基于物联网技术的工程机械监控系统设计

魏敬成，陈秀生，倪 林，王安麟，徐 刚

（1.山重建机有限公司，山东 临沂 276024；2.济南大学 机械工程学院，山东 济南 250022；3.同济大学 机械工程学院，上海 201804；4.山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073）

自2000年以来，我国工程机械呈现爆发式发展的态势，工程机械产销量已位居世界第一［1］.工程机械行业的迅猛发展，对工程机械产品及其制造的智能化提出了更高的要求，实现工程机械产品及其制造智能化的前提是对工程机械实现全面、全生命周期监控.物联网技术是自20世纪90年代末发展起来的一项新的信息技术，其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，系统可以自动地、实时地对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件［2－4］.应用物联网技术开发工程机械监控系统，将会实现工程机械全寿命周期、全面的监控［5］.

1 系统功能设计

工程机械产品监控的内容主要分为两部分：静态信息和动态信息.静态信息主要包括设计信息、制造信息、流通信息、维护信息等；动态信息主要是产品主要部件的状态参数信息，如压力、流量、温度、电压、电流等.为实现动态信息和静态信息的监控，基于物联网技术的工程机械监控系统的功能设计如下：

（1）工程机械静态信息的采集、存储和查询

系统能够采集工程机械产品整机及其零部件的设计、制造、销售、维护和回收等静态信息，所采集的信息存储于系统的服务器上，操作人员可以根据需要查询相关信息.

（2）状态信息的实时采集

实时采集工程机械产品的运行参数，如：发动机水温、机油压力、系统工作油温、系统电源电压、机油温度、发动机转速、燃油油位等.

（3）工程机械产品地理位置信息的采集

针对工程机械作业趋于分散以及工程机械租赁性使用的特点，系统能够实时地确定产品的地理位置，实现工程机械产品的实时定位和远程锁车功能.

（4）工程机械关键信息的追溯与防伪

系统能够追溯产品的全生命周期过程信息，以便于实现产品的回收和再制造；能够防止关键部件被非法更换和非正常维护，保证工程机械产品的可靠性.

西双和罗衫默默往回走，途中经过一个超级市场。西双顿住脚步，说，给楼兰买个水杯吧。罗衫问买水杯干什么？西双说我知道有一种歪嘴儿水杯，杯口伸出一个吸管，可以随意弯曲，这样楼兰躺在床上就可以喝水了。罗衫向他翘起大拇指，说，我就知道你不是那种无情无意的男人。西双说现在我对楼兰的确无情无意，买个水杯，说明不了什么吧？拿着买来的水杯往医院走，又叮嘱罗衫说，一会儿你把水杯送进病房，我就不进去了。

（5）工程故障信息的智能化处理

系统对于状态异常的信息，能够自动报警，能够为维护人员提供解决方案，实现故障信息的智能化处理.

（6）远程监控功能

系统能够提供过程信息和产品信息的远程监控功能，系统操作人员通过远程监控系统与设备，和现场人员实现交互.

2 技术方案设计

（1）信息的采集

根据信息的种类，信息的采集使用不同的元器件.对于动态信息，通过安装在相应部件上的传感器来实现；对于静态信息的采集，则通过射频识别（RFID）标签记录静态信息.

（2）数据传输方案

数据传输采用无线和有线两种方式.现场数据通过控制器局域网络（CAN）总线传输，CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CAN＿H（高电平）和CAN＿L（低电平）与物理总线相连.对于远程数据传输，则由全球定位系统（GPS）终端采用通用无线分组业务（GPRS）实现传输.GPS终端采用无线的方式上传和接收远程监控服务中心的数据，远程监控服务中心和工程机械故障诊断专家系统通过计算机网络进行数据交换.系统采用的传输方案如图1所示.

（3）数据存储方案

系统采集的数据经过处理后，存储于数据库服务器中，各子系统及其使用者根据权限调用所需数据.为防止数据丢失，数据在存储于数据库服务器的同时，在备份数据库服务器中存储.

（4）地理位置信息采集方案

工程机械监控系统通过GPS和GPRS技术实现工程机械产品实时采集工程机械产品的地理位置信息.

（5）故障智能化处理

系统通过建立工程机械故障的基本形式、故障原因和故障处理方法的关系，形成故障处理的基本模式，实现工程机械故障的智能化处理.

（6）各子系统的集成方案

系统按照功能划分模块，各子系统独立开发，子系统通过数据的传递和调用实现集成.在子系统设计时，规定各子系统采用统一的开发语言（C＃）；通过建立一个统一的监控中心（平台），保证各子系统的互操作性.

图1 监控系统的数据传输方案Fig.1 Data transmission scheme of the monitoring system

3 系统结构设计

为实现上述功能，系统首先需要对信息进行采集，将采集的信息传输到远程监控系统，再由远程监控系统对接收的数据进行处理并显示，同时操作人员可以对系统操作.系统功能的实现需要信息采集技术、网络技术、中间件技术、云计算技术以及一些公共技术的支持，以物联网技术及其应用的三层架构为基础.基于物联网技术的工程机械监控系统的架构如图2所示.

基于物联网技术的工程机械监控系统通过感知层的传感器、二维码、射频识别标签等实现信息的采集，采集的信息使用网络层进行传输，在应用层进行数据的处理，数据的采集、传输和处理都是在公共技术的支持下完成.

图2 监控系统的架构Fig.2 Framework of the monitoring system

根据监控系统的三层架构和功能要求，系统结构设计为三层：应用层、功能层和技术层.应用层用以实现制造、售后、产品、物流、现场管理等领域的监控，功能层是监控系统应用后实现的功能，技术层则是为实现监控系统所做的技术开发.实现工程机械全面监控所开发的监控子系统主要有：制造过程监控系统、物流管理监控系统、工程机械监控RFID应用系统、工程机械故障诊断专家系统、工程机械状态监控系统等.基于物联网技术的工程机械系统的体系结构如图3所示.

图3 监控系统的体系结构Fig.3 Structure of the monitoring system

4 结语

制造物联网技术是目前先进制造领域研究的热点，本文作者对物联网技术在工程机械监控领域的应用进行了探索，设计了系统的功能，并对系统功能实现的技术方案进行了设计，进而提出了系统的架构和体系结构.本研究将为基于物联网技术的工程机械监控系统的开发建立基础.

［1］中经网数据有限公司.中国工程机械行业分析报告（2012年）［EB／OL］.［2014－03－06］.http：／／www.doc88.com／p－8701692967303.html.China Economic Information Network Data Limited Company.China construction machinery industry analysis reports－2012［EB／OL］.［2014－03－06］.http：／／www.doc88.com／p－8701692967303.html.

［2］王保云.物联网技术研究综述［J］.电子测量与仪器学报，2009，23（12）：1－7.WANG Baoyun.Review on internet of things［J］.Journal of Electronic Measurement and Instrument，2009，23（12）：1－7.

［3］刘强，崔莉，陈海明.物联网关键技术与应用［J］.计算机科学，2010，37（6）：1－4.LIU Qiang，CUI Li，CHEN Haiming.Key technologies and applications of Internet of Things［J］.Computer Science，2010，37（6）：1－4.

［4］刘志峰，张宏海.基于RFID技术的EPC全球网络的构建［J］.计算机应用，2005，25（S1）：14－15.LIU Zhifeng，ZHANG Honghai.Construction of EPC global net based on RFID［J］.Computer Applications，2005，25（S1）：14－15.

［5］陈秀生.基于物联网技术的工程机械智能化监控系统研究［R］.上海：同济大学／山推工程机械股份有限公司博士后研究工作报告，2013.CHEN Xiusheng.Study on the intelligent monitoring system of construction machinery based on internet of things［R］.Shanghai：Tongji University／Shantui Construction Machinery Limited Company Post Doctoral Research Report，2013.