基于WiFi無線通信的港口集裝箱裝卸橋監(jiān)控系統(tǒng)對于集裝箱裝卸橋的基本運行狀態(tài)提供了非常大的幫助。這類系統(tǒng)以WiFi無線通信技術(shù)為主要手段，把下位機采集到的裝卸橋的運行參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，并在以易語言作為開發(fā)平臺的監(jiān)控界面上全程展示。最后，對港口集裝箱裝卸橋監(jiān)控系統(tǒng)進行模擬測驗，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能對港口集裝箱裝卸橋各運行參數(shù)進行高效的監(jiān)控，提升港口集裝箱裝卸效率。

　　關(guān)鍵詞： ESP8266,易語言,無線局域網(wǎng),裝卸橋

　　隨著港口集裝箱運輸業(yè)務的發(fā)展，碼頭裝卸機械的有效利用在提高碼頭生產(chǎn)作業(yè)效率中起著至關(guān)重要的作用。裝卸橋作為碼頭集裝箱裝卸作業(yè)中的關(guān)鍵裝卸機械設備，它的各個機構(gòu)的運行狀態(tài)和故障狀態(tài)是設備管理人員關(guān)注的重點，也是影響設備生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。因此，對集裝箱裝卸橋的監(jiān)測成為研究的熱點之一。集裝箱裝卸橋主要包括起升機構(gòu)、小車行走機構(gòu)、大車行走機構(gòu)和俯仰機構(gòu)四大機構(gòu)。由于俯仰機構(gòu)只在作業(yè)開始時和停機時才工作，使用頻率較低，所以本文根據(jù)集裝箱裝卸橋的實際運行情況，采用無線WiFi技術(shù)和監(jiān)控軟件對集裝箱裝卸橋的大車機構(gòu)、小車機構(gòu)和起升機構(gòu)的主要運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控系統(tǒng)的研究和設計。

　　1 港口集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

　　根據(jù)自動化集裝箱碼頭監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、無線通信和監(jiān)控管理三大部分組成。集裝箱裝卸橋的各項監(jiān)控采用STM32F407ZGT6作為主控芯片，檢測和控制裝卸橋所需動力的各個電機的速度、電壓和電流。同時利用溫濕度傳感器檢測當前裝卸橋的工作環(huán)境。利用MFRC522讀卡器讀取回小車在裝卸橋的位置。將以上的數(shù)據(jù)打包成一個數(shù)據(jù)包，通過串口發(fā)送給WiFi模塊。經(jīng)由路由器的局域網(wǎng)，通過正確的配置，把數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務器，然后在服務器界面顯示出來當前整個裝卸橋的運行狀態(tài)和工作環(huán)境。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　由于集裝箱裝卸橋價格昂貴，港口設備資源緊缺等原因，很難用實機來驗證該設計系統(tǒng)的可行性，因此本文設計了一個集裝箱裝卸橋的模擬實驗模型。該實驗模型主要由機械部分和電控部分組成。下面主要對電控部分進行詳細的分析。

　　2.1 控制器的選擇

　　采用STM32F407ZGT6作為集裝箱裝卸橋監(jiān)測系統(tǒng)的主控芯片，它不僅檢測裝卸橋三大機構(gòu)的運行參數(shù)和運行環(huán)境參數(shù)，同時還可控制裝卸橋所需動力的各個電機的速度。

　　2.2 各機構(gòu)動力源設計

　　通過對大、小車和起升機構(gòu)的運行驅(qū)動裝置的分析，本文根據(jù)模擬仿真的功能需求，選用自帶編碼器的減速電機——GM25?370雙通道霍爾編碼器減速電機，各大機構(gòu)直流電機的轉(zhuǎn)速可以通過編碼器檢測出來。由于單片機I/O的驅(qū)動能力的限制，電機與單片機之間還需要電機驅(qū)動模塊，因此，在本設計中用到以L298N芯片為核心的驅(qū)動模塊。其接線如圖2所示。

　　2.3 電機電壓、電流的檢測

　　在電機運行的過程中，產(chǎn)生的電壓、電流和轉(zhuǎn)速這三個變量的大小值可以間接地反映電機的運行是否出現(xiàn)故障。所以本文采用電壓、電流檢測模塊對電機的電壓和電流進行檢測。

　　2.4 小車位置定位設計

　　在裝卸橋工作的過程中，對小車位置的監(jiān)控很重要，本文利用讀卡器讀卡的方式對小車進行定位。采用的讀卡器模塊為MFRC522，該模塊利用SPI通信接口與單片機通信。單片機循環(huán)查詢讀卡器是否讀取到卡片，并接收讀卡器返回當前讀取到的卡片ID號，再進行存儲，然后與單片機內(nèi)部預先保存的卡片ID號進行匹配，如果匹配成功，就返回當前數(shù)組的下標，以此知道當前哪張卡片被讀取，也就知道當前小車的位置在哪里了。讀卡器模塊與單片機的連接如圖3所示。

　　2.5 起升機構(gòu)的起升高度檢測

　　對于集裝箱裝卸橋起升機構(gòu)的起升高度，本文采用超聲波模塊來檢測。測量的距離以串口的形式發(fā)送回來，50 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)給本系統(tǒng)的主控單片機。

　　2.6 裝卸橋溫濕度變量的檢測

　　在裝卸橋的工作環(huán)境中，過高的溫度或者濕度都會直接影響到電機的使用壽命，因此，檢測裝卸橋工作環(huán)境中的溫濕度具有一定的必要性。在本設計中，利用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器完成對裝卸橋工作環(huán)境的監(jiān)測，它與單片機的接線如圖5所示。

　　2.7 無線通信設計

　　無線WiFi傳輸模塊擔任著數(shù)據(jù)傳輸作用，是該監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)通道傳輸?shù)膬?yōu)劣直接影響到監(jiān)控質(zhì)量[5]。本文采用以ESP8266為控制核心的WiFi模塊搭建無線通信網(wǎng)絡。模塊的設置是通過串口進行AT指令設置的。此WiFi模塊與開發(fā)板的串口5相連接，如圖6所示，其傳輸波特率為115 200 b/s。

　　2.8 WiFi模塊指示燈和按鍵電路設計

　　在本文中，與WiFi模塊工作狀態(tài)有關(guān)的還有2個LED燈和1個按鍵。LED0的作用是提示當前WiFi模塊數(shù)據(jù)發(fā)送是否正常。如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，則LED0間隔0.5 s閃爍。LED1的作用是提示W(wǎng)iFi模塊是否連接上服務器。如果WiFi模塊與服務器斷開連接，則LED1閃爍50 ms。開發(fā)板的按鍵設計是一個搖桿按鍵，當WiFi模塊沒有連接上路由器時，必須要向下?lián)u搖桿按鍵持續(xù)1 s，WiFi模塊便自動連接上預先設定好的WiFi網(wǎng)絡。

　　2.9 TFTLCD液晶顯示屏

　　設置WiFi模塊時，通過串口返回一定的響應字符串，為了能夠?qū)崟r查看響應字符串的內(nèi)容，本系統(tǒng)使用一個2.8寸的TFT液晶顯示屏。通過響應字符串的不同來判定WiFi模塊是否設置成功。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　3.1 下位機數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設計

　　下位機數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送是由μCOS Ⅱ操作系統(tǒng)完成的，它的流程圖如圖7所示。

　　該操作系統(tǒng)主要完成四項任務，分別是：

　　(1) WiFi模塊數(shù)據(jù)包發(fā)送任務。首先判斷WiFi模塊數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功，然后再根據(jù)其他任務傳遞過來的信息打包成一個42 B的數(shù)據(jù)包，等待模塊發(fā)送完成。如果數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，那么就進入重新連接服務器的狀態(tài)。

　　(2) 溫濕度傳感器檢測任務。它不停地掃描判斷溫濕度傳感器是否讀取數(shù)據(jù)成功，然后更新數(shù)據(jù)傳遞給WiFi模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

　　(3) RC522讀卡任務。循環(huán)掃描讀卡器是否尋卡成功，如果有卡片進入刷卡區(qū)，那么讀取卡片ID號，匹配卡片序號，更新數(shù)據(jù)傳遞給WiFi模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

　　(4) A/D轉(zhuǎn)換任務。循環(huán)采集各通道A/D值，把數(shù)據(jù)更新。

　　3.2 PID速度控制算法

　　3.3 濾波子程序

　　在A/D數(shù)據(jù)采集中，模擬信號很不穩(wěn)定，高頻信號很多，因此結(jié)合均值濾波和一階低通濾波器把高頻信號過濾掉，那么得到的結(jié)果就比較穩(wěn)定了。

　　3.4 WiFi通信軟件設計

　　3.5 監(jiān)控界面的開發(fā)

　　本文利用易語言開發(fā)平臺設計了集裝箱裝卸橋監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面。開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)首先需要對界面進行布局設計，然后再根據(jù)界面所需要的功能進行代碼編寫。根據(jù)集裝箱裝卸橋監(jiān)控系統(tǒng)的需求，本文設計了上位機監(jiān)控的主界面和數(shù)據(jù)庫記錄界面，如圖8所示。

　　上位機監(jiān)控主界面如圖8(a)所示。WiFi模塊成功連接服務器之后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)到服務器上。服務器主界面上的標題欄顯示內(nèi)網(wǎng)IP地址、溫濕度值、小車當前位置、起升機構(gòu)高度，還有各機構(gòu)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)庫界面如圖8(b)所示，它主要記錄集裝箱的數(shù)量、到達時間等信息。

　　4 基于無線局域網(wǎng)港口集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系統(tǒng)測試

　　為了驗證系統(tǒng)的可行性，本文通過硬件模擬系統(tǒng)的搭建和軟件系統(tǒng)的編程，構(gòu)建了一個基于無線局域網(wǎng)港口集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系統(tǒng)。

　　當系統(tǒng)上電時，向下?lián)軇娱_發(fā)板上的搖桿按鍵，單片機就會給WiFi模塊發(fā)送AT配置指令。如果WiFi連接局域網(wǎng)成功，液晶顯示屏則顯示“AT……OK…”，否則顯示“ERROR…WiFi CO”，說明WiFi模塊沒有成功連接到局域網(wǎng)。

　　WiFi配置完成以后，便可以登錄到服務器上進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。此時監(jiān)控系統(tǒng)的主界面各參數(shù)框開始顯示單片機采集回來的數(shù)據(jù)，如圖9所示，它反映了單擊操控按鈕之后控制小車的移動所產(chǎn)生的運行參數(shù)的變化。

　　當小車移動到7的位置時，開始控制起升機構(gòu)降落到模擬集裝箱上方，其運動過程中的各項參數(shù)如圖10所示。

　　此時，如果起升機構(gòu)降落在集裝箱的上空位置不理想時，可以移動一下大車機構(gòu)，但是只需要移動一點位置就可以了，監(jiān)控數(shù)據(jù)如圖11所示。

　　從圖9～圖11可以看出，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r地反映集裝箱裝卸橋的運行狀態(tài)參數(shù)。管理人員可以通過觀察裝卸橋電機的電壓、電流和轉(zhuǎn)速等狀態(tài)參數(shù)及時地發(fā)現(xiàn)和預告其出現(xiàn)的運行故障[6]。比如電壓、電流都很大，但是轉(zhuǎn)速為零，則可判定當前電機為堵轉(zhuǎn)。

　　進入數(shù)據(jù)庫記錄界面，可以看到如圖12所示的內(nèi)容。它包含集裝箱的來源地、種類、數(shù)量和到達時間等信息，相當于是裝卸橋作業(yè)集裝箱的歷史記錄一樣。

　　5 結(jié) 論

　　針對裝卸橋運行參數(shù)的檢測問題，本文提出一種基于無線局域網(wǎng)集裝箱裝卸橋的監(jiān)控系統(tǒng)。為了驗證系統(tǒng)的可行性，通過對裝卸橋模型進行模擬測試，完成了在線數(shù)據(jù)的獲取、監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫記錄等功能。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠較好地監(jiān)測集裝箱裝卸橋運行時的狀態(tài)信息，為集裝箱裝卸橋運行狀態(tài)的檢測和故障診斷提供了一個有效的解決方案。

　　參考文獻：

　　[1] 彭傳圣.提高集裝箱碼頭作業(yè)效率的措施[J].港口裝卸，2001(4)：21?25.

　　[2] 徐承軍.基于無線局域網(wǎng)的集裝箱碼頭機械調(diào)度系統(tǒng)的仿真、優(yōu)化與監(jiān)控[D].武漢：武漢理工大學，2007.

　　[3] 魏欣，林葉春，鮑敏中.基于InTouch平臺集裝箱裝卸橋監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)[J].工業(yè)控制計算機，2004(3)：32?33.

　　[4] 顧海紅.港口輸送機械與集裝箱機械[M].北京：人民交通出版社，2010.

　　[5] 曾磊，張海峰，侯維巖.基于WiFi的無線測控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電測與儀表，2011，48(7)：81?83.

　　[6] 徐敏.設備故障診斷手冊：機械設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷[M].西安：西安交通大學出版社，1998.

　　[7] 田緒業(yè)，丁耀貴，郭常委，等.集裝箱碼頭岸邊無人智能生產(chǎn)系統(tǒng)[J].港口科技，2016(4)：42?45

　　相關(guān)閱讀：無線局域網(wǎng)實現(xiàn)遠程終端控制及應用技術(shù)探究

　　隨著無線局域網(wǎng)的遍及，如今不管是家居日子仍是校園平時教育，各行各業(yè)都因而取得極大的便利�？萍紴榇蠹�?guī)�來方便高效的日子，根�?jù)科技改變生活的理念，本文將剖析根據(jù)無線局域網(wǎng)實現(xiàn)遠程終端控制與運用，首要包含有關(guān)技能剖析以及運用場景的介紹。