力矩、起升/下降高度、運行行程、幅度、水平度、風(fēng)速、回轉(zhuǎn)角度、操作指令、工作時間、累計工作時間、工作循環(huán)、工況設(shè)置、防后傾、吊點初始位置和最終位置[2]。除工況信息外還需要采集起重機的定位信息及視頻監(jiān)控信息，定位模塊GPS數(shù)據(jù)經(jīng)過SCI串口與微處理器連接。 視頻影像監(jiān)控起重機的吊點、吊點初始位置和最終位置等信息，視頻監(jiān)控系統(tǒng)由攝像頭、無線傳輸模塊、顯示器組成，顯示部分可通過車載顯示操作屏幕實時顯示視頻畫面，也可以將實時錄像通過無線傳輸模塊傳輸?shù)綉?yīng)用層的運營管理中心顯示并存儲。 以上感知層數(shù)據(jù)可通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)采集，本系統(tǒng)采用HINET邊緣計算網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)是—款面向工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備接入、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控的工業(yè)級邊緣計算網(wǎng)關(guān)，特點是接口豐富，支持以太網(wǎng)、串口、CAN口、IO口等設(shè)備接入及以太網(wǎng)、wifi/4G/5G全網(wǎng)通網(wǎng)絡(luò)接入，可滿足絕大部分工業(yè)應(yīng)用場景及工業(yè)設(shè)備接入。該網(wǎng)關(guān)是一款內(nèi)嵌工業(yè)控制協(xié)議，支持遠程自定義配置、遠程部署、網(wǎng)關(guān)狀態(tài)監(jiān)控等技術(shù)于一體的內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的工業(yè)級智能網(wǎng)關(guān)，內(nèi)嵌協(xié)議分析器可以通過協(xié)議分析把現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)先收集到網(wǎng)關(guān)節(jié)點計算分析，然后再通過MQTT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議傳送到運營管理中心云平臺。

數(shù)據(jù)傳輸模塊：CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network， CAN）是一種能夠?qū)崿F(xiàn)分布式實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種現(xiàn)場總線，廣泛應(yīng)用于汽車和工程機械領(lǐng)域 ，起重機的數(shù)據(jù)采集模塊和汽車起重機內(nèi)部的主控制器、輸入控制器件、人機交互設(shè)備、執(zhí)行機器、傳感器信息等是通過CAN總線系統(tǒng)傳輸。

反饋控制模塊：主要功能是接收和執(zhí)行反饋控制信息?？刂菩盘栆彩峭ㄟ^采用 4G 無線數(shù)據(jù)傳輸方式將運營管理中心的模擬量及開關(guān)量控制信號通過無線的形式遠傳至終端設(shè)備。反饋控制模塊核心也是嵌入式微處理器，本系統(tǒng)采用 STM32F103VBT6作為數(shù)據(jù)采集及控制的微處理器模塊。應(yīng)用層的運營管理中心實時接收采集控制終端發(fā)送的信息，根據(jù)設(shè)備實際情況再將控制指令發(fā)送給采集控制終端，反饋控制模塊接收到相關(guān)控制指令后執(zhí)行控制操作，包括：遠程操控、開/鎖機指令，故障預(yù)警、緊急情況報警等。本系統(tǒng)在運營管理中心設(shè)計了與車載顯示操作屏相似的界面，運營管理中心工作人員能夠?qū)崟r監(jiān)控起重機工作狀態(tài)，并在需要的情況下對設(shè)備進行遠程提醒及操控。

第二部分是網(wǎng)絡(luò)層，汽車起重機主要應(yīng)用于路橋建設(shè)、風(fēng)電吊裝等領(lǐng)域，使用地點偏遠，因此應(yīng)用移動通信技術(shù)進行通信。雖然我國已建成全球最大的5G網(wǎng)絡(luò)，并在技術(shù)標準方面在全球起引領(lǐng)作用，但是由于4G網(wǎng)絡(luò)部署廣泛，且在相當(dāng)長一段時間內(nèi)4G仍將與5G長期共存，因此本系統(tǒng)采用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。本系統(tǒng)采用的物聯(lián)網(wǎng)無線智能網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)，以及不同類型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。此外該物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)還具備設(shè)備管理功能，運營商通過智能網(wǎng)關(guān)可以管理底層的各感知節(jié)點，了解各節(jié)點的相關(guān)信息，并實現(xiàn)遠程控制。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，尤其是5G 通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍越來越大， 5G 移動通信技術(shù)體系結(jié)構(gòu)更加靈活，能解決車聯(lián)網(wǎng)低時延、高帶寬、高可靠性等多樣化應(yīng)用場景中因性能差異帶來的問題[3]，因此還可以采用5G移動通信技術(shù)實現(xiàn)對終端設(shè)備的長距離、高速率、實時性地遠程監(jiān)控。

第三部分是應(yīng)用層，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層主要處理數(shù)據(jù)和功能應(yīng)用兩個核心問，從數(shù)據(jù)上來看，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層需要把接收到的海量數(shù)據(jù)進行精準處理和實時管理，這相比管理傳統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)要復(fù)雜很多 ，難點和重點在于數(shù)據(jù)量巨大以及處理實時性的要求。本系統(tǒng)需要實時采集的數(shù)據(jù)維度和設(shè)備數(shù)量多、采集頻率高，因此本系統(tǒng)采用開源關(guān)系數(shù)據(jù)庫MySQL，該云數(shù)據(jù)庫解決突發(fā)訪問高峰帶來的請求壓力，穩(wěn)定應(yīng)對高并發(fā)流量。從功能上來看，應(yīng)用層是要將這些數(shù)據(jù)和具體業(yè)務(wù)緊密聯(lián)系起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用相結(jié)合。對于起重機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用層稱為運營管理中心，其主要任務(wù)是對傳送上來的遠程數(shù)據(jù)進行分析與處理、遠程實時監(jiān)控、遠程信息管理等，因此運營管理中心的主體功能包括：

1.權(quán)限和登錄管理。本系統(tǒng)采用B/S模式（瀏覽器/服務(wù)器）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，瀏覽器通過Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫交互，因此用戶通過瀏覽器登錄系統(tǒng)，系統(tǒng)對用戶的權(quán)限進行分別類管理，主要分為設(shè)備廠商、代理商、貸款銀行和機主用戶，用戶和廠商設(shè)置最多權(quán)限，包含有進入實時監(jiān)控界面，獲取實時工況信息，另外廠商的遠程控制平臺還能處理各種故障和突發(fā)問題，在專業(yè)人員的監(jiān)控下還能遠程控制設(shè)備；代理商和貸款銀行主要權(quán)限為設(shè)備軌跡及定位查詢，開鎖機控制。登錄界面包含有各種驗證方式，可以選擇需要登錄的車型。

2.實時工況數(shù)據(jù)監(jiān)控。遠程運營管理中心向安裝在機械設(shè)備上的采集控制終端發(fā)送指令，機載終端將當(dāng)前地位置信息及工作狀態(tài)信息，通過無線4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\營管理中心，來自采集控制終端的信息在運營管理系統(tǒng)中的界面中實時顯示，包括有設(shè)備基本信息、位置信息、軌跡信息、工況信息及視頻信息。除此之外。運營管理中心數(shù)據(jù)庫中有大量真實機械設(shè)備原始工況數(shù)據(jù)，通過將實時信息與數(shù)據(jù)庫中設(shè)備歷史狀態(tài)相比對，以及進一步的數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)分析，可以判斷起重機實時工作當(dāng)中的異常狀況，預(yù)測可能發(fā)生的故障并及時處理。

3.遠程控制。運營管理中心有專門的控制界面，基本的控制包括有遠程故障診斷、開/鎖車、遠程斷電。起重機在非工作狀態(tài)的位置信息、故障信息等也可傳輸?shù)竭\營管理中心，通過與數(shù)據(jù)庫中各種故障信息比對，進行遠程故障診斷。還可以通過數(shù)據(jù)分析，在設(shè)備造成故障前向用戶提出保養(yǎng)建議。

4.運營信息管理。運營管理中心還包含有遠程信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中保存有關(guān)設(shè)備信息、機主資料、銷售資料、維修與保養(yǎng)資料等各類信息，工程機械廠商、代理商、貸款銀行、機主可通過移動終端訪問信息管理系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)分類管理，防止拖欠貸款，以及事故回溯追蹤。

5.云平臺。起重機遠程監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)部署在云平臺上的Web服務(wù)器中，運營管理中心云平臺與現(xiàn)場多個設(shè)備互聯(lián)，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備各類工況數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析與應(yīng)用。云平臺首先需要具有強大的用戶請求響應(yīng)功能，在操作的過程中可以有效地響應(yīng)節(jié)點上送的數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)送入到服務(wù)器當(dāng)中，進行數(shù)據(jù)存儲，并且把相應(yīng)的命令發(fā)送給節(jié)點，另外還需要在數(shù)據(jù)管理的過程中依照用戶的要求將指令傳遞給相應(yīng)的節(jié)點，實現(xiàn)子系統(tǒng)的管理和控制[4]。

五、結(jié)束語

本文將傳統(tǒng)機械控制系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車起重機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)核心模塊包含數(shù)據(jù)采集控制終端，無線傳輸模塊，以及反饋控制模塊，通過運營管理中心對設(shè)備進行實時監(jiān)控。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，工程機械設(shè)備也可以和車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展一樣，基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等核心技術(shù)，構(gòu)建統(tǒng)一開放的工程機械設(shè)備聯(lián)網(wǎng)解決方案，給予工程機械企業(yè)和用戶數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理和運營管理，基于統(tǒng)一安全的網(wǎng)絡(luò)接入、各種終端的靈活適配、海量數(shù)據(jù)的采集分析等能力。

作者單位：許楠? ? 西安信息職業(yè)大學(xué)

參? 考? 文? 獻

[1]許磊.物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論[M].高等教育出版社，2018.

[2]GB/T 28264—2017，起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)[S]．中國國家標準化管理委員會

[3]楊榮悅，張鵬洲，宋卿.基于5G 技術(shù)的智能車聯(lián)網(wǎng)研究與展望[J].? 電信科學(xué)， 2020.

[4]郁達飛，吳旦鈞.基于云平臺的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].? 中國科技縱橫， 2020.