基于W e b的非開挖鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)
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黃 雷 文國軍 張奧東
（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北武漢430074)
摘要：針對非開挖鉆機(jī)工作環(huán)境惡劣、故障率較高等現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于Web的非開挖鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對非開挖鉆機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)由信息采集終端和服務(wù)器端軟件組成，以8位單片機(jī)為主控芯片的信息采集終端對鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集、發(fā)送并控制鉆機(jī)；服務(wù)器端通過Java串口通信技術(shù)將接收到的鉆機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)至My SQL數(shù)據(jù)庫，動(dòng)態(tài)發(fā)布鉆機(jī)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對鉆機(jī)的有效監(jiān)控和系統(tǒng)性管理。現(xiàn)場運(yùn)行情況表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，對其他工程機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控具有很好的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：鉆機(jī)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)監(jiān)控信息采集數(shù)據(jù)處理串口通信控制軟件設(shè)計(jì)故障預(yù)警
中圖分類號：TP277；TH6 DOI:10. 16086/j．cnki. issnl000 - 0380. 201604019
0引言
我國新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快有效地促進(jìn)了非開挖行業(yè)的發(fā)展。截止到2013年年底，國內(nèi)非開挖鉆機(jī)保有量已達(dá)13 030臺（含進(jìn)口鉆機(jī)413臺）。在未來一段時(shí)間內(nèi)，城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、油氣管道建設(shè)、管道修復(fù)等方面對非開挖鉆機(jī)的需求量還會(huì)持續(xù)增長。非開挖鉆機(jī)施工環(huán)境比較惡劣，對企業(yè)產(chǎn)品的使用壽命和服務(wù)質(zhì)量都造成極大的影響。Intemet技術(shù)和
集成電路的發(fā)展使得遠(yuǎn)程控制成為可能，及時(shí)掌握鉆機(jī)工作狀況對鉆機(jī)的故障診斷、售后維修等都起著重要作用。
傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)由于其局限性和專用性，已不能滿足現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)管理扁平化、精細(xì)化發(fā)展的要求。Web服務(wù)器發(fā)布系統(tǒng)的出現(xiàn)為監(jiān)控系統(tǒng)提供了基于瀏覽器／服務(wù)器( browser/server，B/S)的三層架構(gòu)模型，形成了“瘦服務(wù)器端一胖服務(wù)器端一瘦服務(wù)器”模
式。本文以全球移動(dòng)通信系統(tǒng)( global system formobile communication，GSM)和Intemet作為通信平臺，以Java Web、數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎(chǔ)，通過8位微處理器采集鉆機(jī)數(shù)據(jù)，利用GSM技術(shù)傳送鉆機(jī)信息。Web服務(wù)器端將數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫并將其解析到Web前端，當(dāng)存在數(shù)據(jù)異常時(shí)后臺通過GSM發(fā)送報(bào)警短信，警告、通知鉆機(jī)所有者，從而實(shí)現(xiàn)對鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)警等，為鉆機(jī)的安全使用提供保障。
1 系統(tǒng)總體方案
本系統(tǒng)包括現(xiàn)場監(jiān)測與控制子系統(tǒng)（簡稱信息采集終端）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)（簡稱中間子系統(tǒng)）、服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收與命令發(fā)送子系統(tǒng)（簡稱服務(wù)器端）三部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
信息采集終端安裝在非開挖鉆機(jī)上，用于采集鉆機(jī)回轉(zhuǎn)壓力、回拖壓力、泥漿泵壓力、全球定位系統(tǒng)( global positioning system，GPS)等數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到終端的GSM模塊，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端GSM接收模塊。當(dāng)服務(wù)器端接收到鉆機(jī)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至鉆機(jī)數(shù)據(jù)庫，同時(shí)服務(wù)器端對鉆機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將其顯示在Web前端。當(dāng)鉆機(jī)數(shù)據(jù)存在異常時(shí)，后臺服務(wù)器端將通過GSM端口發(fā)送報(bào)警短信，提醒鉆機(jī)所有者鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)異常。
2信息采集終端設(shè)計(jì)
信息采集終端主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、鉆機(jī)控制三部分組成，原理圖如圖2所示。
2.1數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊主要完成鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)的采集與預(yù)處理。模塊采用12C5A60S2單片機(jī)為主控芯片，其最高工作頻率達(dá)17 MHz，能夠很好地滿足間歇性采樣的需求。數(shù)據(jù)采集模塊每隔一段時(shí)間對鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)、GPS信息進(jìn)行采樣，并將傳感器采集到的模擬信號傳送至單片機(jī)。單片機(jī)通過片內(nèi)10位A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將鉆機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，最后將打包后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)采集模塊工作流程圖如圖3所示。
2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊
數(shù)據(jù)傳輸模塊采用芯訊通無線科技（上海）有限公司SIM900A型GSM模塊。單片機(jī)通過串口與GSM模塊進(jìn)行通信，并通過AT指令對模塊進(jìn)行控制。當(dāng)GSM模塊接收到單片機(jī)發(fā)出的發(fā)送指令后，GSM模塊將單片機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包通過短信的形式發(fā)送至服務(wù)器端。數(shù)據(jù)格式如圖4所示。
當(dāng)服務(wù)器端接收到信息采集終端傳送的數(shù)據(jù)時(shí)，Web瀏覽器下的Applet程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并向Web服務(wù)器發(fā)送HTTP請求；Applet通過Servlet對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫。
2.3鉆機(jī)控制模塊
鉆機(jī)控制主要控制鉆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)鉆機(jī)所有者認(rèn)為鉆機(jī)操作或運(yùn)行存在異常，可通過手機(jī)短信的形式對鉆機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程的關(guān)機(jī)操作，以達(dá)到保護(hù)鉆機(jī)的目的，其控制流程如圖5所示。
鉆機(jī)啟動(dòng)后，系統(tǒng)對GSM模塊進(jìn)行初始化。當(dāng)GSM收到新短信后，單片機(jī)讀取信息并通過對信息中的關(guān)鍵字識別判斷信息是否為有效信息（控制指令）。當(dāng)信息為控制指令時(shí)，單片機(jī)通過控制繼電器的斷開來關(guān)閉鉆機(jī)電源，從而關(guān)閉鉆機(jī)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1軟件工作流程
監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、My SQL數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)和Web應(yīng)用程序等組成。數(shù)據(jù)接收部分主要負(fù)責(zé)接收信息采集終端發(fā)來的鉆機(jī)數(shù)據(jù)，并在鉆機(jī)數(shù)據(jù)存在異常時(shí)發(fā)送控制指令與報(bào)警信息。數(shù)據(jù)接收部分通過Java中開源的RXTX接口實(shí)現(xiàn)串口通信，從而實(shí)現(xiàn)對GSM模塊的AT指令控制。數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)主要是對接收到的鉆機(jī)信息進(jìn)行解析，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至相應(yīng)鉆機(jī)的數(shù)據(jù)庫表中，以用于Web前端用戶對數(shù)據(jù)的查詢。My SQL數(shù)據(jù)庫為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢服務(wù)，系統(tǒng)主要通過Java提供的JDBC（Java數(shù)據(jù)庫連接）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的開發(fā)。Web服務(wù)是Web應(yīng)用程序的一部分，用戶通過Web應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)鉆機(jī)數(shù)據(jù)查詢、地理位置監(jiān)視、線上交流等功能。
3.2軟件功能設(shè)計(jì)
監(jiān)控軟件主要實(shí)現(xiàn)了管理員（鉆機(jī)廠商）對鉆機(jī)的系統(tǒng)化管理，也為用戶（鉆機(jī)所有者）提供了一個(gè)對鉆機(jī)進(jìn)行監(jiān)控的平臺。因此，根據(jù)軟件功能需求的不同將軟件分為用戶、管理員兩種模式。用戶模式主要包括系統(tǒng)登陸、鉆機(jī)屬性查詢、鉆機(jī)維護(hù)計(jì)劃、鉆機(jī)位置監(jiān)控、在線交流、修改密碼等公共模塊，而管理員模式中則增加了鉆機(jī)歷史紀(jì)錄、鉆機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控、系統(tǒng)管理功能。軟件功能設(shè)計(jì)如圖6所示。
Web前端在首頁上給用戶提供了產(chǎn)品介紹、公司新聞、用戶須知、維修提醒等快捷信息，方便用戶對公司、鉆機(jī)進(jìn)行詳細(xì)了解。在鉆機(jī)屬性模塊中，用戶可對自己所購買鉆機(jī)的詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行查詢。針對用戶購買鉆機(jī)類型的不同，公司提供了兩種維修計(jì)劃，方便用戶及時(shí)對鉆機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。當(dāng)鉆機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，用戶可通過在線交流與鉆機(jī)廠商進(jìn)行線上交流，鉆機(jī)GPS也可以給服務(wù)人員提供詳細(xì)的鉆機(jī)位置，方便他們第一時(shí)間到達(dá)施工現(xiàn)場排除故障。同時(shí)，系統(tǒng)為管理員提供了鉆機(jī)詳細(xì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)與系統(tǒng)管理功能，可以對鉆機(jī)進(jìn)行長時(shí)間的鉆機(jī)性能監(jiān)測與系統(tǒng)化管理。
4系統(tǒng)測試
將監(jiān)控系統(tǒng)軟件及信息采集終端安裝好后進(jìn)行系統(tǒng)測試，測試的主要項(xiàng)目包括傳感器檢測測試、GPS定位測試、局域網(wǎng)測試、鉆機(jī)控制測試等。測試過程中，通過對所測試鉆機(jī)多次的開關(guān)機(jī)、施工操作以得到鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)，并在Web前端的監(jiān)控軟件中查看鉆機(jī)狀態(tài)。通過多次系統(tǒng)測試得到下面幾個(gè)結(jié)果。
(1)在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中，信息采集終端對鉆機(jī)數(shù)據(jù)每隔30 s進(jìn)行一次監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器端，Web服務(wù)得到數(shù)據(jù)處理并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫。在Web前端調(diào)用數(shù)據(jù)庫表，可查看到接收到的鉆機(jī)數(shù)據(jù)信息，如表1所示。
在鉆機(jī)GPS監(jiān)測時(shí)，由于直接引用百度地圖API造成測試坐標(biāo)與百度地圖實(shí)際位置存在偏差，因此在調(diào)用百度地圖時(shí)，進(jìn)行了必要的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后實(shí)際位置與測試位置間偏差較小。
(2)使用路由器建立包括主機(jī)在內(nèi)的多臺電腦組成的局域網(wǎng)，對系統(tǒng)進(jìn)行局域網(wǎng)測試。測試時(shí)，以主機(jī)作為服務(wù)器并獲取其IP配置，主機(jī)IPV4地址為192.168.1.101。在局域網(wǎng)內(nèi)任一臺PC機(jī)上訪問網(wǎng)址192. 168.1.101：8080/myIogin/index. jsp可以登錄監(jiān)控系統(tǒng)并進(jìn)行其他操作。
5結(jié)束語
本文運(yùn)用Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3層B/S架構(gòu)下的非開挖鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以對鉆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，并可以和鉆機(jī)售后人員進(jìn)行線上交流，并迅速找出故障原因；同時(shí)，用戶可遠(yuǎn)程對鉆機(jī)進(jìn)行控制，以保證鉆機(jī)的安全運(yùn)行。在Internet技術(shù)高速發(fā)展的今天，將Web技術(shù)運(yùn)用到遠(yuǎn)程控制方面，不僅對非開挖行業(yè)在鉆機(jī)管理、監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷方面有重要意義，也對其他工程機(jī)械在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面具有借鑒意義和推廣價(jià)值。
