CN109470302A - 一种基于无线通信的机电装备运行状态远程监控系统 - Google Patents

一种基于无线通信的机电装备运行状态远程监控系统 Download PDF

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    • G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link

Abstract

本发明公开了一种基于无线通信的机电装备运行状态远程监控系统，该监控系统分为推土机终端和监控中心，其中推土机监控终端硬件模块主要由：工作参数采集模块，电源模块，GPS定位模块，GSM通信模块，发动机启停装置，单片机核心组成。监控系统工作时，先通过手机发送短信给推土机终端上，推土机的发动机启动。在发动机启动后，终端上的工作参数采集模块实时监测相应的物理数据并通过单片机发送到GSM模块，GSM模块将数据信息通过短信再发回监管人员的手机上，监管人员根据数据判断推土机的工作状态是否正常，控制推土机的工作状态。此系统对推土机的故障进行有效的鉴定与排查，可以起到预报和预防的作用，降低故障率，提高工作效率。

Description

一种基于无线通信的机电装备运行状态远程监控系统
技术领域
本发明涉及一种基于GSM网络无线信号通讯方式，实现远程对推土机电动机运行状态控制与调节的系统，此类机构属于电动机控制与调节领域，主要应用于推土机故障的有效鉴定与排查过程。
背景技术
推土机是当前工程建设中必不可少的工程机械之一，在复杂的工作环境当中，推土机经常发生故障。当前，推土机故障发生之前的工作状态数据发生异常变化时，只能通过蜂鸣器报警来给出，无法对数据进行量化，使得这些数据没有受到重视，进而错失了维修最佳时机。这使得对推土机运行状态数据有效读取的需求趋势越来越明显。在结合推土机体型庞大，装配零件复杂，工作环境恶劣等特点下，因此本发明设计了一种能够远程实时监控推土机运行状态的系统。设计的初衷是监控系统能否提高推土机工作效率，一方面，动态实时监控推土机工作数据，及时提醒监管人员维修与保养，降低故障率；另一方面，远程操作，减少人力，降低工程作业成本。此类产品在该领域应用还未出现，有广阔的发展前景。此项发明有着操作简便、制作成本低、智能化操作等特点，拥有较好的经济性、实用性、稳定性和创新性。
发明内容
本发明的目的在于设计了一种基于无线通信的机电装备运行状态远程监控系统，通过该系统实现对于推土机运行状态的远程实时监控。由此提高推土机工作效率，降低工程作业成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于无线通信的机电装备运行状态远程监控系统，该系统由工作参数采集模块1，电源模块2，GPS定位模块3，GSM通信模块4，发动机启停装置5，单片机核心6组成。
工作参数采集模块1中三种不同类型传感器分别与单片机核心6的3个串口连接，实现传感器采集的信号及时传送给单片机核心6。GPS定位模块3和GSM通信模块4的发送、接收串口分别与单片机核心6接收、发送串口连接，实现单片机核心6和GSM通信模块4的无线通信功能。发动机启停装置5中三极管引线一端与单片机串口连接，另一继电器引线端与推土机发动机连接，由单片机控制继电器开关，进而控制发动机的启停。电源模块2与推土机蓄电池连接，将12V电压转化成不同的工作电压供给各模块工作，单片机核心6与电源模块2连接，保证5V的工作电压下正常运行。工作时，首先对单片机核心6复位以及GSM通信模块4和GPS定位模块3的初始化。通过GSM通信模块4向单片机核心6发送发动机开启信号，继电器开关闭合，发动机启动，工作参数采集模块1开始采集数据，数据通过单片机核心6传输发送回GSM通信模块4，实现动态实时监控。当发生数据发生异常时，通过GSM通信模块4向单片机核心6发送关闭发动机信号，继电器断开，发动机停止工作。保养维修后，重复工作过程。
1.工作参数采集模块
该工作参数采集模块是由测量液位高度、液压油温度、机油压力三种传感器组成，实时测量相应物理数据。测量液位高度采用的是CR-6061电容式油位传感器，该CR-6061电容式油位传感器检测范围：0.05m～5m，探极耐温:-50℃～250℃，输出信号:0～5V，供电电压:12～28V；测量温度采用的是SBWZ-2460Pt100温度传感器，该SBWZ-2460Pt100温度传感器测量范围：-100℃～200℃，工作电压:12V±1V，输出信号:0～5V；测量压力采用BYP300压力传感器，该BYP300压力传感器测量范围：-100KPa～0，0～100MPa，电源电压：9～36V；输出信号：0～5V；工作温度：-40℃～+120℃。
2.电源模块
推土机终端的供电方式采用从车载蓄电池引出的12V供电电源，因此需要设计一个电源电路满足推土机终端的单片机的工作电压为5V，GSM模块工作电压为4.2V以及GPS模块工作电压为3.3V的电源需求。供电方案如下:通过LM2576-5.0将12V供电电源转换成5V电源，供给单片机。GSM模块需要LM2576-ADJ芯片将12V供电电源转换成4.2V电源。5V电源通过AMS1117-3.3芯片转换成3.3V电源，用来给GPS模块供电。
3.GPS定位模块
GPS模块选用的是U-blox公司的NEO-5M模块。模块采用的是u-blox5定位引擎，其尺寸只有16×12.2mm，工作电压是2.7V～3.6V，自带有节电模式，可以避免不必要的功耗。当模块放到任意一个环境中，GPS最低在1秒钟内就能完成开机且得到坐标信息和时间信息。除此之外，该模块还能提供部分帮助信息，例如年、月、日历，模糊的最终地理位置、时间和卫星状态等。
4.GSM通信模块
GSM模块选用希姆康公司的SIM300模块。SIM300模块是一款三频段GSM/GPRS模块，可以在EGSM99MHz，DCS1800MHz和PCS1900MHz三个频段当中工作。该模块提供有键盘接口、液晶显示接口和两个串口，这两个串口一个可以用来通信，一个用来调试。电源电压：4.3～4.5V，短消息类型：TEXT或PDU(140个英文字符)，支持AT型指令。通过串口向GSM模块发送一系列AT指令后就能实现对GSM模块的控制。
5.发动机启停装置
控制推土机的启动、停止可以间接通过控制串联在发动机点火电路中的电磁继电器开关而达到。当输入量的变化达到规定要求时，利用单片机小电流去控制大电流运作，但是单片机的工作电压较低，工作电流大小更低，如果单靠单片机来驱动继电器这种大功率驱动器件，是完全不可能的，在这里可以通过NPN型三极管放大电流的作用，可以帮助单片机输出电信号放大，三极管可以直接与单片机和继电器连接，从而使继电器正常被驱动。发动机启停装置是由电磁继电器和NPN型三极管组成，继电器与三极管集电极端连接，其电路如图7所示。三极管另一端与单片机连接，接收单片机的电信号。继电器另一端与发动机连接，继电器的闭合控制发动机的工作与断开，进而实现了单片机通过输出电信号对发动机工作状态的启停控制。
6.单片机核心
单片机控制模块的核心部分是STC12C5A60S2单片机，其引脚分布如图8所示。该单片机具有两个串口、一个SPI通信接口、44个通用I/0口、60K的片内ROM和1280字节的片内RAM，具有超强抗干扰能力，自带模数转换功能。
推土机工作状态远程监控系统可以以短信的形式直接向监管人员提供给推土机的工作状态的参数，参数的有效读取使得设备的故障及时被发现并有利于及时进行维修与保养，以保证施工的正常进行。对进行分析总结的故障参数数据来说，可用来便于技术人员有效的进行鉴定与排查推土机的故障。这样就会使得推土机故障率的降低并及时提醒监管人员维修与保养。
附图说明
图1是推土机运行状态远程监控系统设计方案图；
图2是推土机运行状态远程监控系统主程序流程图；
图3是推土机运行状态远程监控系统电路图；
图4是12V转换成5V电路原理图；
图5是12V转换成4.2V电路原理图；
图6是5V转换成3.3V电路原理图；
图7是单片机与继电器连接电路图；
图8是单片机44个串口引脚分布图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
推土机运行状态远程监控系统其设计方案图、主程序流程图分别如图1、图2所示，工作前，通过GSM通信模块向单片机发送发动机开启信号，单片机控制继电器开关闭合，发动机启动并开始工作，工作参数采集模块开始采集数据，传感器采集的数据通过单片机传输发送回GSM通信模块，技术人员可以在设备上实时监控。当发生数据发生异常时，技术人员可以利用通过GSM通信模块向单片机发送关闭发动机信号，继电器断开，发动机停止工作。GPS定位模块发送的定位信息以及异常数据指示确定推土机工作方位以及故障部位，方便技术人员前往保养维修。待修复完成后，重复上述工作流程。
该监控系统主要由：工作参数采集模块、电源模块、GPS定位模块、GSM通信模块、发动机启停装置和单片机核心组成。工作参数采集模块中三种不同类型传感器分别与单片机的P1.5，P1.6和P1.7串口连接。由于P1.0～1.7串口自带模数转换功能，所以传感器可以无需通过模数转换装置直接和单片机连接。GPS定位模块和GSM通信模块的发送、接收串口分别与单片机接收、发送串口连接，实现单片机和GSM通信模块的无线通信功能。发动机启停装置中三极管引线一端与单片机串口P2.0连接，另一继电器引线端与推土机发动机连接，由单片机控制继电器开关，进而可以控制发动机的启停。电源模块与推土机蓄电池连接，将12V电压转化成不同的工作电压供给各模块工作，单片机核心与电源模块连接，保证5V的工作电压下正常运行，电路连接如图3所示。
1.工作参数采集模块
该模块是由测量液位高度、液压油温度、机油压力三种传感器组成，实时测量相应物理数据。测量液位高度采用的是CR-6061电容式油位传感器，该传感器检测范围：0.05m～5m，探极耐温:-50℃～250℃，输出信号:0～5V，供电电压:12～28V；测量温度采用的是SBWZ-2460Pt100温度传感器，该传感器测量范围：-100℃～200℃，工作电压:12V±1V，输出信号:0～5V；测量压力采用BYP300小巧型压力传感器，该传感器测量范围：-100KPa～0，0～100MPa，电源电压：9～36V；输出信号：0～5V；工作温度：-40℃～+120℃。以上传感器可直接使用蓄电池12V电压供电。对收集的工作参数数据来说，可用来便于公司有效的进行鉴定与排查推土机的故障。这样就会使得推土机故障率的降低并及时提醒监管人员维修与保养。
2.电源模块
推土机终端的供电方式采用从车载蓄电池引出的12V供电电源，因此需要设计一个电源电路满足推土机终端的单片机的工作电压为5V，GSM模块工作电压为4.2V以及GPS模块工作电压为3.3V的电源需求。供电方案如下:通过LM2576-5.0将12V供电电源转换成5V电源，LM2576-ADJ芯片将12V供电电源转换成4.2V电源。LM2576系列芯片的1脚接输入直流电压，最高可连接40V电压；2脚为内部开关管输出，接外面的电感；3脚为地，输入输出为同个地，不隔离；4脚为反馈脚，直接接输出5V电压，经芯片内部电阻分压后送误差放大器同相输入端；5脚为使能端，输入电平可用于控制LM2576芯片的工作状态，5脚输入电平与TTL电平兼容，如图4、5所示。5V电源通AMS1117-3.3芯片转换成3.3V电源用来供电给GPS模块，AMS1117-3.3芯片的1、2、3脚依次是接地、输出、输入。此外C15和C17是输出滤波电容，作用是抑制自激振荡且防止断电后出现电压倒置，如图6所示。
3.GPS定位模块
GPS模块选用的是U-blox公司的NEO-5M模块。模块采用的是u-blox5定位引擎，其尺寸只有16×12.2mm，工作电压是2.7V～3.6V，自带有节电模式，可以避免不必要的功耗。当模块放到任意一个环境中，GPS最低在1秒钟内就能完成开机且得到坐标信息和时间信息。GPS通信的标准协议采用的是NMEA-0183协议，这样一来，虽然有不同的GPS设备，但是最终通过NMEA-0183协议统一。除此之外，该模块还能提供部分帮助信息，例如年、月、日历，模糊的最终地理位置、时间和卫星状态等。
4.GSM通信模块
GSM模块选用希姆康公司的SIM300模块。SIM300模块是一款三频段GSM/GPRS模块，可以在EGSM99MHz，DCS1800MHz和PCS1900MHz三个频段当中工作。该模块提供有键盘接口、液晶显示接口和两个串口，这两个串口一个可以用来通信，一个用来调试。电源电压：4.3～4.5V，短消息类型：TEXT或PDU(140个英文字符)，支持AT型指令。通过串口向GSM模块发送一系列AT指令后就能实现对GSM模块的控制。
5.发动机启停装置
推土机启停工作可以间接通过控制串联在发动机点火电路中的电磁继电器开关闭合而达到控制目的。当输入量的变化达到规定要求时，利用单片机小电流去控制大电流运作，但是单片机的工作电压较低，工作电流大小更低，如果单靠单片机来驱动继电器这种大功率驱动器件，是完全不可能的。在这里可以通过NPN型三极管放大电流的作用，可以帮助单片机输出电信号放大，三极管可以直接与单片机和继电器连接，从而达到继电器正常被驱动电压。发动机启停装置是由电磁继电器和NPN型三极管组成，继电器与三极管集电极端连接，其电路如图7所示。三极管另一端与单片机连接，接收单片机的电信号。继电器另一端与发动机连接，继电器的闭合控制发动机的工作与断开，进而实现了单片机通过输出电信号对发动机工作状态的启停控制。
6.单片机核心
单片机控制模块的核心部分是STC12C5A60S2单片机，该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。其引脚分布如图8所示。该单片机具有两个串口、一个SPI通信接口、44个通用I/0口、60K的片内ROM和1280字节的片内RAM，具有超强抗干扰能力，其中P1.0～1.7这八个串口带有模数转换功能。复位电路采用手动按钮复位式。

Claims (7)

1.一种基于无线通信的机电装备运行状态远程监控系统，其特征在于：该系统由工作参数采集模块(1)，电源模块(2)，GPS定位模块(3)，GSM通信模块(4)，发动机启停装置(5)，单片机核心(6)组成；
工作参数采集模块(1)中三种不同类型传感器分别与单片机核心(6)的3个串口连接，实现传感器采集的信号及时传送给单片机核心(6)；GPS定位模块(3)和GSM通信模块(4)的发送、接收串口分别与单片机核心(6)接收、发送串口连接，实现单片机核心(6)和GSM通信模块(4)的无线通信功能；发动机启停装置(5)中三极管引线一端与单片机串口连接，另一继电器引线端与推土机发动机连接，由单片机控制继电器开关，进而控制发动机的启停；电源模块(2)与推土机蓄电池连接，将12V电压转化成不同的工作电压供给各模块工作，单片机核心(6)与电源模块(2)连接，保证5V的工作电压下正常运行；工作时，首先对单片机核心(6)复位以及GSM通信模块(4)和GPS定位模块(3)的初始化；通过GSM通信模块(4)向单片机核心(6)发送发动机开启信号，继电器开关闭合，发动机启动，工作参数采集模块(1)开始采集数据，数据通过单片机核心(6)传输发送回GSM通信模块(4)，实现动态实时监控；当发生数据发生异常时，通过GSM通信模块(4)向单片机核心(6)发送关闭发动机信号，继电器断开，发动机停止工作；保养维修后，重复工作过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线通信的机电装备运行状态远程监控系统，其特征在于：
工作参数采集模块是由测量液位高度、液压油温度、机油压力三种传感器组成，实时测量相应物理数据；测量液位高度采用的是CR-6061电容式油位传感器，该CR-6061电容式油位传感器检测范围：0.05m～5m，探极耐温:-50℃～250℃，输出信号:0～5V，供电电压:12～28V；测量温度采用的是SBWZ-2460Pt100温度传感器，该SBWZ-2460Pt100温度传感器测量范围：-100℃～200℃，工作电压:12V±1V，输出信号:0～5V；测量压力采用BYP300压力传感器，该BYP300压力传感器测量范围：-100KPa～0，0～100MPa，电源电压：9～36V；输出信号：0～5V；工作温度：-40℃～+120℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线通信的机电装备运行状态远程监控系统，其特征在于：
推土机终端的供电方式采用从车载蓄电池引出的12V供电电源，因此需要设计一个电源电路满足推土机终端的单片机的工作电压为5V，GSM模块工作电压为4.2V以及GPS模块工作电压为3.3V的电源需求；供电方案如下:通过LM2576-5.0将12V供电电源转换成5V电源，供给单片机；GSM模块需要LM2576-ADJ芯片将12V供电电源转换成4.2V电源；5V电源通过AMS1117-3.3芯片转换成3.3V电源，用来给GPS模块供电。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线通信的机电装备运行状态远程监控系统，其特征在于：
GPS模块选用的是U-blox公司的NEO-5M模块；模块采用的是u-blox5定位引擎，其尺寸只有16×12.2mm，工作电压是2.7V～3.6V，自带有节电模式，可以避免不必要的功耗；当模块放到任意一个环境中，GPS最低在1秒钟内就能完成开机且得到坐标信息和时间信息；除此之外，该模块还能提供部分帮助信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线通信的机电装备运行状态远程监控系统，其特征在于：
GSM模块选用SIM300模块；SIM300模块是一款三频段GSM/GPRS模块，在EGSM99MHz，DCS1800MHz和PCS1900MHz三个频段当中工作；该模块提供有键盘接口、液晶显示接口和两个串口，这两个串口一个可以用来通信，一个用来调试；电源电压：4.3～4.5V，短消息类型：TEXT或PDU，支持AT型指令；通过串口向GSM模块发送一系列AT指令后就能实现对GSM模块的控制。
6.根据权利要求1所述的一种基于无线通信的机电装备运行状态远程监控系统，其特征在于：
控制推土机的启动、停止可以间接通过控制串联在发动机点火电路中的电磁继电器开关而达到；当输入量的变化达到规定要求时，利用单片机小电流去控制大电流运作，但是单片机的工作电压较低，工作电流大小更低，如果单靠单片机来驱动继电器这种大功率驱动器件，是完全不可能的，在这里通过NPN型三极管放大电流的作用，帮助单片机输出电信号放大，三极管直接与单片机和继电器连接，从而使继电器正常被驱动；发动机启停装置是由电磁继电器和NPN型三极管组成，继电器与三极管集电极端连接；三极管另一端与单片机连接，接收单片机的电信号；继电器另一端与发动机连接，继电器的闭合控制发动机的工作与断开，进而实现了单片机通过输出电信号对发动机工作状态的启停控制。
7.根据权利要求1所述的一种基于无线通信的机电装备运行状态远程监控系统，其特征在于：
单片机控制模块的核心部分是STC12C5A60S2单片机；该单片机具有两个串口、一个SPI通信接口、44个通用I/0口、60K的片内ROM和1280字节的片内RAM，具有超强抗干扰能力，自带模数转换功能；
推土机工作状态远程监控系统可以短信的形式直接向监管人员提供给推土机的工作状态的参数，参数的有效读取使得设备的故障及时被发现并有利于及时进行维修与保养，以保证施工的正常进行；对进行分析总结的故障参数数据来说，用来便于技术人员有效的进行鉴定与排查推土机的故障；这样就会使得推土机故障率的降低并及时提醒监管人员维修与保养。
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