周家樂(lè)，劉奕燦，朱京凱，孫夢(mèng)成，張可至，孫鑫宇

（華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海，200237）

0 引言

以挖掘機(jī)為主的工程機(jī)械在工地的生產(chǎn)建設(shè)中早已取得了不可或缺的地位。液壓挖掘機(jī)作為一種參與土石方施工的工程機(jī)械，廣泛應(yīng)用于市政建設(shè)、橋隧施工、水利工程等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，全球挖掘施工作業(yè)中，超過(guò)6成以上的挖掘土石方量是由挖掘機(jī)完成的[1]。其機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和性能優(yōu)化方面已趨于成熟，然而其智能控制技術(shù)的應(yīng)用卻很少，仍以手動(dòng)操作為主。此外，人們的廣泛應(yīng)用需求也使得挖掘機(jī)不斷出沒(méi)于地質(zhì)多變、氣象復(fù)雜、條件惡劣的工作環(huán)境中。因此，挖掘機(jī)施工過(guò)程中的問(wèn)題不斷出現(xiàn)，挖掘機(jī)操作員也常因長(zhǎng)時(shí)間工作在噪聲、震動(dòng)的環(huán)境下，身體和心理健康受到影響[2]。由此，智能化的工程設(shè)備和管理系統(tǒng)構(gòu)想開(kāi)始出現(xiàn)。目前建筑行業(yè)已經(jīng)展開(kāi)對(duì)智慧工地的深入研究，中冶建、中建、中鐵建等一些大型國(guó)企、央企的率先試水[3]，，小松，卡特彼勒等知名挖掘機(jī)制造商也開(kāi)始將智能化控制引入制造[4][5]，為智慧工地的實(shí)施提供了一個(gè)極好的開(kāi)端。本項(xiàng)目將引用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將遠(yuǎn)程化、智能化操作方式與集散式控制的系統(tǒng)架構(gòu)整合到挖掘機(jī)控制系統(tǒng)中，力圖構(gòu)建智能化施工新流程，帶來(lái)行業(yè)的全新變革。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 功能介紹

系統(tǒng)主要包括三大功能：人員管理、車(chē)輛管理和車(chē)輛操作。詳細(xì)見(jiàn)圖1所示。

圖1 工地管理系統(tǒng)軟件功能模塊圖

（1）人員管理

管理員可以錄入新加入的駕駛員信息、對(duì)駕駛員的信息進(jìn)行修改、檢索駕駛員信息以及刪除駕駛員信息。

（2）車(chē)輛管理

管理員可以錄入新購(gòu)入的車(chē)輛信息、查看車(chē)輛的使用情況、檢索車(chē)輛信息、為車(chē)輛安排駕駛員以及刪除車(chē)輛信息。

（3）車(chē)輛操作

駕駛員可以遠(yuǎn)程操縱車(chē)輛進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)視頻和網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)查看車(chē)輛的運(yùn)行狀況。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能工程機(jī)械管控平臺(tái)采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem）的設(shè)計(jì)思想，采用“全分散”、“全數(shù)字”的系統(tǒng)架構(gòu)[6]。整個(gè)系統(tǒng)由分散控制裝置、操作管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)三大部分組成。智能工程機(jī)械管理系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

圖2 智能工程機(jī)械管理系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)示意

（1）分散過(guò)程控制裝置

分散過(guò)程控制通過(guò)避免計(jì)算機(jī)控制過(guò)度集中，能夠有效降低系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)[7]。本系統(tǒng)采用了基于控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork，CAN）總線的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。多個(gè)ARM微控制單元（MicrocontrollerUnit，MCU）和樹(shù)莓派掛載于CAN總線上，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分級(jí)控制。

（2）操作管理系統(tǒng)

操作管理系統(tǒng)是系統(tǒng)與操作人員、管理人員間的操作界面，系統(tǒng)采用B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)。在操作頁(yè)面上，操作人員可以對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行直接的遠(yuǎn)程操縱作業(yè)。在管理頁(yè)面上，管理人員可以對(duì)企業(yè)的資產(chǎn)進(jìn)行管理，管理包括了人事管理、工程機(jī)械管理和工程機(jī)械生產(chǎn)調(diào)度管理。

（3）通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)總線控制裝置與操作管理系統(tǒng)之間的橋梁，用于將現(xiàn)場(chǎng)總線控制裝置采集的挖掘機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送到操作管理系統(tǒng)。同時(shí)，將操作管理系統(tǒng)獲得的操作、控制指令傳送到現(xiàn)場(chǎng)總線控制裝置。系統(tǒng)采用無(wú)線局域網(wǎng)（WirelessLocalAreaNetwork）的組網(wǎng)方式。通信采用專為物聯(lián)網(wǎng)打造的消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（MessageQueuingTelemetryT ransport）協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了高并發(fā)低時(shí)延的通信。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信原理如圖3所示，包括了2種類型：瀏覽器與Web服務(wù)器的通信、瀏覽器與MQTT服務(wù)器的通信。

圖3 系統(tǒng)的通信原理圖

（1）瀏覽器與Web服務(wù)器的通信用于從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取和向數(shù)據(jù)庫(kù)中保存持久化的信息。如：駕駛員的身份信息、車(chē)輛的信息等。此類信息需要長(zhǎng)期、安全、可靠的保存。系統(tǒng)使用了Spring框架開(kāi)發(fā)了RESTfulapi供瀏覽器調(diào)用，來(lái)實(shí)現(xiàn)瀏覽器對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取。

（2）瀏覽器與Web服務(wù)器的通信用于瀏覽器向車(chē)輛發(fā)送控制命令和瀏覽器接收從車(chē)輛上傳回的車(chē)輛狀態(tài)信息。系統(tǒng)選用了專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的MQTT協(xié)議。在MQTT服務(wù)器的選擇上，系統(tǒng)使用了EMQXBroker。EMQXBroker 基于高并發(fā)的Erlang/OTP 語(yǔ)言平臺(tái)開(kāi)發(fā)，支持百萬(wàn)級(jí)連接和分布式集群架構(gòu)。圖4展示了系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)流圖和車(chē)輛控制的流程圖。

圖4 系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)流圖

2.2 系統(tǒng)主要流程圖

操作人員通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)并控制遠(yuǎn)程車(chē)輛的流程圖見(jiàn)圖5。主要是對(duì)每個(gè)操作進(jìn)行安全檢測(cè)，并實(shí)時(shí)反饋給操作員，以此形成一個(gè)負(fù)反饋的環(huán)路。

圖5 車(chē)輛控制的流程圖

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

智能工程機(jī)械管控平臺(tái)的實(shí)體之間的聯(lián)系見(jiàn)圖6所示。具有駕駛員或管理員權(quán)限的用戶可以對(duì)車(chē)輛進(jìn)行操縱作業(yè)，具有管理員權(quán)限的用戶可以管理車(chē)輛和駕駛員的信息。數(shù)據(jù)庫(kù)和后端服務(wù)器部署并運(yùn)行在第三方云存儲(chǔ)平臺(tái)上，保證了數(shù)據(jù)庫(kù)的可靠性和可用性。

圖6 系統(tǒng)的實(shí)體關(guān)系圖

2.4 安全性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了目前web前端領(lǐng)域最受關(guān)注的無(wú)狀態(tài)服務(wù)器驗(yàn)證方式JWT（JSONWebToken）來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶的認(rèn)證[8]。采用基于角色的訪問(wèn)控制，構(gòu)造成“用戶-角色-權(quán)限”的授權(quán)模型。系統(tǒng)使用SpringSecurity實(shí)現(xiàn)了基于Java注解的方法級(jí)別的訪問(wèn)控制。由于對(duì)于同一個(gè)密碼，每次加密得到的值不會(huì)重復(fù)，大大降低了用戶密碼被黑客使用彩虹表破解的可能。

2.5 響應(yīng)式Web

系統(tǒng)借助Bootstrap框架的響應(yīng)式柵格，使用CSS3中媒體查詢的功能，實(shí)現(xiàn)頁(yè)面了對(duì)手機(jī)、平板和電腦的自適應(yīng)，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠同時(shí)運(yùn)行在手機(jī)、平板和PC端，極大地?cái)U(kuò)展了系統(tǒng)的使用范圍，提高了便利性。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)主要使用3塊ARM微控制器，并設(shè)計(jì)了相關(guān)電源、驅(qū)動(dòng)、通信電路。3塊ARM控制分別布置于3塊相同的印制電路板（Printedcircuitboards，PCB）上。三塊PCB采用菊花鏈相連，具有良好的硬件抽象性，并采用了多路復(fù)用的接口設(shè)計(jì)。

3.1 電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用直流電源分配系統(tǒng)（Power Distribution System，PDS）為嵌入式系統(tǒng)中的所有設(shè)備供電[9]，共設(shè)計(jì)了三個(gè)完全獨(dú)立的電源系統(tǒng)，分別供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)、開(kāi)發(fā)板、樹(shù)莓派等，實(shí)現(xiàn)了潔凈、無(wú)擾、去耦合的優(yōu)質(zhì)直流電源供電。

3.2 接口設(shè)計(jì)

接口電路的主要功能是將ARM微控制器中所需要用到的信號(hào)引出，供后續(xù)的傳感、控制、通信等電路使用。接口電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7。

圖7 博創(chuàng)ARM接口電路設(shè)計(jì)

3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)控制層對(duì)設(shè)備層執(zhí)行電機(jī)的控制，系統(tǒng)選用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6612FNG，其MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)提供了雙通道電路輸出，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，其電路無(wú)需外圍的二極管續(xù)流電路，只需外接電源濾波電容就可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，減小了系統(tǒng)尺寸，為挖掘機(jī)接口擴(kuò)展板的小型化提供了可能。驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)圖8。

圖8 TB6612FNG驅(qū)動(dòng)電路

3.4 CAN總線電路設(shè)計(jì)

采用CAN總線作為樹(shù)莓派與ARM控制器的通信紐帶，組成了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)用于連接現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制裝置[10]。CAN總線接口原理圖見(jiàn)圖9。系統(tǒng)中，樹(shù)莓派將控制指令發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)總線，利用CAN總線的發(fā)送延遲、接收延遲、循環(huán)延遲、錯(cuò)誤校驗(yàn)、自動(dòng)排錯(cuò)等機(jī)制，將控制指令可靠、準(zhǔn)確、唯一地發(fā)送至各抽象子節(jié)點(diǎn)。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用有效地保障了系統(tǒng)的硬件抽象性[11]。

圖9 CAN總線接口原理圖

3.5 IIC總線電路設(shè)計(jì)

IIC是由Philips公司開(kāi)發(fā)的一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串行總線[12]。IIC接口電路見(jiàn)圖10。

圖10 Cortex-M3開(kāi)發(fā)板IIC接口電路

該設(shè)計(jì)克服傳輸過(guò)程中的串?dāng)_、電磁耦合等問(wèn)題，使總線信號(hào)完整性有了較大的改善，總線丟包率大幅下降。使遠(yuǎn)端的鏟斗及斗桿的姿態(tài)信息能夠即時(shí)傳送回控制器，為系統(tǒng)的閉環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

3.6 行程開(kāi)關(guān)量接口設(shè)計(jì)

行程開(kāi)關(guān)采用了雙路復(fù)用的設(shè)計(jì)，雙路信號(hào)分別接在兩塊驅(qū)動(dòng)板上，用戶在進(jìn)行系統(tǒng)配置的時(shí)候，可以通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)的切換，選擇使用哪一路的限位信號(hào)。電路原理圖見(jiàn)圖11。

圖11 行程開(kāi)關(guān)接口原理圖

行程開(kāi)關(guān)用于挖掘機(jī)械的鏟斗、斗桿、動(dòng)臂等運(yùn)動(dòng)部分的行程限位和復(fù)位。

4 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

4.1 程序自舉與重映射方式

系統(tǒng)選用的ARM微控制器LPC1857支持多種自舉模式。系統(tǒng)采用了外部存儲(chǔ)單元的自舉方法。在MCU復(fù)位之后，ARMMCU將會(huì)從片內(nèi)的ROM區(qū)域執(zhí)行代碼。LPC1850包含一個(gè)隱藏指針（ShadowPointer）允許將內(nèi)存區(qū)域映射到零地址0x0000 0000。隱藏指針的默認(rèn)值為0x1040 0000，是一塊大小為64KB的小型片內(nèi)ROM，這保證了存放在啟動(dòng)ROM中的boot代碼在復(fù)位的時(shí)候被執(zhí)行。

4.2 時(shí)鐘樹(shù)配置方式

MCULPC1850利用時(shí)鐘生成單元（ClockGenerationUnit，CGU）進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘的生成與管理。系統(tǒng)使用12MHz的外部高速晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘來(lái)源，通過(guò)若干分頻器與倍頻器，將時(shí)鐘信號(hào)提升至72MHz作為系統(tǒng)時(shí)鐘，最后將再次分頻后得到的時(shí)鐘作為各內(nèi)核外設(shè)之時(shí)鐘信號(hào)。

4.3 系統(tǒng)控制單元（SCU）

MCULPC1850采用系統(tǒng)控制單元（SystemControlUnit，SCU）來(lái)進(jìn)行引腳功能及電器特性的配置，引腳采用推挽輸出或上拉輸入。整體結(jié)構(gòu)如下圖12所示。

圖12 I/O接口電氣特性鏈連接圖

5 系統(tǒng)控制方式

系統(tǒng)采用了多級(jí)指令實(shí)現(xiàn)了對(duì)挖掘機(jī)的控制。從網(wǎng)頁(yè)到ARM微控制器，各級(jí)控制器依次對(duì)指令進(jìn)行分解、抽象，并將解析后的指令發(fā)往下一級(jí)控制器，從而簡(jiǎn)化挖掘機(jī)系統(tǒng)的控制復(fù)雜度。

圖13以挖掘操作為例，展示了指令分解、傳輸、執(zhí)行過(guò)程。

圖13 控制指令分解、傳輸、執(zhí)行過(guò)程示例

當(dāng)用戶在瀏覽器上通過(guò)鍵盤(pán)輸入表示自動(dòng)挖掘操作的z鍵時(shí)，服務(wù)器將按鍵傳至MQTT服務(wù)器，后者在指令庫(kù)內(nèi)找到z鍵代表了挖掘操作，并將該任務(wù)發(fā)布至對(duì)應(yīng)挖掘機(jī)的樹(shù)莓派。樹(shù)莓派將挖掘任務(wù)分解為挖掘機(jī)各機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步計(jì)算出各運(yùn)動(dòng)器件的運(yùn)動(dòng)值，并將其發(fā)送至對(duì)應(yīng)的ARM微控制器。最后由ARM微控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路操縱各運(yùn)動(dòng)器件，從而實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)的自動(dòng)挖掘操作。

6 實(shí)現(xiàn)效果

系統(tǒng)在阿里云上構(gòu)建了服務(wù)器，使用者可通過(guò)瀏覽器進(jìn)行訪問(wèn)，圖14展示了用戶使用瀏覽器操縱10：1挖掘機(jī)模型時(shí)的頁(yè)面。

圖14 瀏覽器操縱界面

畫(huà)面左側(cè)從上至下依次為施工場(chǎng)地的天氣狀況、工程機(jī)械前方實(shí)時(shí)圖像、系統(tǒng)使用率。畫(huà)面中間從上至下依次為工程機(jī)械的姿態(tài)模型、控制按鍵、儀表盤(pán)。畫(huà)面左側(cè)從上至下依次為駕駛員信息，工程機(jī)械使用記錄、工程機(jī)械詳細(xì)信息。駕駛?cè)藛T可以通過(guò)實(shí)時(shí)圖傳畫(huà)面及工程機(jī)械姿態(tài)模型獲取當(dāng)前工程機(jī)械的運(yùn)作狀態(tài)，并通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制。

本文選取了施工場(chǎng)地中具有代表性的挖掘機(jī)作為主要模擬對(duì)象，并建立了10:1的實(shí)體模型進(jìn)行遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，模型如圖15所示。

圖15 挖掘機(jī)模型

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠滿足功能需求，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的控制、管理，提升了以挖掘機(jī)為代表的工程機(jī)械的管控效率。

7 結(jié)語(yǔ)

智能工程機(jī)械管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、通信、嵌入式等多學(xué)科技術(shù)，為以挖掘機(jī)為代表的各類工程機(jī)械提供了遠(yuǎn)程規(guī)劃調(diào)度、人員管理、車(chē)輛管理、車(chē)輛操作等四大功能，具有一定的創(chuàng)新性和應(yīng)用前景。其應(yīng)用將有效提升機(jī)械工程企業(yè)的信息化、智能化管理水平，促進(jìn)工地現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)，改善駕駛員工作環(huán)境，減輕工作強(qiáng)度，降低企業(yè)管理成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，是未來(lái)工程機(jī)械行業(yè)尋求行業(yè)發(fā)展實(shí)現(xiàn)突破的方向。