基于工业物联网的智能工程机械管控平台的设计
周家乐，刘奕灿，朱京凯，孙梦成，张可至，孙鑫宇
（华东理工大学信息科学与工程学院，上海，200237）
摘要：以工业物联网为核心，综合运用了分布式异构设计，开发了智能工程机械管控平台o该平台主要涵盖WEB服务器（阿里云）、MQTT服务器（阿里云）、操作管理装置（树莓派）、现场控制装置（嵌入式开发板）、电力拖动等执行传感机构以及机械结构的设计。平台可实现工地管理人员对全厂调度优化、工程机械管理、人事管理和远程机械控制，加强了工地的管理控制，降低了整个工地管理成本。同时驾驶员进行远程作业，在保障驾驶员身心安全、改善驾驶环境的同时，降低了工地人力成本。
关键词：智能工程机械；挖掘机；管控一体化；集散控制系统；总线控制系统
Intelligent Engineering Machinery Management and Control Platform Based on Industrial Internet of Things Zhou Jiale,Liu Yican,Zhu Jingkai,Sun Mengcheng,Zhang Kezhi,Sun Xinyu (School of information science and engineering,East China University of science and
technology,Shanghai,200237)
Abstract•This work has designed an intelligent engineering machinery management and control platform based on Industrial Internet of Things.The system uses the industria.1Internet of Things as the core and integrates distributed heterogeneous design,covering WEB server(Ali.Cloud)and MQTT server (Ali.Cloud),operation management device(Raspberry Pi),on-site control device(Bochuang development board),electrie drive and other execution sensing mechanisms,and mechanical strueture design. Through this intelligent engineering machinery management and control platform,the site management personnel can carry out plant-wide scheduling optimization,engineering machinery management, personnel management and remote mechanical control.This work strengthens the management control of the cons true t ion site and reduces the management cost of the entire cons tme tion site.At the same time, the driver performs remote operations,which reduces the labor cost of the construetion site while protecting the driver's physical and mental safety and improving the driving environment. Keywords•Intelligent engineering machinery;management and control integration;distributed control system;enterprise resource planning;fieldbus control system
0引言
以挖掘机为主的工程机械在工地的生产建设中早已取得了不可或缺的地位。液压挖掘机作为一种参与
土石方施工的工程机械，广泛应用于市政建设、桥隧施工、水利工程等领
域。据统计资料显示，全球挖掘施工作业中，超过6成以上的挖掘土石方量是由挖掘机完成的山。其机械结构、液压系统
和性能优化方面已趋于成熟，然而其智能控制技术的应用却
很少，仍以手动操作为主。此外，人们的广泛应用需求也使得
挖掘机不断出没于地质多变、气象复杂、条件恶劣的工作环
境中。因此，挖掘机施工过程中的问题不断出现，挖掘机操作
员也常因长时间工作在噪声、震动的环境下，身体和心理健康受到影响也。由此，智能化的工程设备和管理系统构想开始出现。目前建筑行业已经展开对智慧工地的深入研究，中冶建、中建、中铁建等一些大型国企、央企的率先试水⑻'，小松，卡特彼勒等知名挖掘机制造商也开始将智能化控制引入制造⑷凶，为智慧工地的实施提供了一个极好的开端。本项目将引用工业物联网技术，将远程化、智能化操作方式与集散式控制的系统架构整合到挖掘机控制系统中，力图构建智能化施工新流程，带来行业的全新变革。
1系统总体设计方案
1.1功能介绍
系统主要包括三大功能：人员管理、车辆管理和车辆操
作。详细见图1所示。
（1）人员管理
管理员可以录入新加入的驾驶员信息、对驾驶员的信息
进行修改、检索驾驶员信息以及删除驾驶员信息。
（2）车辆管理
管理员可以录入新购入的车辆信息、查看车辆的使用情
况、检索车辆信息、为车辆安排驾驶员以及删除车辆信息。
基金项目：国家自然科学基金项目''基于知识图谱技术和危险本体模型的危险辨识关键技术研究（61906068
申耳测说
工ife管理系统
添加系统人员
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频图1工地管理系统软件功能模块图
(3)车辆操作
驾驶员可以远程操纵车辆进行作业，同时通过实时视频和网页数据查看车辆的运行状况。
1-2系统设计
智能工程机械管控平台采用现场总线控制系统(Field-busControlSystem)的设计思想，釆用"全分散”、''全数字”的系统架构固。整个系统由分散控制装置、操作管理系统、通信
系统三大部分组成。智能工程机械管理系统系统架构见图2所示。传送到操作管理系统。同时，将操作管理系统获得的操作、控制指令传送到现场总线控制装置。系统釆用无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork)的组网方式。通信采用专为物联网打造的消息队列遥测传输(MessageQueuingTelemetryT ransport)协议，实现了高并发低时延的通信。
2系统软件设计
2.1系统架构设计
系统通信原理如图3所示，包括了2种类型：浏览器与Web服务器的通信、浏览器与MQTT服务器的通信。
图3系统的通信原理图
图2智能工程机械管理系统系统架构示意
(1)分散过程控制装置
分散过程控制通过避免计算机控制过度集中，能够有效降低系统发生故障的风险皿。本系统采用了基于控制器局域网(ControllerAreaNetwork,CAN)总线的现场总线控制系统。多个ARM微控制单元(MicrocontrollerUnit,MCU)和树莓派挂载于CAN总线上，从而实现系统的分级控制。
(2)操作管理系统
操作管理系统是系统与操作人员、管理人员间的操作界
面，系统釆用B/S(Browser/Server)结构。在操作页面上，操作人员可以对工程机械进行直接的远程操纵作业。在管理页面上，管理人员可以对企业的资产进行管理，管理包括了人事管理、工程机械管理和工程机械生产调度管理。
(3)通信系统
通信系统是现场总线控制装置与操作管理系统之间
的桥梁，用于将现场总线控制装置釆集的挖掘机状态数据
(1)浏览器与Web服务器的通信用于从数据库中读取和向数据库中保存持久化的信息。如：驾驶员的身份信息、车辆的信息等。此类信息需要长期、安全、可靠的保存。系统使用T Spring框架开发了RESTfulapi供浏览器调用，来实现浏览器对数据库读取。
(2)浏览器与Web服务器的通信用于浏览器向车辆发送控制命令和浏览器接收从车辆上传回的车辆状态信息。系统选用了专为物联网设计的MQTT协议。在MQTT服务器的选择上，系统使用了EMQXBroker。EMQXBroker基于高并发的Erlang/OTP语言平台开发，支持百万级连接和分布式集架构。图4展示了系统通信的数据流图和车辆控制的流程图。
|Valiadtor|
|Client-------DispacherServiet Controller Service|
HttpMassage|Respository
Converter
图4系统通信的数据流图
2.2系统主要流程图
操作人员通过互联网访问并控制远程车辆的流程图见图5。主要是对每个操作进行安全检测，并实时反馈给操作员，以此形成一个负反馈的环路。
2.3数据库设计
智能工程机械管控平台的实体之间的联系见图6所示。具有驾驶员或管理员权限的用户可以对车辆进行操纵作业，具有管理员权限的用户可以管理车辆和驾驶员的信息。数据库和后端服务器部署并运行在第三方云存储平台上，保证了数据库的可靠性和可用性。
申耳测说
图5车辆控制的流程图
好的硬件抽象性，并采用了多路复用的接口设计。
3.1电源设计
系统选用直流电源分配系统(Power  Distribution
System, PDS)为嵌入式系统中的所有设备供电冋，共设计了
三个完全独立的电源系统，分别供给执行机构、开发板、树莓
派等，实现了洁净、无扰、去耦合的优质直流电源供电。
3.2接口设计
接口电路的主要功能是将ARM 微控制器中所需要用到 的信号引出，供后续的传感、控制、通信等电路使用。接口电
路设计见图7。
图6系统的实体关系图
」圭
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2. 4安全性设计
系统釆用了目前web 前端领域最受关注的无状态服务
器验证方式JWT(JSONWebToken)来实现用户的认证曲。采用
基于角的访问控制，构造成'用户-角-权限”的授权模
型。系统使用SpringSecurity 实现了基于Java 注解的方法级 别的访问控制。由于对于同一个密码，每次加密得到的值不会
重复，大大降低了用户密码被黑客使用彩虹表破解的可能。
2.5响应式Web
系统借助Bootstrap 框架的响应式栅格，使用CSS3中媒
体查询的功能，实现页面了对手机、平板和电脑的自适应，使
得整个系统能够同时运行在手机、平板和PC 端，极大地扩展了
系统的使用范围，提高了便利性。
3系统硬件设计
硬件电路设计主要使用3块
ARM 微控制器，并设计了相关电源、
驱动、通信电路。3块ARM 控制分
别布置于3块相同的印制电路板
(Printedcircuitboards,PCB)上。
三块PCB 釆用菊花链相连，具有良
图7博创ARM 接口电路设计
3. 3驱动电路设计
为了实现控制层对设备层执行电机的控制，系统选用直
流电机驱动芯片TB6612FNG，其M0SFET-H 桥结构提供了双通
道电路输出，可同时驱动2个电机，其电路无需外围的二极管
续流电路，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机，减
小了系统尺寸，为挖掘机接口扩展板的小型化提供了可能。
驱动电路见图8o
3. 4 CAN 总线电路设计
釆用CAN 总线作为树莓派与ARM 控制器的通信纽带，组 成了现场总线控制系统用于连接现场装置与控制装置［1M .
CAN 总线接口原理图见图9。系统中，树莓派将控制指令发送
至现场总线，利用CAN 总线的发送延迟、接收延迟、循环延迟、 错误校验、自动排错等机制，将控制指令可靠、准确、唯一地 发送至各抽象子节点。因此，现场总线的应用有效地保障了 系统的硬件抽象性［11］=
3.5 IIC 总线电路设计
HC 是由Philips 公司开发的一种简单、双向二线制同 步串行总线问。IIC 接口电路见图10。
该设计克服传输过程中的串扰、电磁耦合等问题，使总
J10
MOTOR-A 1 11 , 2
OR-A2 5
6
MOTOR-B2T
1
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8
OR-B1 11
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图8 TB6612FNG 驱动电路
线信号完整性有了较大的改善，总线丢包率大幅下降。使远
端的铲斗及斗杆的姿态信息能够即时传送回控制器，为系统 的闭环控制的实现提供了可能。
图9 CAN 总线接口原理图
3. 6行程开关量接口设计
行程开关釆用了双路复用的设计，双路信号分别接在两
块驱动板上，用户在进行系统配置的时候，可以通过拨码开
关的切换，选择使用哪一路的限位信号。电路原理图见图11。
行程开关用于挖掘机械的铲斗、斗杆、动臂等运动部分
的行程限位和复位。4嵌入式软件设计
4.1程序自举与重映射方式
系统选用的ARM 微控制器LPC1857支持多种自举模
式。系统釆用了外部存储单元的自举方法。在MCU 复位之后,
emqx brokerARMMCU 将会从片内的ROM 区域执行代码。LPC1850包含一
个隐藏指针(ShadowPointer)允许将内存区域映射到零地址
0x0000 0000。隐藏指针的默认值为0x1040 0000，是一块大
小为64KB 的小型片内ROM，这保证了存放在启动ROM 中的
boot 代码在复位的时候被执行。4. 2时钟树配置方式
MCULPC1850 利用时钟生成单元(ClockGenerationUnit,
CGU)进行系统时钟的生成与管理。系统使用12MHz 的外部高
速晶振作为系统的时钟来源，通过若干分频器与倍频器，将 时钟信号提升至72MHz 作为系统时钟，最后将再次分频后得
到的时钟作为各内核外设之时钟信号。
3V3
图11行程开关接口原理图
图12 I/O 接口电气特性链连接图
4. 3系统控制单元(SCU)
MCULPC1850釆用系统控制单元 (SystemControlUnit, SCU)来进行引脚功
能及电器特性的配置，引脚釆用推挽输出
或上拉输入。整体结构如下图12所示。
5系统控制方式
系统釆用了多级指令实现了对挖掘机 的控制。从网页到ARM 微控制器，各级控制
器依次对指令进行分解、抽象，并将解析后
的指令发往下一级控制器，从而简化挖掘
机系统的控制复杂度。
图13以挖掘操作为例，展示了指令分
解、传输、执行过程。
图13控制指令分解、传输、执行过程示例
当用户在浏览器上通过键盘输入表示自动挖掘操作的z 键时，服务器将按键传至MQTT服务器，后者在指令库内到z键代表了挖掘操作，并将该任务发布至对应挖掘机的树莓派。树莓派将挖掘任务分解为挖掘机各机械结构的运动，进一步计算出各运动器件的运动值，并将其发送至对应的ARM 微控制器。最后由ARM微控制器通过驱动电路操纵各运动器件，从而实现了挖掘机的自动挖掘操作。
6实现效果
系统在阿里云上构建了服务器，使用者可通过浏览器进
行访问，图14展示了用户使用浏览器操纵10:1挖掘机模型时的页面。
图14浏览器操纵界面
画面左侧从上至下依次为施工场地的天气状况、工程机械前方实时图像、系统使用率。画面中间从上至下依次为工程机械的姿态模型、控制按键、仪表盘。画面左侧从上至下依次为驾驶员信息，工程机械使用记录、工程机械详细信息。驾驶人员可以通过实时图传画面及工程机械姿态模型获取当前工程机械的运作状态，并通过键盘进行远程实时控制。
本文选取了施工场地中具有代表性的挖掘机作为主要模拟对象，并建立了10:1的实体模型进行远程控制实验，模型如图15所示。
图15挖掘机模型
实验结果表明，系统能够满足功能需求，实现了远程的控制、管理，提升了以挖掘机为代表的工程机械的管控效率。7结语
智能工程机械管控平台的设计应用物联网、人工智能、通信、嵌入式等多学科技术，为以挖掘机为代表的各类工程机械提供了远程规划调度、人员管理、车辆管理、车辆操作等四大功能，具有一定的创新性和应用前景。其应用将有效提升机械工程企业的信息化、智能化管理水平，促进工地现场安全生产，改善驾驶员工作环境，减轻工作强度，降低企业管理成本，提髙经济效益，是未来工程机械行业寻求行业发展实现突破的方向。
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作者简介
周家乐(1985-)，男，辽宁营口人，留学博士，讲师，主要研究方向为智能嵌入式系统，安全攸关系统分析与开发，从
事传感器原理及智能科学与技术导论课程教学。
通信作者：杨富琴(1962-)女，内蒙赤峰人，学士，教授级高级实验师，信息技术实验教学中心主任。主要研究方向
为嵌入式系统应用，实验室建设与管理。
申耳测说

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