CN102591300A - 一种移动式工程机械设备的实时监控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种移动式工程机械设备的实时监控装置，包括用于监测工程机械参数信息的数据采集模块、通讯网络接口模块、微处理器模块、现场监控模块、数据存储模块和供电模块；所述数据采集模块连接微处理器模块的输入接口；通讯网络接口模块的通讯接口与微处理器模块的通讯接口连接；现场监控模块连接微处理器模块的输入输出接口和控制接口；数据存储模块的数据输入接口连接微处理器模块的数据输出接口；供电模块输出端接微处理器模块的电源输入端。本发明的监控装置具有较高集成度，实现了对移动式工程机械的本地和远程两种方式的实时监控，提高了工程机械设备运行的可靠性、安全性与生产效率。

Description

一种移动式工程机械设备的实时监控装置
技术领域
本发明是一种移动式工程机械设备的实时监控装置，涉及数据采集和数据通讯，实现对工程机械设备健康状态的实时监控与故障诊断。本发明属于现代嵌入式监控技术领域。
背景技术
近些年来，随着我国基础设施建设的加强,尤其在三峡工程、青藏铁路、西电东送、西气东输等大型施工建设项目以及电力、石油、化工等行业迅速发展的拉动下，移动式工程机械（包括起重机、挖掘机等）经历了一个黄金发展时期，日益向着大型化、自动化方向发展。这类大型流动式起重机普遍采用液压、电气综合控制，但随之而来的问题是控制系统越来越复杂。在这种复杂系统中，潜在的故障难免存在，一旦发生故障，不仅会造成财产损失，甚至会危及到人们的生命财产安全。而且，由于工程机械工作在野外，工作环境恶劣、以及经常性的超负荷运行导致生产事故发生的情况也时有发生。目前大型移动式工程机械设备（如起重机）普遍采用液压（或电气驱动）、电气综合控制，控制系统越来越复杂，快速、及时地检测、识别系统中的故障，已经远非操作人员力所能及。对工程机械设备采取完备的实时监测措施，进而制定完备的维护措施，可保证设备可靠高效地运行，同时将事故发生的可能性降到一个很小的几率，并节省大量的人工维护成本。
经过文献检索发现，中国发明专利名称为：《通用移动起重机机械工作状态远程在线监控系统》（申请号：200710036549.6,公开号：CN101007616A）。该专利公开一种通用移动式起重机械远程监控系统：该监控系统信息采集终端将采集并处理后的起重机械工作参数信息通过GPRS无线网络发送到信息远程处理终端，实现各种参数信息的集中显示、存储及查询。但该发明有以下的不足：[1] 数据采集终端仅以GPRS远程无线方式进行数据通讯，由于GPRS通讯的不稳定性无法保证可靠的数据远程传输；[2]采集终端没有进行采集数据的缓存保护，容易导致数据丢失；[3]没有采用现场的数据通讯，无法实施现场无线数据采集；[4]终端没有采用液晶显示屏来现场监控工程机械的运行关键参数，无法实施现场监控。
中国实用新型专利《工程机械监控器》（申请号：03136600.7,公开号：CN1474242.A）。该专利公开了一种工程机械监控器：该监控器采用ARM芯片和CAN总线技术来实现对工程机械的状态监控。但该监控装置有以下的不足：仅是一种现场监控系统，由现场操作人员了解设备工作状态，无法由专家和操作人员在远程对工程机械工作状态作出检测与诊断。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术中的不足和缺陷，提供一种移动式工程机械设备的实时监控装置，该监控装置可实时监控工程机械工作参数信息，并在液晶屏上进行实时显示，也可通过通讯网络接口模块将监控信息传送到ZigBee、Internet和GPRS通讯网络实现对工程机械的本地和远程监控，也可通过这些网络接收管理中心发送的指令。同时可对机械设备工作参数信息进行处理，实现对设备的故障诊断和维护。该监控装置功能齐全，易扩展，投入成本低。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种移动式机械设备的实时监控装置，包括用于监测工程机械参数信息的数据采集模块、通讯网络接口模块、微处理器模块、现场监控模块、数据存储模块和供电模块；其特征在于所述数据采集模块连接微处理器模块的输入接口；通讯网络接口模块的通讯接口与微处理器模块的通讯接口连接；现场监控模块连接微处理器模块的输入输出接口和控制接口；数据存储模块的数据输入接口连接微处理器模块的数据输出接口；供电模块输出端接微处理器模块的电源输入端。其硬件结构以ARM嵌入式微处理器为核心，外围扩展存储、显示和通讯接口，软件结构采用基于内核对象的嵌入式开源实时操作系统RT-Thread。
所述的微处理器模块采用32位ARM嵌入式微处理器实现对机械设备参数信息的处理和多任务调度。
所述的数据采集模块包括：两个CAN信号收发器和各类传感器，CAN信号收发器输入端接在工程机械设备CAN数据总线上，输出端接到ARM微处理器模块的CAN数据收发口，传感器接ARM微处理器模块的A/D转换接口。
所述的通讯网络接口模块包括ZigBee接口、Ethernet接口和GPRS/GPS接口，微处理器模块通讯接口分别连接ZigBee接口、Ethernet接口和GPRS/GPS接口将工程机械设备各种工作参数及定位信息—纬度、海拔、时间，传输到ZigBee、Internet和GPRS通讯网络，实现对工程机械设备的本地控制和远程控制。
所述的数据存储模块有SD卡存储和USB移动硬盘存储两种存储方式，采用SD卡和USB移动硬盘对设备的各种工作状态信息、设备位置信息进行存储，在通过ZigBee、Internet和GPRS通讯网络传输数据失败或者数据丢失的情况下，可从SD卡或USB移动硬盘临时存储器中取得历史数据，再次发送到客户端，确保整个系统数据传输的可靠性。
所述的现场监控模块采用液晶屏显示方式实现现场监控，微处理器模块将处理后的设备工作状态信息参数输出到液晶显示接口，实时显示各种参数信息，实现现场实时监控功能。
本发明移动式工程机械设备的实时监控装置安装在机械设备上，当设备工作时，通过CAN总线和传感器采集机械设备工作参数信息（如：工作高度、发动机转速、系统压力、油温、流量），ARM微处理器模块分别从CAN数据收发口和A/D接口接收工程机械设备各种工作参数信息，并对这些参数进行处理后传送到通讯网络接口模块，通讯网络接口模块将设备工作参数信息和位置信息输出到ZigBee、Internet 和GPRS通讯网络，实现对设备的监控和维护。
本发明与现有技术相比具有以下显而易见的突出实质性特点和显著优势：在数据采集上，除了可融入到所有带CAN总线的工程机械设备，可实现对设备的关键状态参数的同步采集，而无需对现有的工程机械的信号采集系统进行修改，同时可灵活地实现对安装在工程机械上的多路传感信号实现在线同步采集。本发明可对分布于各地的工程机械实现无线远程、有线远程和无线短程的三种信息通讯模式，实现多种信号传输模式供用户灵活选用，系统可普遍适用于各种工程机械的需求，可同时进行现场监控和远程监控，再结合工程机械的健康状况和分布位置，设备管理中心可实现对工程机械的分布式优化调度和维护计划。为克服远程通讯时出现的故障而造成的信息丢失，多种存储模式保证了信息的安全性和可靠性。
附图说明
图1 是本发明结构方框图。
图2是本发明硬件结构图。
图3是本发明微处理器模块电路原理图。
图4是本发明据SD存储电路原理图。
图5是本发明USB存储电路原理图。
图6是本发明液晶显示接口电路原理图。
图7是本发明Ethernet通讯接口模块电路原理图。
图8是本发明GPRS/GPS模块电路原理图。
图9是本发明RS232串口模块电路原理图。
图10是本发明CAN1总线电路原理图。
图11是本发明CAN2总线电路原理图。
图12是本发明电源电路原理图。
具体实施方式如下
接下去对本发明的优选实例进行详细使用说明：
实施例一：
参见图1，本移动式工程机械设备的实时监控装置，包括用于监测工程机械参数信息的数据采集模块（1）、通讯网络接口模块（2）、微处理器模块（3）、现场监控模块（4）、数据存储模块（5）和供电模块（6）；其特征在于所述数据采集模块（1）连接微处理器模块（3）的输入接口；通讯网络接口模块（2）的通讯接口与微处理器模块（3）的通讯接口连接；现场监控模块（4）连接微处理器模块（3）的输入输出接口和控制接口；数据存储模块（5）的数据输入接口连接微处理器模块（3）的数据输出接口；供电模块（6）输出端接微处理器模块（3）的电源输入端。
本移动式工程机械设备的实时监控装置安装在机械设备上，当设备工作时，通过CAN总线和传感器采集机械设备工作参数信息（如：工作高度、发动机转速、系统压力、油温、流量），ARM微处理器模块分别从CAN数据收发口和A/D接口接收工程机械设备各种工作参数信息，并对这些参数进行处理后传送到通讯网络接口模块，通讯网络接口模块将设备工作参数信息和位置信息输出到ZigBee、Internet 和GPRS通讯网络，实现对设备的监控和维护。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述的微处理器模块（3）采用32位ARM嵌入式微处理器实现对机械设备参数信息的处理和多任务调度。
所述的数据采集模块（1）包括：两个CAN信号收发器（11）和各类传感器（12），CAN信号收发器输入端接在工程机械设备CAN数据总线上，输出端接到ARM微处理器模块的CAN数据收发口，传感器接ARM微处理器模块的A/D转换接口。
所述的通讯网络接口模块（2）包括ZigBee接口（21）、Ethernet接口（22）和GPRS/GPS接口（23），微处理器模块（3）通讯接口分别连接ZigBee接口（21）、Ethernet接口（22）和GPRS/GPS接口（23），将工程机械设备各种工作参数及定位信息—经纬度、海拔、时间，传输到ZigBee、Internet和GPRS通讯网络，实现对工程机械设备的本地控制和远程控制。
所述的数据存储模块（5）有SD卡存储和USB移动硬盘存储两种存储方式，采用SD卡和USB移动硬盘对设备的各种工作状态信息、设备位置信息进行存储，在通过ZigBee、Internet和GPRS通讯网络传输数据失败或者数据丢失的情况下，可从SD卡或USB移动硬盘临时存储器中取得历史数据，再次发送到客户端，确保整个系统数据传输的可靠性。
所述的现场监控模块（4）采用液晶屏显示方式实现现场监控，微处理器模块将处理后的设备工作状态信息参数输出到液晶显示接口，实时显示各种参数信息，实现现场实时监控功能。
实施例三：
参见图1和2，本移动式工程机械设备的实时监控装置包括：用于监测工程机械参数信息的数据采集模块（1）、通讯网络接口模块（2）、微处理器模块（3）、现场监控模块（4）、数据存储模块（5）、供电模块（6）；数据采集模块（1）连接微处理器模块（3）的输入接口；通讯网络接口模块（2）的通讯接口与微处理器模块（3）的通讯接口连接；现场监控模块（4）连接微处理器模块（3）的输入输出接口和控制接口；数据存储模块（5）的数据输入接口连接微处理器模块（3）的数据输出接口；供电模块（6）输出端接微处理器模块（3）的电源输入端。
此监控装置安装在机械设备上，当设备工作时，数据采集模块通过CAN总线和传感器采集机械设备工作参数信息（如：工作高度、发动机转速、系统压力、油温、流量），ARM微处理器模块分别从CAN数据收发口和A/D接口接收工程机械设备各种工作参数信息，并对这些参数进行处理后传送到通讯网络接口模块，通讯网络接口模块将设备工作参数信息和位置信息输出到ZigBee、Internet 、GPRS通讯网络，微处理器模块也可将各参数信息输出到现场监控模块，通过液晶显示屏进行现场显示，数据存储模块可通过SD卡和USB移动硬盘对设备的各种工作状态信息、设备位置信息进行存储。
本实施例采用主要器件型号：
见附图2所示，该移动式工程机械设备的实时监控装置硬件电路结构采用基于ARM架构的32位嵌入式微处理器为内核，外围扩展了大容量存储电路、液晶屏接口电路、CAN总线接口电路、Ethernet接口电路、USB接口电路、RS232接口电路、GPRS/GPS接口电路、ZigBee接口电路和编程调试接口电路等。
见附图3所示，核心数据处理器采用ST公司生产的2路CAN2.0B接口、5个USART接口、3个SPI端口、2个IIC接口且拥有全速USB(OTG)接口、以及以太网10/100MAC模块的微处理器ARM芯片STM32F107VCT6；
见附图2和7所示，第一CAN信号收发器和第二CAN信号收发器均采用周立功公司推出的高速隔离CAN收发器CTM1050T（以下用CTM1050T-1、CTM1050T-2表示）实现；
数据采集模块第一数据收发口采用STM32F107VCT6的CAN1_TX和CAN1_RX引脚实现；
数据采集模块第二数据收发口采用STM32F107VCT6的CAN2_TX和CAN2_RX引脚实现；
ZigBee无线通讯模块：采用Chipcon公司的CC2430芯片；
Ethernet通讯模块：采用高性价比的DM9161AEP作为10M/100M以太网PHY芯片，采用MⅡ接口与处理器STM32F107VCT6内部的IEEE1588 MAC连接，标准RJ45接口；
GPRS/GPS模块：采用SIMCOM公司的GPRS 和GPS二合一模块SIM584C芯片；
数据存储模块：采用SD卡和USB移动硬盘对数据进行存储，以防止由于网络通讯的故障而引起的数据丢失；
现场监控模块：采用3.2寸24位真彩色触摸液晶屏进行显示。
见附图2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12所示具体实施实例组件连接方式。
[1] 数据采集模块的CAN信号收发器（CTM1050T）用于将移动式工程机械设备（以下以起重机械为例）采集系统CAN总线上的数据电平信号转换为“0”和“1”表示的高低电平信号，“0”对应低于0.7V的电压，“1”对应高于2.5V的电压；
[2] 数据采集模块的第一CAN信号收发器（CTM1050T-1）的CANH、CANL信号输入端分别接在起重机械的CAN数据线CANH、CANL上，见附图2、10；
[3] 数据采集模块的第一CAN信号收发器（CTM1050T-1）的CRXD、CTXD引脚分别接到
STM32F107VCT6的CAN1_TX、CAN1_RX引脚上，实现对起重机械中液压系统、柴油机系统及电气综合控制系统等参数信息的电平转换，见附图2、10；
[4] 数据采集模块的第二CAN信号收发器（CTM1050T-2）的CANH、CANL信号输入端分别接在起重机械力矩限制器的CAN数据线CANH、CANL信号线上，见附图2、11；
[5] 数据采集模块的第二CAN信号收发器（CTM1050T-2）的CRXD、CTXD引脚分别接到STM32F107VCT6的CAN2_TX、CAN2_RX引脚上，实现对起重机械中作业状态参数（主臂长度、主臂角度、工作半径、起升高度、塔臂长度、塔臂角度、倍率、起重量等）信息的电平转换，见附图2、11；
[6]微处理器STM32F107VCT6从第一数据收发口（STM32F107VCT6的CAN1_TX、CAN1_RX引脚）接收起重机械中液压系统、柴油机系统、电控系统等参数信息，并进行处理；
[7]微处理器STM32F107VCT6从第二数据收发口（STM32F107VCT6的CAN2_TX、CAN2_RX引脚）接收起重机械中作业状态参数信息，并进行处理；
[8]微处理器与通讯网络接口模块连接，将采集到的起重机械的各种工作参数进行预处理后传送给通讯网络接口模块，以便于信息数据的有效无线/有线传输；
[9] STM32F107VCT6的UART4_TX、UART4_RX引脚分别与GPRS 和GPS二合一模块的GPS定位模块的GPS_RXD、GPS_TXD引脚相联接，进行定位信息的传输，见附图2、8；
[10] STM32F107VCT6的UART5_TX、UART5_RX引脚分别与GPRS 和GPS二合一模块的GPRS无线通讯模块的GPRS_RXD、GPRS_TXD引脚相联接，进行信息数据的远程无线传输，见附图2、8；
[11] STM32F107VCT6的USART1_TX、USART1_RX引脚分别与MAX232芯片的RIO、T1I引脚相联接，通过DB9插口与ZigBee接口模块联接，进行信息数据的近距离无线传输，见附图2、9；
[12] STM32F107VCT6内部的IEEE1588 MAC模块通过MⅡ接口与以太网PHY芯片DM9161AEP联接，DM9161AEP的 RX+/RX-、 TX+/TX-引脚分别接到带有标准RJ45接口的网络隔离变压器的TD+/TD-、RD+/RD-引脚上，网络模块使用标准RJ45接口与以太网相联，见附图2、7；
[13]SD存储：采用SD的SPI模式存储，STM32F107VCT6的SPI1_MISO、SPI1_MOSI引脚分别接到SD卡的DO、DI引脚上, 对多路传感器数据、设备位置信息等进行存储，见附图2、4；
[14]USB存储：采用Mini USB AB接口，STM32F107VCT6的OTG_FS_ID、OTG_FS_DM、OTG_FS_DP引脚分别接到Mini USB连接器的ID、D-、D+引脚上，以防止由于网络通讯的故障而引起的数据丢失，见附图2、5；
[15]液晶显示：采用3.2寸TFT触摸液晶屏，32针液晶显示接口，通过SPI总线与处理器连接。STM32F107VCT6的SPI1_MISO、SPI1_MOSI引脚分别接到液晶模块的MISO、MOSI引脚上，见附图2、6；
[16]供电模块：采用15V直流电源供电，通过降压稳压芯片将15V电压分别降至系统需要的5V和3.3V，硬件电路连接见附图12；
本实施例CAN信号收发器CTM1050T的CANH、CANL信号输入端分别接在起重机械的CAN数据线CANH和CANL上，将起重机械CAN总线上的数据电平信号转换为微处理器STM32F107VCT6可接收的“0”和“1”表示的高低电平信号，“0”对应低于0.7V的电压，“1”对应高于2.5V的电压。CTM1050T-1的CRXD和CTXD信号输出端分别接到STM32F107VCT6的CAN1_TX、CAN1_RX引脚上，CTM1050T-2的CRXD、CTXD信号输出端分别接到STM32F107VCT6的CAN2_TX、CAN2_RX引脚上，STM32F107VCT6通过CTM1050T-1实现对起重机械的系统压力、伺服压力、发动机转速、油温及流量等参数信息的采集，通过CTM1050T-2实现对起重机主臂长度、主臂角度、工作半径、起升高度、塔臂长度、塔臂角度、倍率、起重量等参数信息的采集。
STM32F107VCT6微处理器分别从CAN1_RX引脚、CAN2_RX引脚及A/D接口接收起重机各种工作参数信息，并进行处理后传送到STM32F107VCT6的内部寄存器中。STM32F107VCT6的UART4_TX、UART4_RX引脚分别与GPRS 和GPS二合一模块的GPS定位模块的GPS_RXD、GPS_TXD引脚相联接，将GPS定位模块中起重机定位信息读入到STM32F107VCT6的内存中。微处理器STM32F107VCT6将起重机各种工作参数和定位信息，经UART5_TX传送到GPRS无线通讯网络，经USART1_TX传送到ZigBee无线通讯网路，经MⅡ接口和RJ45接口传送到Internet通讯网络，经SPI1_MISO、SPI1_MOSI、OTG_FS_ID、OTG_FS_DM、OTG_FS_DP传送到液晶显示模块和存储模块。

Claims (6)

1.一种移动式工程机械设备的实时监控装置，包括用于监测工程机械参数信息的数据采集模块（1）、通讯网络接口模块（2）、微处理器模块（3）、现场监控模块（4）、数据存储模块（5）和供电模块（6）；其特征在于所述数据采集模块（1）连接微处理器模块（3）的输入接口；通讯网络接口模块（2）的通讯接口与微处理器模块（3）的通讯接口连接；现场监控模块（4）连接微处理器模块（3）的输入输出接口和控制接口；数据存储模块（5）的数据输入接口连接微处理器模块（3）的数据输出接口；供电模块（6）输出端接微处理器模块（3）的电源输入端。
2.根据权利要求1所述的移动式工程机械设备的实时监控装置，其特征在于所述的微处理器模块（3）采用32位ARM嵌入式微处理器实现对机械设备参数信息的处理和多任务调度。
3.根据权利要求1所述的移动式工程机械设备的实时监控装置，其特征在于所述的数据采集模块（1）包括两个CAN信号收发器（11）和各类传感器（12），CAN信号收发器输入端接在工程机械设备CAN数据总线上，输出端接到ARM微处理器模块的CAN数据收发口，传感器接ARM微处理器模块的A/D转换接口。
4.根据权利要求1所述的移动式工程机械设备的实时监控装置，其特征在于所述的通讯网络接口模块（2）包括ZigBee接口（21）、Ethernet接口（22）和GPRS/GPS接口（23），微处理器模块（3）通讯接口分别连接ZigBee接口（21）、Ethernet接口（22）和GPRS/GPS接口（23），将工程机械设备各种工作参数及定位信息—经纬度、海拔、时间，传输到ZigBee、Internet和GPRS通讯网络，实现对工程机械设备的本地控制和远程控制。
5.根据权利要求1所述的移动式工程机械设备的实时监控装置，其特征在于所述的数据存储模块（5）有SD卡存储和USB移动硬盘存储两种存储方式，采用SD卡和USB移动硬盘对设备的各种工作状态信息、设备位置信息进行存储，在通过ZigBee、Internet和GPRS通讯网络传输数据失败或者数据丢失的情况下，可从SD卡或USB移动硬盘临时存储器中取得历史数据，再次发送到客户端，确保整个系统数据传输的可靠性。
6.根据权利要求1所述的移动式工程机械设备的实时监控装置，其特征在于所述的现场监控模块（4）采用液晶屏显示方式实现现场监控，微处理器模块将处理后的设备工作状态信息参数输出到液晶显示接口，实时显示各种参数信息，实现现场实时监控功能。
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