矿山和工程机械设备远程监控终端探讨

远程监控终端是远端设备采集运行参数的关键器件，直接与设备进行数据的交互。随着远程监控技术的成熟和设备信息化、智能化的发展要求，开发适用于工业设备的远程监控终端来对设备进行数据交互、定位与传感具有重要意义。基于矿山和工程机械设备的远程监控终端应支持多种通信接口、兼容设备各类控制器协议，终端可智能切换工作模式，支持远程固件升级、数据保存等各种功能，具有较好防拆性，可靠性高，功耗低。终端还可与对应信息系统结合后实时对设备动态信息进行监控和分析，进一步支撑设备的产、储、销和售后服务管理。

随着智能化和信息化的不断发展，远程监控的技术日益成熟，其在医疗、城市服务等很多行业体系中已得到广泛应用，但在工业领域中尚处于不断发展壮大的过程［１］。为对工业设备数据进行远程采集和监控，我们以矿山和工程机械设备为依托，开发设计了一款远程监控终端，为两个专业设备的远程监控提供服务，实现矿山、工程机械设备的定位、传感与通信。该终端不仅可以采集压力、温度、速度、负载、报警信息、电气参数、ＧＰＳ位置等设备的关键数据，而且可以根据采集的数据对矿山和工程机械设备进行远程诊断和运维服务，同时兼顾考虑到这两个专业设备地域分布广、安全性要求高等特点，并可进一步推广应用于起重、轧钢等其他行业，为工业设备的远程监控提供可靠服务。

１远程监控终端设计

设计远程监控终端，首先要考虑的是根据终端要解决的采集、监控、诊断、服务等问题，规划设计其主要硬件、工作模式、数据协议和软件功能。因此我们不仅要根据工程机械和矿山专业的需求特点来设计终端的主要硬件结构模块，而且需要设计终端的工作模式以适应终端的各类使用状态，在以上硬件和工作模式基础上还需要为矿山和工程机械专业分别规划设计数据传输协议来实现数据的稳定传输，最后通过精炼高效的软件代码，来实现硬件的工作模式驱动和基于数据通信协议的远程监控和数据采集。

１．１硬件结构模块设计

通过对矿山和工程机械专业的需求分析，确定了终端的基本功能结构，设计了包含电源模块、通信模块、定位模块、信号检测模块、主ＣＰＵ模块、ＣＡＮ通信模块、调试模块、充电模块和辅助ＣＰＵ模块等九个硬件模块。电源模块用于终端进行过压保护、欠压保护和ＰＩＣ及ＡＲＭ的断电保护，为终端的供电安全提供支持。通信接口模块通过标准串口通信协议ＲＳ２３２和ＲＳ５８５等进行数据的传送和接收，实现终端和设备的数据传输。定位模块用于对设备的定位，及时采集和反馈设备位置数据，为机械设备的管理和使用提供位置支持。信号检测模块用于对少量外接开关量和模拟量进行数据采集。

主ＣＰＵ模块用于提供终端所需的数据读写、定位、ＳＤ卡、总线传输等各种服务的控制功能，其内部写入工作模式程序、数据采集程序、通信程序等程序代码功能来实现终端的数据采集。ＣＡＮ通信模块用于有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。调试接口模块用于对终端进行故障诊断和远程调试升级，也可在近端连接调试模块对终端进行现场调试。充电模块用于在车载电源断电后维持终端休眠所需电量，主要用于终端的休眠工作模式。辅助ＣＰＵ模块等功能模块用于在主ＣＰＵ休眠后监控主机，保证终端基本的时钟功能、专用ＩＤ、核心数据等信息不受影响。远程监控终端的硬件结构模块如图１所示。

１．２工作模式设计

在确定了终端的硬件组成后，我们需要对终端的工作模式进行合理的规划和设计。无论是矿山设备还是工程机械设备，都会有正常运行、检修、停机等多种状态，因此我们规划设计了标准工作模式和休眠工作模式用于终端的工作过程。在正常运行过程中，设备正常工作，需要终端持续在线提供数据采集和传输服务，因为我们规划设计了终端的标准工作模式。标准工作模式主要用于数据采集和服务，设备使用频率高，设备上电即可激活，为终端最常用的工作模式。如果设备处于检修或者停机状态，设备就处于无有效数据产生的状态，此时，我们设计出休眠模式，用于设备无工作时终端对设备的监控，终端在设置允许休眠情况下，判断达到休眠条件后，将自动关闭ＧＰＳ模块等非必须的用电器元件，并断开通信网络的链接，进入休眠状态，此时只传输设备位置和是否有故障等关键信息。

１．３通信数据协议设计

在硬件设计和工作模式设计完成后，通过与工程机械专业的工程师进行交流探讨，研究设计传输数据协议，以实现对ＰＬＣ等设备控制器数据的正确采集。基于矿山机械设备的数据结构，确定了基于ＴＣＰ协议的数据传输采用请求—应答模式［２］，远端向终端发送获取如图２所示的数据表请求，终端对采集的ＰＬＣ数据进行打包加密返回。终端采集包含功能代码、报文长度、报文序号、设备ＩＤ、数据类型、数据长度、变量表数据等信息的数据帧，进行终端和平台间的数据交互。基于工程机械的数据结构，确定了基于ＣＡＮ总线的设备和终端间的传输协议，以设备的机构为基础进行数据包分类，８Ｂｙｔｅ为一个数据包，一个机构包含若干包数据，数据包不仅包含设备所需要的传输数据，而且每个包也包含数据帧类别和数据帧序号等内容。基于工程机械设备规划的数据协议如图３所示。

１．４软件设计

完成了硬件结构、工作模式和传输协议的规划和设计后，我们进入了最重要的程序实现部分，程序不仅要驱动底层硬件，而且要根据设备工作状况和系统指令决定终端的工作模式，还要对矿山和工程机械的数据协议以及采集需求进行代码化设计来实现远程监控功能。根据矿山和工程机械设备的高速采集和定位等需求特点，ＣＰＵ选用了嵌入式ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３系列微处理器ＬＰＣ１７７８，它具备集成度高、结构简单、内核精巧、功耗低、多寄存器和流水线处理等特点。采用支持Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３／Ｍ１／Ｍ０等内核处理器的具备内核初始化、任务处理、时间处理、任务同步与通信、ＣＰＵ移植等５个核心任务功能的μＣＯＳ－Ⅱ操作系统进行程序的开发。在μＣＯＳ－Ⅱ操作系统下开发的主函数主要进行了系统硬件的初始化、操作系统初始化、初始任务的创建以及多任务处理的开启。在封装的功能模块代码中编写通信、定位、数据包处理、数据协议等函数功能，在主程序开启多任务处理模式后根据需求进行任务调度，实现终端的远程采集、通信、监控等。远程监控终端软件流程如图４所示。

２终端应用

２．１终端产品

通过上述规划设计、硬件开发、功能程序编写，以及反复的测试以及ＢＵＧ的修改等，设计出了如图５所示的终端。该终端可以在工程机械、矿山机械的专业设备上进行安装使用，进行工程车辆以及矿山设备的数据采集和监控。

２．２终端的基本功能

开发设计的终端具备如下基本功能：（１）数据交互功能：采集设备的工作数据、经度、纬度、海拔高度、速度、方向角、ＧＰＳ时间；监测ＧＰＳ天线故障、定位状态；接收服务器下发控制、修改、转发等指令，指定时间上报和远程参数的查询与设置等［３］。（２）人机交互功能：用红、黄、蓝、绿、白五种颜色指示灯表示设备的供电、定位、通信、ＳＤ卡以及调试等状态。（３）安全保护功能：用于保障终端在两个专业设备上正常运行的欠压报警、掉线报警、通信异常报警、ＳＩＭ卡拔掉报警以及主电源切断报警等。

（４）对特定时间和特定数据的查询、追溯以及支持指定数据上传和检索等的历史数据追溯功能：此功能通过用外置３２ＧＢ内存卡以及程序中对应的相关功能模块实现大容量数据的存储，为用户或者工程师查询故障和统计数据提供支持和服务［４］。数据遵循自动覆盖和先进先出的原则，其数据采集和更新的时间达到了最快２０ｍｓ。（５）支持ＣＡＮ总线协议，ＴＣＰ／ＩＰ协议以及西门子、三菱、欧姆龙、ＡＢ等主流工业控制ＰＬＣ的数据协议的通信功能，方便推广应用于其他各类设备的远程监控。

２．３终端的应用

开发的终端已在多台工程机械和矿山设备上安装并投入使用。实际应用表明，该终端不仅实现了设备的远程监控，而且配合专业的数据云平台，实现了数据的归类、存储和分析，提升了设备的管理和运行水平，实现了远程技术指导、远程技术售后，可节约时间，节约成本，提升了设备用户的满意度。终端在现场设备的安装使用情况如图６所示。

３结语

本文阐述了基于矿山和工程机械设备的远程监控终端的规划和设计过程，通过为工业设备接入远程监控终端进行工业设备的远程数据采集和通信，不仅可以帮助用户和设备厂商实时了解设备状态，更能提升设备商的售后服务质量、产生增值服务，为工业设备的信息化和智能化增添羽翼。