快速液压夯实机远程监控系统设计

司癸卯，肖 鹏，段智辉

（1.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.西安航天自动化股份有限公司，陕西 西安 710065）

随着信息化技术的发展以及多学科技术的综合应用，工程机械的远程监控技术［1－2］得以真正实现.对快速液压夯实机而言，业主以及监理方希望对机械进行远程监控，从而提高监管力度.同时，对机械进行地理定位，可以很好地实现远程调度和管理.因此十分有必要开发出一套远程监控系统以满足市场信息化发展的需求.

1 快速液压夯实机

快速液压夯实机［3］是一种对材料进行压实的工程机械.它利用装载机液压能把重锤提升到一定的高度，然后释放重锤来产生强大的垂直作用力，并直接作用在缓冲底座上，底座上强大的冲击力间接作用在被压材料上，进而对材料进行压实.重锤提升时，选用安装在箱体不同位置上的开关来控制重锤的各档冲程.重锤释放下落时，在蓄能器产生的液压能和重锤自身的重力势能的双重作用下，重锤加速下落.重锤直接夯击到接地缓冲底座，产生强大的冲击力，底座冲击力作用到被压材料上，从而完成一次夯实作业过程.在箱体上安装对应的夯实深度检测装置，通过传感器的微小变化量间接反映夯实质量.快速液压夯实机的整体结构如图1所示.

2 远程监控系统的整体设计

从快速液压夯实机的远程监控的组成部分来看，整个监控系统分为数据采集、数据传输和数据处理3个模块，如图2所示.

图1 快速液压夯实机整体结构图Fig.1 Whole structure of high－speed hydraulic tamper

图2 监控系统组成Fig.2 Composition of remote monitoring system

数据采集是利用不同功能的传感器完成不同工况参数的采集.同时，GPS（Global Positioning System）接收机对夯实机的地理信息进行接收、存储，MCU（Micro Control Unit）对数据进行一定的处理后，等待数据传输命令.数据传输模块是利用GPRS（General Packet Radio Service）传输模块把采集到的工况数据以及地理位置信息打包附着在GPRS网络上完成数据的无线传输，GPRS的通信机能保证数据及时准确地传送到远程的数据处理终端.数据处理是整个系统的上位机部分，主要保证数据的及时处理与显示.数据异常时，及时报警.

3 远程监控系统的硬件设计

远程监控系统是软硬件结合的综合技术产物.硬件是保证系统工作的基础，是系统运行的关键.该系统中硬件的设计主要包括控制器模块、GPRS模块、GPS模块以及围绕不同模块的外围器件.硬件整体结构图如图3所示.

图3 硬件整体结构图Fig.3 Whole hardware structure

3.1 控制器模块

从系统的经济性以及整个监控系统的要求出发，选用AT89C52单片机作为数据采集模块中的数据处理器［4］.单片机适合于事务密集的场合.另外，AT89C52是低电压、低功耗、高性能的8位单片机，内部采用的高密度、非易失性存储技术也保证了其适合较为复杂的数据处理以及控制场合.

3.2 GPRS模块

数据的传输方式通常分为有线传输和无线传输.有线传输时，首先需要进行布线操作，为数据提供有效可行的传输链路.另外，有线传输支持的传输协议较少，只能提供特定协议下的数据传输.总的来说，有线传输固能保证数据的传输，但是建设成本太高，不利于远程监控系统的搭建.无线传输的特点就在于数据的传输不受地理位置的限制，因此传输距离就可以得到有效保证.最大的优点就是可以直接利用运营商已经建好的数据通信网络以及基站完成数据的传输与交换.按照流量使用情况的计费标准保证了大量持续性以及间断性数据传输的经济性.从夯实机的作业环境以及其流动性大的实际特点出发，选用无线通信网络完全可以满足数据的传输要求.

无线网络的传输方式有很多种.目前应用最广、技术成熟、网络稳定的是GPRS网络.GPRS网络是基于全球移动通讯系统GSM（Global System of Mobile communication）网络上的通信网络，其实质上仍然遵循GSM网络的通信机制，只是在GSM网络的基础上引入了两个新的通讯节点［4－5］，即SGSN（Serving GPRS Support Node）和 GGSN（Gateway GPRS Support Node）.SGSN，实现了数据的接入点控制和安全功能设置，保证了用户能够在端到端的分组方式下发送和接收数据，这样可以更有效地传输高速数据和信令.GGSN支持组之间的数据互通，把GSM网络中GPRS分组数据包进行协议转换，然后传送到远程的数据接收网络.GPRS在传输协议上完全支持TCP／IP（Transmission Control Protocol／Internet Protocol）协 议，通 过GPRS模块获取的动态IP就可以将传输过来的数据发送到具有固定的IP网络.

从数据传输的要求来看，选用西门子公司的MC35iGPRS模块符合数据的传输要求.该模块在设计上充分考虑到了实际的安装需求，完全采用紧凑型设计，为用户提供了简单的无线连接，可以永久保持在线，方便数据在任何时间、任何网络覆盖点的传输.同时提供171.2kbps的传输速率，保证了数据传输的要求.

3.3 GPS模块

利用GPS［6］定位系统建立的实时导航定位系统已经被广泛应用于不同的行业中.从GPS系统的构成出发，使用者是作为接收机部分，主要负责接收定位设备的地理位置信息.GPS接收机在本系统中的工作原理如图4所示.本系统中选用GARMIN（佳明）公司生产的GPS25－LVS［7］系列的OEM（Original Equipment Manufacture）板.其采用5V供电，内置保护电池，有RS232和TTL（Transistor Transistor Logic）两种电平输出形式，市场占有率高，具有很高的性价比.GPS信息经过GPRS网络把数据传送到远程监控中心的原理如图5所示.GPS25－LVS与AT89C52的硬件连接原理图如图6所示.

图4 GPS接收工作原理Fig.4 Schematic diagram of GPS reception working

图5 GPS由GPRS传输数据Fig.5 GPRS transmit data to GPS

图6 GPS25－LVS与AT89C52的硬件连接图Fig.6 Hardware connection structure for GPS25－LVS and AT89C52

3.4 外围电路

围绕主控制器和GPRS通信等模块设计其对应的外围扩展工作电路，包括电平的转换、数据的串行通信、看门狗电路和SIM卡电路等.不同电平的转换保证了器件可以在各自的工作电压下正常工作.由于TTL电平和RS232电平不能直接相连通信，因此还需要MAX232［8］电平转换芯片实现TTL电平和RS232电平的互相转换.看门狗电路的设计可以确保主控制器程序在跑飞的情况下重新回到系统上电时的初始状态，此时系统重启一次.开通GPRS网络通信服务的SIM（Subscriber Identity Module）卡以及对应的管脚通电工作是数据传输的前提.

4 远程监控系统的软件设计

软件的设计是对硬件采集到数据的最终处理，是数据处理结果的直接显示与说明.

数据采集的流程图如图7所示.主要完成数据的初始化、故障检测等工作.数据没有故障时，直接进入工作状态.此时，传感器开始工作，完成不同工况参数的采集.出现故障时，及时报警，停止当前的工作状态.

数据传输是利用GPRS网络向远程监控中心发送数据的.需要对数据按照设定的通信机制和协议要求进行转换处理，确保数据满足GPRS网络的传输要求.对应的流程图分别如图8和9所示.图8中，TCP（Transmission Control Protocol）是传输控制协议；图9中PPP（Point to Point Protocol）是点对点协议.

数据处理作为整个远程监控系统的上位机部分，是对整个监控动态参数的最终显示和直接说明.利用Visual Basic可视化软件开发整个监控系统的监控中心界面，完成不同的工况参数和地理信息的显示.监控系统异常时，及时报警.最后，整个远程监控系统搭建完成后，需要对监控系统进行调试验证，确保系统能够正常运行.

图7 数据采集流程图Fig.7 Flow diagram of data acquisition

图8 主控制器数据处理流程图Fig.8 Fow diagram of data handling on master controller

图9 数据传输流程图Fig.9 Flow diagram of data transmission

5 结 语

快速液压夯实机是异于强夯机的一种小型夯实机械，可以满足地基压实、路面修补等工程的实际需求.对快速液压夯实机开展远程监控研究，符合工程机械信息化发展的趋势，同时满足业主和监理方的远程监控要求.快速液压夯实机的远程监控系统在经济性上得到了保证，节约了建设成本，性能稳定，因此可以满足长期的远程监控要求.

［1］谷乾龙，陈新轩.工程机械现代控制技术的现状与发展［J］.筑路机械与施工机械化，2003（4）：31－32.GU Qianlong，CHEN Xinxuan.The current situation and development of modern control technology of construction machinery ［J］.Road Machinery ＆ Construction Mechanization，2003（4）：31－32.

［2］韩晓明，童晓帆.工程机械远程监控系统［J］.同济大学学报，2001，29（9）：1077－1080.HAN Xiaoming，TONG Xiaofan.The remote monitoring system of construction machinery［J］.Journal of Tongji University，2001，29（9）：1077－1080.

［3］司癸卯，张燕飞，张成.快速液压夯实机在地基处理中的应用分析［J］.中国工程机械学报，2013，11（2）：175－177.SI Guimao，ZHANG Yanfei，ZHANG Cheng.Application analysis of high－speed hydraulic tamper in foundation treatment［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2013，11（2）：175－177.

［4］张晋斌.基于GPRS的无线监控与数据采集系统技术的研究［D］.太原：太原理工大学，2006.ZHANG Jinbin.The study about wireless monitoring and data acquisition system based on GPRS［D］.Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2006.

［5］张寅.基于GPRS的远程无线监控系统［D］.秦皇岛：燕山大学，2006.ZHANG Yin.The remotewireless monitoring system based on GPRS［D］.Qinhuangdao：Yanshan University，2006.

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［7］Garmin Corporation.GPS 25LP series technical specification［R］.Xizhi：Garmin Corporation，2002.

［8］陈汝全，刘运国，雷国君.单片机实用技术［M］.北京：电子出版社，1992.CHEN Ruquan，LIU Yunguo，LEI Guojun.Single chip technology［M］.Beijing：Electronic Publishing House，1992.