CN102968102A - 一种非开挖钻机远程监测装置 - Google Patents

一种非开挖钻机远程监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种非开挖钻机远程监测装置，包括传感器、发射模块、接收模块和上位机。发射模块设有发射端主微处理器最小系统电路，从微处理器最小系统电路，16通道数据采集电路，串口通信电路，SD卡存储电路，GSM、GPS模块和电源电路等；接收模块设有接收端微处理器最小系统电路、双串口通信电路和GSM模块。发射与接收之间通过GSM网络实现通讯。上位机通过串口线与双串口通信电路相连接，上位机中编有软件，用于接收、处理和管理数据。使用本装置，非开挖钻机生产商及使用方管理部门可远程对非开挖钻机的工作状态进行实时监测，全程掌握非开挖钻机的各种状态，为施工现场管理、钻机维护、市场开拓等提供科学的数据支撑。

Description

一种非开挖钻机远程监测装置
技术领域
本发明涉及一种非开挖钻机远程监测装置，具体是一种可以对非开挖钻机的工况进行远程监测及管理的装备。
背景技术
随着我国城市及基础设施建设对管线铺设的需求越来越多，对非开挖钻机的需求也随之迅速增加。但由于非开挖钻机工作环境恶劣，同时有些操作者为了达到经济目的，使钻机超负荷工作，甚至出现违规操作，这样不仅会造成钻机寿命的下降、延长施工时间，增大钻机生产厂家的售后服务工作量，还会导致用户与生产商之间的矛盾不断增加。基于此问题，开发一种非开挖钻机远程监测装置是很有必要的，远程监测装置能够实现对非开挖钻机工况参数的远程实时监测，使钻机生产厂家可以实时了解所出售钻机的工作信息，并根据监测数据远程提醒用户对钻机进行及时的主动维护和保养，也为生产商及使用方处理矛盾提供必要的数据支撑，同时还可根据非开挖钻机工作的位置变化，对各城市的非开挖工程量进行判断，以便合理地开拓非开挖钻机的区域市场。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非开挖钻机远程监测装置，实现对非开挖钻机的工况数据进行远程的实时监测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种非开挖钻机远程监测装置，包括安装在非开挖钻机上的传感器、发射模块、接收模块和上位机，所述的传感器与发射模块连接，发射模块通过GSM网络与接收模块进行通信，接收模块与上位机相连；
所述的传感器安装在非开挖钻机上，传感器用于采集钻机的工况参数及地理位置的信息；
所述的发射模块设有发射端主微处理器最小系统电路、从微处理器最小系统电路、16通道数据采集电路、串口通信电路、SD卡存储电路、电池过充保护电路、断电升压电路、5V电压模块电路、3.3V电压模块电路、电源开关电路、GSM模块、GPS模块和可充电电池；
所述的接收模块设有接收端微处理器最小系统电路、双串口通信电路和GSM模块；
所述的上位机中包含数据接收与处理软件，上位机通过串口线与接收端的双串口通信电路相连接，用于对接收模块发送的数据进行进一步处理。
本发明所述的发射模块中的电源由5V电压模块电路经过电源开关电路后提供的VCC供电，5V电压模块电路采用BSD12-24S05芯片24-5搭建，BSD12-24S05芯片的Vin-、Vin+分别接非开挖钻机的蓄电池电源的负极和正极，芯片的Vo-、Vo+分别接发射端电源的地和5V。
本发明所述的发射模块中的发射端主微处理器最小系统电路采用STC12C5A60S2的芯片U4，STC12C5A60S2芯片的P1.2、P1.3引脚与GPS模块的RX、TX引脚相接，用于采集GPS模块的输出信号；
16通道数据采集电路由2片ADC0809芯片和1片74LS74芯片搭建，第一片ADC0809芯片U2的1D0-1D7、1A3-1A1、1ALE、1ST、1OE、1EOC和clk引脚分别与主微处理器U4的P0.0-P0.7、P1.4-P1.6、P1.0、P1.1、P1.7、P3.7及74LS74的第9脚相接，第二片ADC0809芯片U6的引脚2D0-2D7、2A1-2A3、2ALE、2ST、2OE、2EOC、clk分别与主微处理器最小系统电路U4的P2.0-P2.7、P3.2-P3.6、EA/VPP、PSEN及74LS74的第9脚相接，16通道数据采集电路用于将传感器输入的模拟信号转换成数字信号后输入发射端主微处理器最小系统电路；
从微处理器最小系统电路采用STC12C5A60S2的芯片U1搭建，发射端主微处理器最小系统电路U4采集的传感器信号经过处理后通过P3.0与P3.1口发送到从微处理器最小系统电路U1的P3.1和P3.0口；
串口通信电路采用MAX232芯片U3搭建，MAX232芯片的第12引脚、第11引脚分别与从微处理器最小系统电路U1的P1.2、P1.3口连接，MAX232芯片的第13引脚、14引脚用于连接GSM模块的RX和TX引脚，从微处理器最小系统电路通过串口通信电路可以对GSM模块进行控制；
SD卡存储电路采用Micro SD卡搭建，Micro SD卡的第1引脚RSV经稳压二极管D1接地，同时经过电阻R2与从微处理器最小系统电路U1的P2.5连接, SD卡的第2引脚CS经稳压二极管D2接地，第2引脚CS同时经过电阻R3与从微处理器U1的P2.1连接, SD卡的第3引脚DI经稳压二极管D3接地，第3引脚DI同时经过电阻R4与从微处理器最小系统电路U1的P2.2连接, SD卡的第4引脚接3.3V电源， SD卡的第5引脚SCLK经稳压二极管D4接地，第5引脚SCLK同时经过电阻R5与从微处理器最小系统电路U1的P2.3连接, SD卡的第6引脚接地， SD卡的第7引脚与从微处理器最小系统电路U1的P2.4连接, SD卡的第8引脚RSV经稳压二极管D5接地，第8引脚RSV同时经过电阻R6与从微处理器最小系统电路U1的P2.5连接, 从微处理器最小系统电路U1将传感器信号经过电平转换后存入到Micro SD中；
3.3V电压模块电路采用ASM1117的芯片A1构成，ASM1117芯片的第2引脚与Micro SD卡的第4引脚连接，将所用的5V电源转换成Micro SD卡所需要的3.3V电源；
电池过充保护电路采用TP4056的芯片U7，TP4056芯片的第5引脚BAT与VDDLi-ion可充电电池的正极相接，第2引脚经过电阻R43接地后，并将地与GNDLi-ion可充电电池的负极相接，当发射模块通电运行后，5V电源经过电池过充保护电路给可充电电池充电；
断电升压电路采用LM3224的芯片U8，LM3224芯片的第6引脚接VDDLi-ion可充电电池的正极，第4引脚接GNDLi-ion可充电电池的负极；
可充电电池用于在钻机提供的电源消失后通过断电升压电路升高电压为发射模块供电；
电源开关电路由继电器K1和三极管Q1组成，5V电源经过两个并联的整流二极管D7、D8后形成VCCguodu电源，VCCguodu连接到继电器K1的第1和第5引脚，K1的第3引脚接发射端的VCC，K1的第2引脚接Q1的集电极，Q1的基极通过电阻R11后接5V电源，发射极接地，电源开关电路通过从微处理器最小系统电路U1控制整个监测装置的电源VCC的开闭。
本发明所述的接收模块设有接收端微处理器最小系统电路、双串口通信电路和GSM模块；接收端的GSM模块通过移动通信的GSM网络接收发射端发射的数据，数据通过双串口通信电路发送到接收端微处理器最小系统电路进行处理，接收端微处理器最小系统电路由STC12C5A60S2的芯片U11搭建；双串口通信电路由MAX232的芯片U12构成，MAX232芯片的第9、10、11、12引脚分别与STC12C5A60S2的芯片U11的P3.0、P3.1、P1.3、P1.2口连接，MAX232芯片的第13引脚、14引脚用于连接GSM模块的RX和TX引脚，MAX232芯片的第8引脚、第7引脚用于与上位机相连接，接收端微处理器最小系统电路处理后的数据通过双串口通信电路发送到上位机作进一步的处理。
本发明所述的上位机编制有实时监控软件，通过内部程序代码对接收到的数据进行处理，并存入SQL Server数据库。
本发明所述的上位机实时监控软件中设置有钻机属性模块、实时监控模块、维护计划模块、历史记录模块和系统管理模块，其中钻机属性模块和系统管理模块用于查询钻机的技术参数和客户信息；实时监控模块用于对钻机的实时工况参数进行监控，设有对机械系统、液压系统、泥浆系统、动力系统、运行时间和地理位置的监控；历史记录模块用于对钻机以往的工况参数进行分析，以表格和图标形式进行查询及提示用户在不同的时间间隔内对钻机相关部件进行检修和维护，系统管理模块用于对钻机产品信息和客户信息进行增加、修改和删除。
本发明的非开挖钻机远程监测装置的有益效果是:
1.本装置结构简单，使用方便，可远程对非开挖钻机的工作状态进行实时监测，全程掌握非开挖钻机的各种状态，在监测状态下能够减少钻机超负荷工作及违规操作，更主动合理使用钻机，定期进行维护和保养，提高设备的使用寿命，也为非开挖钻机施工、钻机维护、现场管理等提供方便。
2.本发明提供了一种非开挖钻机远程监测装置，可以远程的对非开挖钻机的工作状态进行实时监测，为非开挖钻机的设计、生产和销售及开拓市场提供科学的数据，也为处理生产商及使用方之间的矛盾提供必要的数据支撑。
3.本装置解决了对非开挖钻机施工监控难的问题，方便于合理地开拓非开挖钻机的区域市场，满足当前各城市对非开挖钻机施工量增大的需求。
附图说明
图1为本发明一种非开挖钻机远程监测装置的结构框图。
图2为本装置5V电压模块电路图。
图3为本装置接收端主微处理器最小系统电路图。
图4为本装置16通道数据采集电路图。
图5为本装置从微处理器电路图。
图6为本装置串口通信电路图。
图7为本装置SD卡存储电路图。
图8为本装置3.3V电压模块电路图。
图9为本装置电池过充保护电路图。
图10为本装置断电升压电路图。
图11为本装置电源开关电路图。
图12为本装置接收端微处理器电路图。
图13为本置双串口通信电路图。
图14为本装置上位机软件主界面图。
图15为本装置上位机软件结构图。
具体实施方式
  下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。
实施例1：本发明一种非开挖钻机远程监测装置的结构如图1所示，包括安装在非开挖钻机上的传感器、发射模块、接收模块和上位机，传感器与发射模块连接，发射模块通过GSM网络与接收模块进行通信，接收模块与上位机相连。
有16个传感器安装在非开挖钻机的相应位置上，如安装在非开挖钻机液压泵站出油口处的压力传感器及流量传感器，安装在非开挖钻机液压泵站油箱中的温度传感器，安装在非开挖钻机动力头处的转速传感器等，传感器用于采集钻机的工况参数及地理位置的信息。
发射模块设有发射端主微处理器最小系统电路、从微处理器电路最小系统电路、16通道数据采集电路、串口通信电路、SD卡存储电路、电池过充保护电路、断电升压电路、5V电压模块电路、3.3V电压模块电路、电源开关电路、GSM模块、GPS模块和可充电电池。
接收模块设有接收端微处理器最小系统电路、双串口通信电路和GSM模块。
上位机中包含数据接收与处理软件，上位机通过串口线与接收端的双串口通信电路相连接，用于对接收模块发送的数据进行进一步处理。
本发明的非开挖钻机远程监测装置工作过程是，当钻机启动后，钻机的电源通过5V电源模块电路给发射模块供电，同时通过电池过充保护电路给可充电电池充电。发射模块得电后自动运行，发射模块通过16通道数据采集电路及GPS模块将传感器的输出信号及钻机的位置、工作信息采集到发射端主微处理器最小系统电路进行处理，处理后的数据通过数据线发送到从微处理器最小系统电路。从微处理器最小系统电路对接收到的数据值进行判断，若数据值没有超过所设定的阈值，则通过SD卡存储电路将数据存储到SD卡内；若数据值超过所设定的阈值，则通过串口通信电路控制GSM模块将数据发送到接收模块。当钻机停机后，可充电电池通过断电升压电路将电压升高后为发射模块供电，当GSM模块发送完数据后再通过电源开关电路将发射模块的电源切断。
接收端的接收模块接收到的数据通过双串口通信电路送到微处理器最小系统电路进行处理，处理后的数据再通过与双串口通信电路相连接的串口线发送到上位机进行进一步的处理。上位机接收到串口数据后进行分类处理，然后存入对应的数据库，便于查询历史记录，同时将部分数据在上位机软件界面进行显示，对钻机工况参数或地理位置进行实时监控。在上位机上也可方便地通过相关的软件模块查询和管理钻机的产品信息和客户信息，实时监控与分析钻机工况。
  本发明一种非开挖钻机远程监测装置的5V电压模块电路如图2所示，发射端电源由5V电压模块电路经过电源开关电路后提供的VCC供电，电源VCC是监测装置运行所需的电源。
本发明的发射端主微处理器最小系统电路如图3所示，发射端主微处理器最小系统电路采用STC12C5A60S2的芯片U4搭建，当监测装置通电后，STC12C5A60S2的芯片U4开始运行，并开始采集GPS模块的输出信号，同时还通过16通道数据采集电路采集传感器的输出信号，并将采集到的信号进行处理。
   本发明中16通道数据采集电路如图4所示，16通道数据采集电路由2片ADC0809芯片和1片74LS74芯片搭建， 16通道数据采集电路用于将传感器输入的模拟信号转换成数字信号后输入发射端主微处理器最小系统电路。
   本发明中从微处理器最小系统电路如图5所示，从微处理器最小系统电路采用STC12C5A60S2的芯片U1搭建，发射端主微处理器最小系统电路U4采集到的传感器信号经过处理后送到从微处理器最小系统电路U1。
   本发明中串口通信电路如图6所示，串口通信电路采用MAX232的芯片U3搭建。从微处理器最小系统电路U1对接收到的数据进行处理后进一步进行判断，若接收到的数据值大于所设定的该数据的阈值，则通过串口通信电路发送控制指令给GSM模块，通过GSM模块将异常数据发送给接收端；若接收到的数据值小于所设定的该数据的阈值，则将数据存储到Micro  SD卡内。
  本发明中SD卡存储电路如图7所示，SD卡存储电路采用Micro SD卡搭建，从微处理器最小系统电路U1对接收到的数据进行判断，若数据值没有超过所设定的阈值，则通过SD卡存储电路将数据存储到SD卡内。
   本发明中3.3V电压模块电路如图8所示，3.3V电压模块电路由ASM1117的芯片A1构成，3.3V电压模块电路与Micro SD卡的第4引脚连接，将5V电源转换成Micro SD卡所需要的3.3V电源。
  本发明中电池过充保护电路如图9所示，由TP4056的芯片U7搭建，当发射模块通电运行后，5V电源经过电池过充保护电路给可充电电池充电。
   本发明中断电升压电路如图10所示，断电升压电路由LM3224的芯片U8构成，当钻机停机后，由于钻机所提供的电源消失，此时装置由可充电电池经过断电升压电路进行供电。
本发明中电源开关电路如图11所示，电源开关电路由继电器K1和三极管Q1组成，5V电源经过两个并联的整流二极管D7、D8后形成VCCguodu电源，整流二极管D10和极性电容C62并联后一端接VCCguodu，另一端接Q1的集电极，电阻R12一端接地，另一端接Q1的基极，同时Q1的基极还通过R13后接从微处理器最小系统电路U1的P1.1口。当钻机断电后，锂电池通过升压电路继续给装置供电，供电后发射端将传感器所采集到的数据通过GSM模块发送给接收端，发送完数据后，从微处理器最小系统电路U1通过电源开关电路将装置的电源关闭。
   本发明中接收端微处理器最小系统电路如图12所示，接收端微处理器最小系统电路由STC12C5A60S2的芯片U11搭建，当装置通电后，接收端微处理器最小系统电路开始运行，并开始接收发射端发送的信号。
本发明中双串口通信电路如图13所示，双串口通信电路由MAX232的芯片U12构成，接收端微处理器最小系统电路通过双串口通信电路将发射端发送的数据接收后进行处理，处理后的数据再通过双串口通信电路发送到上位机进行进一步的处理。
本发明中的上位机软件主界面如图14所示，软件系统采用Visual Basic编制，将接收端发送过来的数据进行处理、显示和存储。上位机主界面设置有钻机属性模块、实时监控模块、历史记录模块、维护计划模块、系统管理模块和相应的控制按钮。
本发明的非开挖钻机远程监测装置所包含的上位机软件结构图如图15所示，软件打开后自动运行，通过选择不同的模块查看对应信息。若要查询钻机属性信息、实时监控信息、历史记录信息和维护计划，须先在主界面的钻机编号模块设定好钻机编号，然后分别在各个模块中查询相关信息,实时监控信息可以在主界面上直观地显示监测的曲线，还能在主界面上通过静态地图直观地显示钻机使用位置；在历史记录信息查询中，也有曲线显示及列表显示记录；在系统管理模块中，设有产品信息管理模块和出厂信息管理模块，产品信息管理模块可以查询已有的钻机信息，同时可以对已有的钻机信息进行修改或删除，也可以添加新的产品信息；出厂信息管理模块收录钻机与客户之间的信息，可以查询已有的钻机出厂信息，同时可以对已有的钻机出厂信息进行修改或删除，也可以添加新的钻机出厂信息。 

Claims (6)

1.一种非开挖钻机远程监测装置，包括安装在非开挖钻机上的传感器、发射模块、接收模块和上位机，其特征在于：所述的传感器与发射模块连接，发射模块通过GSM网络与接收模块进行通信，接收模块与上位机相连；
所述的传感器安装在非开挖钻机上，传感器用于采集钻机的工况参数及地理位置的信息；
所述的发射模块设有发射端主微处理器最小系统电路、从微处理器最小系统电路、16通道数据采集电路、串口通信电路、SD卡存储电路、电池过充保护电路、断电升压电路、5V电压模块电路、3.3V电压模块电路、电源开关电路、GSM模块、GPS模块和可充电电池；
所述的接收模块设有接收端微处理器最小系统电路、双串口通信电路和GSM模块；
所述的上位机中包含数据接收与处理软件，上位机通过串口线与接收端的双串口通信电路相连接，用于对接收模块发送的数据进行进一步处理。
2.根据权利要求1所述的一种非开挖钻机远程监测装置，其特征在于：所述的发射模块中的电源由5V电压模块电路经过电源开关电路后提供的VCC供电，5V电压模块电路采用BSD12-24S05芯片24-5搭建，BSD12-24S05芯片的Vin-、Vin+分别接非开挖钻机的蓄电池电源的负极和正极，芯片的Vo-、Vo+分别接发射端电源的地和5V。
3.根据权利要求1所述的一种非开挖钻机远程监测装置，其特征在于：所述的发射模块中的发射端主微处理器最小系统电路采用STC12C5A60S2的芯片U4，STC12C5A60S2芯片的P1.2、P1.3引脚与GPS模块的RX、TX引脚相接，用于采集GPS模块的输出信号；
16通道数据采集电路由2片ADC0809芯片和1片74LS74芯片搭建，第一片ADC0809芯片U2的1D0-1D7、1A3-1A1、1ALE、1ST、1OE、1EOC和clk引脚分别与主微处理器U4的P0.0-P0.7、P1.4-P1.6、P1.0、P1.1、P1.7、P3.7及74LS74的第9脚相接，第二片ADC0809芯片U6的引脚2D0-2D7、2A1-2A3、2ALE、2ST、2OE、2EOC、clk分别与主微处理器最小系统电路U4的P2.0-P2.7、P3.2-P3.6、EA/VPP、PSEN及74LS74的第9脚相接，16通道数据采集电路用于将传感器输入的模拟信号转换成数字信号后输入发射端主微处理器最小系统电路；
从微处理器最小系统电路采用STC12C5A60S2的芯片U1搭建，发射端主微处理器最小系统电路U4采集的传感器信号经过处理后通过P3.0与P3.1口发送到从微处理器最小系统电路U1的P3.1和P3.0口；
串口通信电路采用MAX232芯片U3搭建，MAX232芯片的第12引脚、第11引脚分别与从微处理器最小系统电路U1的P1.2、P1.3口连接，MAX232芯片的第13引脚、14引脚用于连接GSM模块的RX和TX引脚，从微处理器最小系统电路通过串口通信电路可以对GSM模块进行控制；
SD卡存储电路采用Micro SD卡搭建，Micro SD卡的第1引脚RSV经稳压二极管D1接地，同时经过电阻R2与从微处理器最小系统电路U1的P2.5连接, SD卡的第2引脚CS经稳压二极管D2接地，第2引脚CS同时经过电阻R3与从微处理器U1的P2.1连接, SD卡的第3引脚DI经稳压二极管D3接地，第3引脚DI同时经过电阻R4与从微处理器最小系统电路U1的P2.2连接, SD卡的第4引脚接3.3V电源， SD卡的第5引脚SCLK经稳压二极管D4接地，第5引脚SCLK同时经过电阻R5与从微处理器最小系统电路U1的P2.3连接, SD卡的第6引脚接地， SD卡的第7引脚与从微处理器最小系统电路U1的P2.4连接, SD卡的第8引脚RSV经稳压二极管D5接地，第8引脚RSV同时经过电阻R6与从微处理器最小系统电路U1的P2.5连接, 从微处理器最小系统电路U1将传感器信号经过电平转换后存入到Micro SD中；
3.3V电压模块电路采用ASM1117的芯片A1构成，ASM1117芯片的第2引脚与Micro SD卡的第4引脚连接，将所用的5V电源转换成Micro SD卡所需要的3.3V电源；
电池过充保护电路采用TP4056的芯片U7，TP4056芯片的第5引脚BAT与VDDLi-ion可充电电池的正极相接，第2引脚经过电阻R43接地后，并将地与GNDLi-ion可充电电池的负极相接，当发射模块通电运行后，5V电源经过电池过充保护电路给可充电电池充电；
断电升压电路采用LM3224的芯片U8，LM3224芯片的第6引脚接VDDLi-ion可充电电池的正极，第4引脚接GNDLi-ion可充电电池的负极；
可充电电池用于在钻机提供的电源消失后通过断电升压电路升高电压为发射模块供电；
电源开关电路由继电器K1和三极管Q1组成，5V电源经过两个并联的整流二极管D7、D8后形成VCCguodu电源，VCCguodu连接到继电器K1的第1和第5引脚，K1的第3引脚接发射端的VCC，K1的第2引脚接Q1的集电极，Q1的基极通过电阻R11后接5V电源，发射极接地，电源开关电路通过从微处理器最小系统电路U1控制整个监测装置的电源VCC的开闭。
4.根据权利要求1所述的一种非开挖钻机远程监测装置，其特征在于：所述的接收模块设有接收端微处理器最小系统电路、双串口通信电路和GSM模块；接收端的GSM模块通过移动通信的GSM网络接收发射端发射的数据，数据通过双串口通信电路发送到接收端微处理器最小系统电路进行处理，接收端微处理器最小系统电路由STC12C5A60S2的芯片U11搭建；双串口通信电路由MAX232的芯片U12构成，MAX232芯片的第9、10、11、12引脚分别与STC12C5A60S2的芯片U11的P3.0、P3.1、P1.3、P1.2口连接，MAX232芯片的第13引脚、14引脚用于连接GSM模块的RX和TX引脚，MAX232芯片的第8引脚、第7引脚用于与上位机相连接，接收端微处理器最小系统电路处理后的数据通过双串口通信电路发送到上位机作进一步的处理。
5.根据权利要求1所述的一种非开挖钻机远程监测装置，其特征在于：所述的上位机编制有实时监控软件，通过内部程序代码对接收到的数据进行处理，并存入SQL Server数据库。
6.根据权利要求5所述的一种非开挖钻机远程监测装置，其特征在于：所述的上位机实时监控软件中设置有钻机属性模块、实时监控模块、维护计划模块、历史记录模块和系统管理模块，其中钻机属性模块和系统管理模块用于查询钻机的技术参数和客户信息；实时监控模块用于对钻机的实时工况参数进行监控，设有对机械系统、液压系统、泥浆系统、动力系统、运行时间和地理位置的监控；历史记录模块用于对钻机以往的工况参数进行分析，以表格和图标形式进行查询及提示用户在不同的时间间隔内对钻机相关部件进行检修和维护，系统管理模块用于对钻机产品信息和客户信息进行增加、修改和删除。
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