工程机械监控设备的设计与实现

董锟

摘要：针对目前工程机械设备依靠人工进行信息统计，效率低下且无法保证准确度的问题，设计并实现了一种工程机械监控设备。该设备由电源管理模块、微控制器、定位及通信模块、工作状态监控模块四部分构成。通过实际测试，该设备的平均定位时间：30s;定位精度误差：±3m以内;速度误差平均值：2.35%;状态监测误差率小于3%，满足工程机械监控设备的应用需求。与传统方式相比，提升了工程机械监控的智能化水平和准确度。

关键词：工程机械;监控;定位;通信;速度;工作状态

中图分类号：TH69         文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）32-0222-02

Abstract： Since the current artificial information statistics of construction machinery are low efficiency and inaccuracy， a construction machinery monitoring equipment is designed and implemented. The equipment consists of four parts： power management module， microcontroller module， positioning and communication module， working state monitoring module. Through the actual test， the average positioning time of the equipment is 30s; the positioning accuracy error is within ± 3 meter; the average speed error is 2.35%; the working state monitoring error rate is less than 3%， which meets the application requirements of construction machinery monitoring equipment. Compared with the traditional way， it improves the intelligent level and accuracy of construction machinery monitoring.

Key words：construction machinery; monitoring; position; communication; speed; working state

1 引言

工程机械主要用于各种建设工程，通常工作于建筑、桥梁、道路、涵洞等较为恶劣的施工环境中[1]。统计数据显示，国内工程机械年销售量达30万台左右，市场保有量上百万台。然而工程机械的日常管理目前仍依靠人工进行信息统计，工作效率较低且由于统计人员综合素质参差不齐[2-3]，工程机械的管理效率仍较低[4-5]，急需进行智能化改造[6-7]。

智能化工程机械管理主要需要以下两种信息：工程机械实时工作状态，主要有：静止、怠速、工作三种及工程机械所处位置信息。管理人员可以通过工程机械位置信息和实时工作状态，对工程机械进行更科學合理的调度、排班等，同时，在发生突发情况时，也能够更好地展开救援。

但目前的智能化工程机械管理的研究仍处于起步阶段，基于此的研究思路和研究方案较多，但均未能给出具体的设计与实现方案，同时也无法解决供电、通信等问题。为解决上述问题，笔者设计了一种工作稳定、结构简单、精确度高的工程机械监控设备，并提出了其系统实现方案，最后通过实验验证了该方案的可行性和测量的准确性，具有很好的经济和社会效益。

2 工程机械监控设备的设计

如图1所示，工程机械监控设备主要有以下几个部分组成：电源管理模块、微控制器、定位及通信模块、工作状态监控模块。微控制器是设备的核心，主要功能是：

1）接收工作状态监控模块传回的信息并对数据进行处理、计算得出设备的运行状态信息;

2）读取定位及通信模块的定位数据信息、时间数据信息并进行解析;

3）将得到的工作状态信息、定位数据和时间信息等通过通信模块发送至服务器。

整个工程机械监控设备由电池供电并可通过太阳能进行充电从而保证了电池电量、延长了工作时间。

2.1 电源管理模块

电源管理模块为工程机械监控设备提供电能供给，如图1所示，主要由四部分构成：可充电锂电池、太阳能电池板、充电管理模块、电源模块。其中，可充电锂电池选用大容量、耐高低温的锂离子电池从而满足工程机械监控设备各种工作环境，如：严寒地区、夏季高温作业等;太阳能电池板可以在阳光充沛时为锂电池充电，从而保证设备的工作时长;但太阳能电池板的输出电压和输出电流随着日照强度的不同[8]，会有一定幅度变化，为了达到最大充电效率，选择了BQ24650作为充电管理芯片，其输入电压最高可达28V，最低为5V，同时，其提供输入电压调节功能，在输入电压低于特定电压时可降低充电电流从而保证充电的连续性。电路图如图2所示。电源模块的主要作用是将充电管理模块的输出电压转换为稳定电压供后续微控制器、工作状态监控模块、定位及通信模块等使用。

2.2工作状态监控模块

工作状态监控模块主要为六轴传感器：MPU6050，其可以提供三轴加速度、三轴角速度数据，微控制器在读取到MPU6050的三轴加速度和三轴角速度数据后可以通过四元素法得到工程机械设备的偏航角和俯仰角数据，根据偏航角和俯仰角变化幅度结合速度信息确定设备处于何种工作状态。

2.3 定位及通信模块

为了减小工程机械监控设备体积、降低系统整体功耗，本方案选用集成了定位和通信功能的模块：MC20E为系统提供定位数据和通信功能。MC20E具有北斗、GPS定位功能，同时支持GPRS通信功能，满足了系统整体使用需求，且定位速度快、精度高，GPRS传输速率高、传输速度稳定。MC20E还可以提供设备的速度信息，结合六轴传感器的数据计算得来的偏航角和俯仰角变化幅度，微控制器可以确定工程机械的工作状态，具体流程如图3所示，图中Change_angle为偏航角和俯仰角变化幅度之和，Speed为速度信息，所涉及的阈值为通过实验测量和分析确定的。

3 实验结果

3.1 定位系统实验结果

定位系统测试方法为：将工程机械监控设备放到行驶的车辆上，随机选择十个间隔500米的地点，将工程机械监控设备开机，分别测试定位时间、定位精度、速度信息并计算误差，平均数据如下：平均定位时间：30s、定位精度误差：±3m以内、速度误差平均值：2.35%，能够满足系统使用需求。

3.2 工作状态监测实验结果

工作状态监控测试方法为：将工程机械监控设备安装到某一实际工作中的工程机械设备上，记录工程机械实际所处状态及持续时间并与工程机械监控设备测得的时间比较，计算整体误差，具体结果如下，状态测试总体误差小于3%，满足实际工作需要。

4 结论

本课题针对工程机械工作状态及位置检测的应用需求，设计并实现了一种工程机械监控设备。本设备通过工作状态监控模块和定位及通信模块实现了对设备工作状态及位置信息的监测和信息的上传，通过大容量锂离子电池和太阳能电池板极大地延长了系统的工作时长。实验验证该设备具有较高的定位精度和工作状态监测精度，测量结果满足设备的应用需求。

参考文献：

[1] 杨世德，余峰岗，林凤涛，等.工程机械设备智能化管理初探[J].现代制造技术与装备，2019（8）：211-212，216.

[2] 董富强.工程机械的智能化趋势与发展对策[J].现代制造技术与装备，2016（1）：147-148.

[3] 王旭.机械管理的有效思路研究[J].内燃机与配件，2019（17）：242-243.

[4] 孙荣生.工程机械设備的维护与管理创新应用[J].科技视界，2019（29）：227-228.

[5] 杨世德，余峰岗，林凤涛，等.工程机械设备智能化管理初探[J].现代制造技术与装备，2019（8）：211-212，216.

[6] 杨磊. 提高建筑工程机械设备管理效益的关键因素[J]. 中国建材， 2019（11）：130-132.

[7] 胡可.浅谈如何做好公路工程机械设备管理工作[J].中国设备工程，2019（19）：35-37.

[8] 薛继元，冯文林，赵芬，等.太阳能电池板的输出特性与实际应用研究[J].红外与激光工程，2015，44（1）：0176.

【通联编辑：梁书】