CN108961461A - 一种实时监测工程机械设备的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时监测工程机械设备的装置及方法，安装在运输车辆上并实时监测该运输车辆，其结构包括：定位功能模块，通过北斗和GPS双模式，对车辆进行实时定位，采集车辆的位置信息、速度信息、车辆状态信息；姿态分析模块，采用六轴姿态分析模块采集数据，分析出运输车辆的运行状态和工作时间；电源管理模块，用于电源供给、电源转换和电源保护；主控模块，与上述定位功能模块、姿态分析模块、电源管理模块通信连接并处理上述三个模块的数据。本发明的一种实时监测工程机械设备的装置及方法与现有技术相比，基于双模信号传输信息，精度高且不需要布线，安装方便，体积偏小，不占用空间，使用时间长，低功耗，实用性强。

Description

一种实时监测工程机械设备的装置及方法

技术领域

本发明涉及车联网技术领域，具体地说是一种实时监测工程机械设备的装置及方法。

背景技术

目前基建施工设备的种类、数量都不断增加，比如工程机械设备就包括发电机、装载机、挖掘机、运输车辆、汽车吊等，每一种设备的工作状态、运行方式都不尽相同，因此研制一款能监测这几种工程机械设备的系统并不是这么简单。不过随着工业4.0的发展，物联网、互联网、移动互联网三网交互的成熟，以及传感设备的技术提升，我们可以从需求分析、结合多种技术手段、选择合适的传感设备来解决现有需求，设计一套合理的系统方案。

现为不断加强对施工设备及施工人员的有效监管、提升施工效率、完善智慧施工体系，市场需要针对工程机械的实时监控系统，但是现有监控系统中如何使电源持续高效为设备供电，如何保证信号的稳定传输，尽量做到无延时；如何降低产品的功耗，提高其使用性能，都是不易克服的难点。

发明内容

本发明的技术任务是针对以上不足之处，提供一种实时监测工程机械设备的装置及方法。

一种实时监测工程机械设备的装置，安装在运输车辆上并实时监测该运输车辆，其结构包括以下功能模块：

定位功能模块，通过北斗和GPS双模式，对车辆进行实时定位，采集车辆的位置信息、速度信息、车辆状态信息，同时通过GIS平台展现车辆的轨迹、里程；

姿态分析模块，采用六轴姿态分析模块采集数据，分析出运输车辆的运行状态和工作时间，并将分析后的数据进行统计；

电源管理模块，用于电源供给、电源转换和电源保护，以保证各功能模块稳定运行；

主控模块，与上述定位功能模块、姿态分析模块、电源管理模块通信连接并处理上述三个模块的数据，处理完成后的数据再通过外设接口与云平台进行数据交互，从而实现数据在云平台上的GIS展现。

所述定位功能模块采集的位置信息包括实时位置、速度信息、运动轨迹；车辆状态信息包括启动、运行、空转、停止状态以及对应的启动时间、运行时间、空转时间、停机时间。

所述姿态分析模块采用六轴姿态分析模块，即采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器，分别用来测量三维空间三个轴向上车辆的线加速度和角加速度，并根据采集的数据分析出载体设备，即车辆的运行状态和工作时间：通过线加速度获得速度和位移，将角加速度分解到所需的坐标轴上，建立地理坐标系，进而分析出车辆的运动轨迹和姿态，反馈出用户所需要的结果。

所述电源管理模块中，电源输入是指通过太阳能电池板或锂电池为定位功能模块、姿态分析模块、主控模块供电；电源转换是指对将电源输入进行转换，即太阳能电池板供电与锂电池供电之间的转换；电源保护是指配置电涌保护器，当电压出现超过安全值的情况时，电涌保护器通过地面抑制或短路电压调节电气设备的电压；

所述主控模块采用MCU处理器，完成定位功能模块、姿态分析模块、电源管理模块的数据处理、接口转换、指令对接与执行任务。

所述外设接口包括第三平台对接接口、打印调试USB接口、通用标准串口，其中第三平台对接接口是指对接云平台的网口、对接PC端MBUS、RS485/RS232接口。

一种实时监测工程机械设备的方法，基于上述装置，其实现过程为：

首先将装置安装在运输车辆上并开启装置；

运输车辆运行过程中，通过定位功能模块对运输车辆进行位置的实时监测，防止司机未按照设定的路线行驶；

同时将定位功能模块检测到的位置信息、速度信息、车辆状态信息传输至云平台，并在该云平台中对数据分析、运算、处理后，转换成地理信息数据，通过GIS技术对地图进行显示及对受监控的移动目标位置显示；

当车辆偏离预设路径时，云平台对其进行预警提示，推送报警信息；

通过姿态分析模块分析出运输车辆的运行状态和工作时间，并将经主控模块处理后的数据发送至云平台；

云平台将接收到的车辆信息按月进行分析该车辆的行驶路程数、发动机运转时长、行驶时长、超速统计，通过这些数据，掌握车辆信息。

本发明的一种实时监测工程机械设备的装置及方法和现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的一种实时监测工程机械设备的装置及方法，利用定位功能对需要监测的运输车辆进行监测，定位部分采用双模高精度技术，提高对运输车辆定位的精确性，姿态分析功能是采用六轴姿态对运输车辆进行分析，通过姿态分析功能实现对运输车辆当前状态信息的准确监测，及时掌握目前的信息数据；通过稳定的信号传输，及时有效的将数据发送至平台。方便管理人员对其进行合理安排调度，实用性强，适用范围广泛，具有很好的推广应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

附图1为当前工程机械设备需求分析图。

附图2为本发明装置实现示例图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1所示，针对工程机械设备，目前的需求为采集设备的位置信息、运行时间信息。其中位置信息包括实时位置、速度信息、运动轨迹，设备工作时间包括开机时间、运行时间、空转时间（空转时间是指车辆已经启动，但是没有执行任何动作的状态，防止车辆启动完，司机不上班工作）、停机时间等。根据施工现场的实际情况，通过细化需求，制定设计系统实现方案的整体框架。

如附图2所示，本发明提供一种实时监测工程机械设备的装置，实现了对运输车辆的实时定位监测，对车辆的当前状态信息、行驶车辆的速度信息及车辆所行驶的路线轨迹都可在平台上进行查看。

解决的技术问题：

对所要监测的车辆可进行实时监测，对车辆目前的实时位置、速度信息、行驶的路线轨迹等进行监测；

当车辆偏离预设路径时，会对其进行预警提示，若偏离的距离变大时，对其推送报警信息；

利用地理信息系统（GIS，Geographical Information System）技术对地图的显示和管理以及对受监控的移动目标位置的显示；

定位通过双模式（BDS（BeiDou Navigation Satellite System）和GPS（GlobalPositioning System）），确保了定位的准确度和精确度；

姿态分析是利用六轴姿态分析，通过六轴姿态所采集的数据可以分析出载体设备的运行状态和工作时间；

对行驶路程可进行月统计，发动机运转时长分析，行驶时长记录，超速统计报表。

该装置安装在运输车辆上并实时监测该运输车辆，其结构包括以下功能模块，

定位功能模块，通过北斗和GPS双模式，对车辆进行实时定位，采集车辆的位置信息、速度信息、车辆状态信息，同时通过GIS平台展现车辆的轨迹、里程；

姿态分析模块，采用六轴姿态分析模块采集数据，分析出运输车辆的运行状态和工作时间，并将分析后的数据进行统计；

电源管理模块，用于电源供给、电源转换和电源保护，以保证各功能模块稳定运行；

主控模块，与上述定位功能模块、姿态分析模块、电源管理模块通信连接并处理上述三个模块的数据，处理完成后的数据再通过外设接口与云平台进行数据交互，从而实现数据在云平台上的GIS展现。

所述定位功能模块采集的位置信息包括实时位置、速度信息、运动轨迹；车辆状态信息包括启动、运行、空转、停止状态以及对应的启动时间、运行时间、空转时间、停机时间。

所述姿态分析模块采用六轴姿态分析模块，即采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器，分别用来测量三维空间三个轴向上车辆的线加速度和角加速度，并根据采集的数据分析出载体设备，即车辆的运行状态和工作时间：通过线加速度获得速度和位移，将角加速度分解到所需的坐标轴上，建立地理坐标系，进而分析出车辆的运动轨迹和姿态，反馈出用户所需要的结果。

所述电源管理模块中，电源输入是指通过太阳能电池板或锂电池为定位功能模块、姿态分析模块、主控模块供电；电源转换是指对将电源输入进行转换，即太阳能电池板供电与锂电池供电之间的转换；电源保护是指配置电涌保护器，当电压出现超过安全值的情况时，电涌保护器通过地面抑制或短路电压调节电气设备的电压；

所述主控模块采用MCU处理器，完成定位功能模块、姿态分析模块、电源管理模块的数据处理、接口转换、指令对接与执行任务。

所述外设接口包括第三平台对接接口、打印调试USB接口、通用标准串口，其中第三平台对接接口是指对接云平台的网口、对接PC端MBUS、RS485/RS232接口。

更为具体的，本发明结合附图2进行详细描述如下：

主控模块，选用ARM的Cortex™-M4系列芯片作为主控MCU，作为定位功能模块、姿态分析模块、传感监测预留等的数据处理中心，也是对云端指令进行交互、解析、执行单元。它是一款32位RISC处理器，具有1MB Flash，192+4kB SRAM (128kB 普通RAM+64kB 高速 CCM)，系统时钟 168MHz。来完成整个硬件系统的数据处理、接口转换、指令对接与执行等的核心任务，是整个设备的大脑，附图1中4所示。

核心主控是整个系统的核心，它的好坏决定着整个系统的质量，Cortex™-M4处理器内核可以满足需要有效且易于使用的控制和信号处理功能混合的数字信号控制市场，具有高效的信号处理的功能，而且还具有低功耗、低成本和易于使用的优点相结合。

双模定位模块，也就是上述定位功能模块，其内部电路包含BDS、GPS、传输网络及通讯接口电路，因其内部可协调BDS、GPS两套卫星导航系统，设备定位精度、时钟准确性、电离层误差、系统完备性都有大的改善，附图2中1所示。

双模高精度定位采用的型号为ATGM332D，这款型号支持GPS和BDS的单系统定位和双系统定位联合定位，可以同时接收所有的GPS和BDS可见卫星，且兼容性强，可直接替换多款GPS模块，主要接口信号Pin-Pin引脚兼容，安装孔一致。

姿态分析模块，选用MPU-6050作为六轴姿态分析模块，内部细分为三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器，根据采集的数据可以分析出载体设备的运行状态和工作时间。分别用来测量三维空间三个轴向上设备的线加速度和角加速度，线加速度积分可以获得速度和位移，角加速度分解到所需的坐标轴上，建立地理坐标系。进而分析出设备的运动轨迹和姿态，反馈出用户所需要的结果，附图2中2所示。

MPU-6050是全球首例9轴运动处理传感器，以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵，四元数、欧拉角格式的融合验算数据。具有自检功能，自检时用来测试传感器的机械和电气结构，对每个测量轴的自检可通过设置控制寄存器GYRO_CONFIG和ACCEL_CONFIG的相关位来进行，自检启动后，电路会使传感器工作并且产生输出信号。

电源管理模块，电源管理模块内部从三个方面设计：电源输入，电源转换，电源充、放电保护，附图2中3所示。电源保护机制可检查和监控多种系统状态，并发出故障报警；电源保护机制可防止设备可能遭受反极性造成的损坏，若不小心出现电池装反或DC电源接反，该机制也可使DC供电设备正常工作。设备还配有电涌保护器，可以使其免受电压峰值造成的损坏，如果电压出现超过安全值得情况，该机制会通过地面抑制或短路电压调节电气设备的电压。

电源输入：太阳能供电、载体设备电源供电两类能源供给，各有优缺点。太阳能为绿色能源，不受设备启停、闲置的影响，可以持续维持监测设备正常运行。载体设备电源可以不受昼夜光照条件的影响，跟随设备的状态启停，附图2中3.1所示。

电源转换：用电种类分锂电池充电电压、芯片供电电压、模块电压、传感器电压、接口输出电压等，因此需要将输入电源进行转换，附图2中3.2所示。

电源充、放电保护：因设备配备锂电池储电，锂电池不能过充、过载、欠压等，需要对锂电池设计过充保护、过载保护、欠压保护等附图2中3.3所示。

传感监测预留接口，在设备实际应用过程中，可能需要采集其他类别信息，重新研发周期较长，因此在研发初期需要预设计一些标准传感监测接口：模拟信号采集接口、数字信号采集接口，附图2中4所示。

外设接口，外设接口包括第三平台对接接口、打印调试USB接口、通用标准串口。如对接云平台的网口，对接PC端MBUS、RS485/RS232等接口，在应用过程中非常重要。USB接口、标准串口可以在开发过程中打印出芯片运行状态及标志，提高开发、调试、检修、维护等过程的工作效率，附图2中5所示。

该平台为中心管理服务器集群，是一个可分布式部署，支持动态负载均衡的接入，能够涵盖多辆车载终端接入、存储、业务、报警、远程终端升级等；可基于车载终端采集上传的数据进行各种业务（如GPS轨迹回放，统计报表等）的开展实施。

车载终端产品是安装在各种车辆上，具备有车载设备所要求的抗震、宽电压、高温等适应性；主要用于车辆位置、报警、油耗、里程、CAN等信息数据的采集与上传，有丰富的对外接口（RS232/RS485/IO/CAN），用以对接外部设备进行功能扩展（如胎温胎压监测，物流车车货匹配等）。

一种实时监测工程机械设备的方法，基于上述装置，其实现过程为：

首先将装置安装在运输车辆上并开启装置；

运输车辆运行过程中，通过定位功能模块对运输车辆进行位置的实时监测，防止司机未按照设定的路线行驶；

同时将定位功能模块检测到的位置信息、速度信息、车辆状态信息传输至云平台，并在该云平台中对数据分析、运算、处理后，转换成地理信息数据，通过GIS技术对地图进行显示及对受监控的移动目标位置显示；

当车辆偏离预设路径时，云平台对其进行预警提示，推送报警信息；

通过姿态分析模块分析出运输车辆的运行状态和工作时间，并将经主控模块处理后的数据发送至云平台；

云平台将接收到的车辆信息按月进行分析该车辆的行驶路程数、发动机运转时长、行驶时长、超速统计，通过这些数据，掌握车辆信息。

综上所述，本发明通过实时监测运输车辆设备对运输车辆进行位置的实时监测，防止司机未按照设定的路线行驶，保证运输的时效性；报表分析主要有月行驶的路程数，发动机运转时长分析，行驶时长记录，超速统计报表，通过这些数据，可以很好的掌握车辆自身的信息；根据双模块高精度定位，可以对任意车辆的行驶轨迹进行回放查看，提高管理效率，做到有据可依，根据运行时间的长短，合理估算运输车辆的使用效率。

本发明通过对运输车辆的实时监测，针对运输车辆的当前状态分析，速度是否出现超速情况，行驶路线是否准确，将所监测到的数据发送至平台，产生报表数据，供管理人员参考，辅助其作出判断。

对车辆进行定位追踪，查看车辆信息，查看地图上看到的车辆信息，包括运行状态和车辆详细信息，可对多辆车同时进行追踪。

实时查询在地图上看见的任何一辆车辆的静态信息，无需去车辆详细信息管理栏去寻找，就可了解当前车辆的运行状态。

停车熄火，通过判断发动机的状态，设备可判断车辆停车后是否熄火，在后台系统中显示实际图。

车辆位置查询，按照车牌号、车辆自编号等模糊信息查找，确定之后显示结果，点击某辆车后，显示在地图上。

车辆轨迹数据回放，在界面上选择起止时间与每个回放轨迹点之间的时间间隔，单击“查询”按钮回放数据，可回放选定时段的车辆运行轨迹和运行速度。

里程统计报表，统计每辆车每天行驶的路程，选择或输入车牌、日期段（任意选择日期段）后期以月为单位进行整理汇总。

本发明可以实时监测运输车辆的具体位置，包含路径偏移提醒，历史轨迹回放、行程数（如日、周、月）统计，查看其工作时长及所行驶过的路线，为司机的工作量提供依据，间接提供考勤资料，避免在报酬方面产生纠纷。且具有超速报警设置，增加司机驾驶时的安全性，利用无线通信方式，可在信号盲区对位置信号进行缓存，等行驶至有信号的地段，可立即上传盲区信息。

综上所述，利用本技术对运输车辆进行位置确认，对运输车辆的状态进行监测，对行驶状态、暂停状态、停止状态都可进行追踪，可远程维护车载终端，能够远程升级，定期查看设备状态，保证正常的工作效率，提高运输方面的管理水平，为施工材料的及时供应提供保障。

本发明是基于双模信号传输信息，精度高且不需要布线，安装方便，体积偏小，不占用空间，使用时间长，低功耗，经在施工项目中应用，效果良好，具有良好的推广价值。

通过上面具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易的实现本发明。但是应当理解，本发明并不限于上述的具体实施方式。在公开的实施方式的基础上，所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征，从而实现不同的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (7)

1.一种实时监测工程机械设备的装置，安装在运输车辆上并实时监测该运输车辆，其特征在于，其结构包括以下功能模块：

定位功能模块，通过北斗和GPS双模式，对车辆进行实时定位，采集车辆的位置信息、速度信息、车辆状态信息，同时通过GIS平台展现车辆的轨迹、里程；

姿态分析模块，采用六轴姿态分析模块采集数据，分析出运输车辆的运行状态和工作时间，并将分析后的数据进行统计；

电源管理模块，用于电源供给、电源转换和电源保护，以保证各功能模块稳定运行；

主控模块，与上述定位功能模块、姿态分析模块、电源管理模块通信连接并处理上述三个模块的数据，处理完成后的数据再通过外设接口与云平台进行数据交互，从而实现数据在云平台上的GIS展现。

2.根据权利要求1所述的一种实时监测工程机械设备的装置，其特征在于，所述定位功能模块采集的位置信息包括实时位置、速度信息、运动轨迹；车辆状态信息包括启动、运行、空转、停止状态以及对应的启动时间、运行时间、空转时间、停机时间。

3.根据权利要求1所述的一种实时监测工程机械设备的装置，其特征在于，所述姿态分析模块采用六轴姿态分析模块，即采用三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器，分别用来测量三维空间三个轴向上车辆的线加速度和角加速度，并根据采集的数据分析出载体设备，即车辆的运行状态和工作时间：通过线加速度获得速度和位移，将角加速度分解到所需的坐标轴上，建立地理坐标系，进而分析出车辆的运动轨迹和姿态，反馈出用户所需要的结果。

4.根据权利要求1所述的一种实时监测工程机械设备的装置，其特征在于，所述电源管理模块中，电源输入是指通过太阳能电池板或锂电池为定位功能模块、姿态分析模块、主控模块供电；电源转换是指对将电源输入进行转换，即太阳能电池板供电与锂电池供电之间的转换；电源保护是指配置电涌保护器，当电压出现超过安全值的情况时，电涌保护器通过地面抑制或短路电压调节电气设备的电压。

5.根据权利要求1所述的一种实时监测工程机械设备的装置，其特征在于，所述主控模块采用MCU处理器，完成定位功能模块、姿态分析模块、电源管理模块的数据处理、接口转换、指令对接与执行任务。

6.根据权利要求1所述的一种实时监测工程机械设备的装置，其特征在于，所述外设接口包括第三平台对接接口、打印调试USB接口、通用标准串口，其中第三平台对接接口是指对接云平台的网口、对接PC端MBUS、RS485/RS232接口。

7.一种实时监测工程机械设备的方法，其特征在于，基于上述装置，其实现过程为：

首先将装置安装在运输车辆上并开启装置；

运输车辆运行过程中，通过定位功能模块对运输车辆进行位置的实时监测，防止司机未按照设定的路线行驶；

同时将定位功能模块检测到的位置信息、速度信息、车辆状态信息传输至云平台，并在该云平台中对数据分析、运算、处理后，转换成地理信息数据，通过GIS技术对地图进行显示及对受监控的移动目标位置显示；

当车辆偏离预设路径时，云平台对其进行预警提示，推送报警信息；

通过姿态分析模块分析出运输车辆的运行状态和工作时间，并将经主控模块处理后的数据发送至云平台；

云平台将接收到的车辆信息按月进行分析该车辆的行驶路程数、发动机运转时长、行驶时长、超速统计，通过这些数据，掌握车辆信息。