基于无线局域网港口集装箱装卸桥的监控系统设计
张晓培+覃万晴+黄宜军
摘 要： 针对集装箱装卸桥中的小车位置、起升高度、电机转速等运行状态参数的监测问题，设计一种基于WiFi无线通信的港口集装箱装卸桥的监控系统。系统以WiFi无线通信技术为传输手段，把下位机采集到的装卸桥的运行参数数据发送给上位机，并在以易语言作为开发平台的监控界面上实时显示。最后，对该系统进行模拟测验，实验结果表明，该系统能对港口集装箱装卸桥各运行参数进行有效的监控。
关键词： ESP8266； 易语言； 无线局域网； 装卸桥
中图分类号： TN948.4?34； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）23?0018?05
Abstract： Aiming at the monitoring of the operating status parameters such as car location， lifting height and motor speed in container loading bridge， a monitoring system based on WiFi wireless communication was designed for the port′s container loading bridge. The loading bridge′s operating parameter data acquired by the slave computer in the system is transmitted to the host computer by means of WiFi wireless communication technology， and displayed on the monitoring interface taking easy language as the development platform. The simulation experiment was carried on for the container loading bridge monitoring system. The simulation results show that the system can monitor each operating parameter of the port′s container loading bridge effectively.
Keywords： ESP8266； easy language； wireless local area network； loading bridge
随着港口集装箱运输业务的发展，码头装卸机械的有效利用在提高码头生产作业效率中起着至关重要的作用。装卸桥作为码头集装箱装卸作业中的关键装卸机械设备，它的各个机构的运行状态和故障状态是设备管理人员关注的重点，也是影响设备生产效率的关键。因此，对集装箱装卸桥的监测成为研究的热点之一[1?3]。集装箱装卸桥主要包括起升机构、小车行走机构、大车行走机构和俯仰机构四大机构[4]。由于俯仰机构只在作业开始时和停机时才工作，使用频率较低，所以本文根据集装箱装卸桥的实际运行情况，采用无线WiFi技术和监控软件对集装箱装卸桥的大车机构、小车机构和起升机构的主要运行状态和环境参数进行监控系统的研究和设计。
1 港口集装箱装卸桥的监控系统总体设计
根据自动化集装箱码头监控系统的功能要求，该系统主要由数据采集、无线通信和监控管理三大部分组成。集装箱装卸桥的各项监控采用STM32F407ZGT6作为主控芯片，检测和控制装卸桥所需动力的各个电机的速度、电压和电流。同时利用温湿度传感器检测当前装卸桥的工作环境。利用MFRC522读卡器读取回小车在装卸桥的位置。将以上的数据打包成一个数据包，通过串口发送给WiFi模块。经由路由器的局域网，通过正确的配置，把数据包发送给服务器，然后在服务器界面显示出来当前整个装卸桥的运行状态和工作环境。系统总体框图如图1所示。
2 系统硬件设计
由于集装箱装卸桥价格昂贵，港口设备资源紧缺等原因，很难用实机来验证该设计系统的可行性，因此本文设计了一个集装箱装卸桥的模拟实验模型。该实验模型主要由机械部分和电控部分组成。下面主要对电控部分进行详细的分析。
2.1 控制器的选择
采用STM32F407ZGT6作为集装箱装卸桥监测系统的主控芯片，它不仅检测装卸桥三大机构的运行参数和运行环境参数，同时还可控制装卸桥所需动力的各个电机的速度。
2.2 各机构动力源设计
通过对大、小车和起升机构的运行驱动装置的分析，本文根据模拟仿真的功能需求，选用自带编码器的减速电机——GM25?370双通道霍尔编码器减速电机，各大机构直流电机的转速可以通过编码器检测出来。由于单片机I/O的驱动能力的限制，电机與单片机之间还需要电机驱动模块，因此，在本设计中用到以L298N芯片为核心的驱动模块。其接线如图2所示。
2.3 电机电压、电流的检测
在电机运行的过程中，产生的电压、电流和转速这三个变量的大小值可以间接地反映电机的运行是否出现故障。所以本文采用电压、电流检测模块对电机的电压和电流进行检测。
2.4 小车位置定位设计
在装卸桥工作的过程中，对小车位置的监控很重要，本文利用读卡器读卡的方式对小车进行定位。采用的读卡器模块为MFRC522，该模块利用SPI通信接口与单片机通信。单片机循环查询读卡器是否读取到卡片，并接收读卡器返回当前读取到的卡片ID号，再进行存储，然后与单片机内部预先保存的卡片ID号进行匹配，如果匹配成功，就返回当前数组的下标，以此知道当前哪张卡片被读取，也就知道当前小车的位置在哪里了。读卡器模块与单片机的连接如图3所示。
2.5 起升机构的起升高度检测
对于集装箱装卸桥起升机构的起升高度，本文采用超声波模块来检测。测量的距离以串口的形式发送回来，50 ms发送一次数据给本系统的主控单片机。
2.6 装卸桥温湿度变量的检测
在装卸桥的工作环境中，过高的温度或者湿度都会直接影响到电机的使用寿命，因此，检测装卸桥工作环境中的温湿度具有一定的必要性。在本设计中，利用DHT11数字温湿度传感器完成对装卸桥工作环境的监测，它与单片机的接线如图5所示。
2.7 无线通信设计
无线WiFi传输模块担任着数据传输作用，是该监控系统的关键，数据通道传输的优劣直接影响到监控质量[5]。本文采用以ESP8266为控制核心的WiFi模块搭建无线通信网络。模块的设置是通过串口进行AT指令设置的。此WiFi模块与开发板的串口5相连接，如图6所示，其传输波特率为115 200 b/s。
2.8 WiFi模块指示灯和按键电路设计
在本文中，与WiFi模块工作状态有关的还有2个LED灯和1个按键。LED0的作用是提示当前WiFi模块数据发送是否正常。如果数据发送成功，则LED0间隔0.5 s闪烁。LED1的作用是提示WiFi模块是否连接上服务器。如果WiFi模块与服务器断开连接，则LED1闪烁50 ms。开发板的按键设计是一个摇杆按键，当WiFi模块没有连接上路由器时，必须要向下摇摇杆按键持续1 s，WiFi模块便自动连接上预先设定好的WiFi网络。
2.9 TFTLCD液晶显示屏
设置WiFi模块时，通过串口返回一定的响应字符串，为了能够实时查看响应字符串的内容，本系统使用一个2.8寸的TFT液晶显示屏。通过响应字符串的不同来判定WiFi模块是否设置成功。
3 系统软件设计
3.1 下位机数据采集和数据发送软件设计
下位机数据采集和数据发送是由μCOS Ⅱ操作系统完成的，它的流程图如图7所示。
该操作系统主要完成四项任务，分别是：
（1） WiFi模块数据包发送任务。首先判断WiFi模块数据发送是否成功，然后再根据其他任务传递过来的信息打包成一个42 B的数据包，等待模块发送完成。如果数据发送不成功，那么就进入重新连接服务器的状态。
（2） 温湿度传感器检测任务。它不停地扫描判断温湿度传感器是否读取数据成功，然后更新数据传递给WiFi模块进行数据发送。
（3） RC522读卡任务。循环扫描读卡器是否寻卡成功，如果有卡片进入刷卡区，那么读取卡片ID号，匹配卡片序号，更新数据传递给WiFi模块进行数据发送。
（4） A/D转换任务。循环采集各通道A/D值，把数据更新。
3.2 PID速度控制算法
3.3 滤波子程序
在A/D数据采集中，模拟信号很不稳定，高频信号很多，因此结合均值滤波和一阶低通滤波器把高频信号过滤掉，那么得到的结果就比较稳定了。
3.4 WiFi通信软件设计
3.5 监控界面的开发
本文利用易语言开发平台设计了集装箱装卸桥监控系统的监控界面。开发监控系统首先需要对界面进行布局设计，然后再根据界面所需要的功能进行代码编写。根据集装箱装卸桥监控系统的需求，本文设计了上位机监控的主界面和数据库记录界面，如图8所示。
上位机监控主界面如图8（a）所示。WiFi模块成功连接服务器之后，开始发送数据到服务器上。服务器主界面上的标题栏显示内网IP地址、温湿度值、小车当前位置、起升机构高度，还有各机构的电流、电压和转速。数据库界面如图8（b）所示，它主要记录集装箱的数量、到达时间等信息。
4 基于无线局域网港口集装箱装卸桥的监控系
统测试
为了验证系统的可行性，本文通过硬件模拟系统的搭建和软件系统的编程，构建了一个基于无线局域网港口集装箱装卸桥的监控系统。
当系统上电时，向下拨动开发板上的摇杆按键，单片机就会给WiFi模块发送AT配置指令。如果WiFi连接局域网成功，液晶显示屏则显示“AT……OK…”，否则显示“ERROR…WiFi CO”，说明WiFi模块没有成功连接到局域网。
WiFi配置完成以后，便可以登录到服务器上进行数据的发送。此时监控系统的主界面各参数框开始显示单片机采集回来的数据，如图9所示，它反映了单击操控按钮之后控制小车的移动所产生的运行参数的变化。
当小車移动到7的位置时，开始控制起升机构降落到模拟集装箱上方，其运动过程中的各项参数如图10所示。
此时，如果起升机构降落在集装箱的上空位置不理想时，可以移动一下大车机构，但是只需要移动一点位置就可以了，监控数据如图11所示。
从图9～图11可以看出，该监控系统能够实时地反映集装箱装卸桥的运行状态参数。管理人员可以通过观察装卸桥电机的电压、电流和转速等状态参数及时地发现和预告其出现的运行故障[6]。比如电压、电流都很大，但是转速为零，则可判定当前电机为堵转。
进入数据库记录界面，可以看到如图12所示的内容。它包含集装箱的来源地、种类、数量和到达时间等信息，相当于是装卸桥作业集装箱的历史记录一样。
5 结 论
针对装卸桥运行参数的检测问题，本文提出一种基于无线局域网集装箱装卸桥的监控系统。为了验证系统的可行性，通过对装卸桥模型进行模拟测试，完成了在线数据的获取、监控和数据库记录等功能。试验结果表明，该系统能够较好地监测集装箱装卸桥运行时的状态信息，为集装箱装卸桥运行状态的检测和故障诊断提供了一个有效的解决方案。
参考文献
[1] 彭传圣.提高集装箱码头作业效率的措施[J].港口装卸，2001（4）：21?25.
[2] 徐承军.基于无线局域网的集装箱码头机械调度系统的仿真、优化与监控[D].武汉：武汉理工大学，2007.
[3] 魏欣，林叶春，鲍敏中.基于InTouch平台集装箱装卸桥监控系统的开发[J].工业控制计算机，2004（3）：32?33.
[4] 顾海红.港口输送机械与集装箱机械[M].北京：人民交通出版社，2010.
[5] 曾磊，张海峰，侯维岩.基于WiFi的无线测控系统设计与实现[J].电测与仪表，2011，48（7）：81?83.
[6] 徐敏.设备故障诊断手册：机械设备状态监测和故障诊断[M].西安：西安交通大学出版社，1998.
[7] 田绪业，丁耀贵，郭常委，等.集装箱码头岸边无人智能生产系统[J].港口科技，2016（4）：42?45.
摘 要： 针对集装箱装卸桥中的小车位置、起升高度、电机转速等运行状态参数的监测问题，设计一种基于WiFi无线通信的港口集装箱装卸桥的监控系统。系统以WiFi无线通信技术为传输手段，把下位机采集到的装卸桥的运行参数数据发送给上位机，并在以易语言作为开发平台的监控界面上实时显示。最后，对该系统进行模拟测验，实验结果表明，该系统能对港口集装箱装卸桥各运行参数进行有效的监控。
关键词： ESP8266； 易语言； 无线局域网； 装卸桥
中图分类号： TN948.4?34； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）23?0018?05
Abstract： Aiming at the monitoring of the operating status parameters such as car location， lifting height and motor speed in container loading bridge， a monitoring system based on WiFi wireless communication was designed for the port′s container loading bridge. The loading bridge′s operating parameter data acquired by the slave computer in the system is transmitted to the host computer by means of WiFi wireless communication technology， and displayed on the monitoring interface taking easy language as the development platform. The simulation experiment was carried on for the container loading bridge monitoring system. The simulation results show that the system can monitor each operating parameter of the port′s container loading bridge effectively.
Keywords： ESP8266； easy language； wireless local area network； loading bridge
随着港口集装箱运输业务的发展，码头装卸机械的有效利用在提高码头生产作业效率中起着至关重要的作用。装卸桥作为码头集装箱装卸作业中的关键装卸机械设备，它的各个机构的运行状态和故障状态是设备管理人员关注的重点，也是影响设备生产效率的关键。因此，对集装箱装卸桥的监测成为研究的热点之一[1?3]。集装箱装卸桥主要包括起升机构、小车行走机构、大车行走机构和俯仰机构四大机构[4]。由于俯仰机构只在作业开始时和停机时才工作，使用频率较低，所以本文根据集装箱装卸桥的实际运行情况，采用无线WiFi技术和监控软件对集装箱装卸桥的大车机构、小车机构和起升机构的主要运行状态和环境参数进行监控系统的研究和设计。
1 港口集装箱装卸桥的监控系统总体设计
根据自动化集装箱码头监控系统的功能要求，该系统主要由数据采集、无线通信和监控管理三大部分组成。集装箱装卸桥的各项监控采用STM32F407ZGT6作为主控芯片，检测和控制装卸桥所需动力的各个电机的速度、电压和电流。同时利用温湿度传感器检测当前装卸桥的工作环境。利用MFRC522读卡器读取回小车在装卸桥的位置。将以上的数据打包成一个数据包，通过串口发送给WiFi模块。经由路由器的局域网，通过正确的配置，把数据包发送给服务器，然后在服务器界面显示出来当前整个装卸桥的运行状态和工作环境。系统总体框图如图1所示。
2 系统硬件设计
由于集装箱装卸桥价格昂贵，港口设备资源紧缺等原因，很难用实机来验证该设计系统的可行性，因此本文设计了一个集装箱装卸桥的模拟实验模型。该实验模型主要由机械部分和电控部分组成。下面主要对电控部分进行详细的分析。
2.1 控制器的选择
采用STM32F407ZGT6作为集装箱装卸桥监测系统的主控芯片，它不仅检测装卸桥三大机构的运行参数和运行环境参数，同时还可控制装卸桥所需动力的各个电机的速度。
2.2 各机构动力源设计
通过对大、小车和起升机构的运行驱动装置的分析，本文根据模拟仿真的功能需求，选用自带编码器的减速电机——GM25?370双通道霍尔编码器减速电机，各大机构直流电机的转速可以通过编码器检测出来。由于单片机I/O的驱动能力的限制，电机與单片机之间还需要电机驱动模块，因此，在本设计中用到以L298N芯片为核心的驱动模块。其接线如图2所示。
2.3 电机电压、电流的检测
在电机运行的过程中，产生的电压、电流和转速这三个变量的大小值可以间接地反映电机的运行是否出现故障。所以本文采用电压、电流检测模块对电机的电压和电流进行检测。
2.4 小车位置定位设计
在装卸桥工作的过程中，对小车位置的监控很重要，本文利用读卡器读卡的方式对小车进行定位。采用的读卡器模块为MFRC522，该模块利用SPI通信接口与单片机通信。单片机循环查询读卡器是否读取到卡片，并接收读卡器返回当前读取到的卡片ID号，再进行存储，然后与单片机内部预先保存的卡片ID号进行匹配，如果匹配成功，就返回当前数组的下标，以此知道当前哪张卡片被读取，也就知道当前小车的位置在哪里了。读卡器模块与单片机的连接如图3所示。
2.5 起升机构的起升高度检测
对于集装箱装卸桥起升机构的起升高度，本文采用超声波模块来检测。测量的距离以串口的形式发送回来，50 ms发送一次数据给本系统的主控单片机。
2.6 装卸桥温湿度变量的检测
在装卸桥的工作环境中，过高的温度或者湿度都会直接影响到电机的使用寿命，因此，检测装卸桥工作环境中的温湿度具有一定的必要性。在本设计中，利用DHT11数字温湿度传感器完成对装卸桥工作环境的监测，它与单片机的接线如图5所示。
2.7 无线通信设计
无线WiFi传输模块担任着数据传输作用，是该监控系统的关键，数据通道传输的优劣直接影响到监控质量[5]。本文采用以ESP8266为控制核心的WiFi模块搭建无线通信网络。模块的设置是通过串口进行AT指令设置的。此WiFi模块与开发板的串口5相连接，如图6所示，其传输波特率为115 200 b/s。
2.8 WiFi模块指示灯和按键电路设计
在本文中，与WiFi模块工作状态有关的还有2个LED灯和1个按键。LED0的作用是提示当前WiFi模块数据发送是否正常。如果数据发送成功，则LED0间隔0.5 s闪烁。LED1的作用是提示WiFi模块是否连接上服务器。如果WiFi模块与服务器断开连接，则LED1闪烁50 ms。开发板的按键设计是一个摇杆按键，当WiFi模块没有连接上路由器时，必须要向下摇摇杆按键持续1 s，WiFi模块便自动连接上预先设定好的WiFi网络。
2.9 TFTLCD液晶显示屏
设置WiFi模块时，通过串口返回一定的响应字符串，为了能够实时查看响应字符串的内容，本系统使用一个2.8寸的TFT液晶显示屏。通过响应字符串的不同来判定WiFi模块是否设置成功。
3 系统软件设计
3.1 下位机数据采集和数据发送软件设计
下位机数据采集和数据发送是由μCOS Ⅱ操作系统完成的，它的流程图如图7所示。
该操作系统主要完成四项任务，分别是：
（1） WiFi模块数据包发送任务。首先判断WiFi模块数据发送是否成功，然后再根据其他任务传递过来的信息打包成一个42 B的数据包，等待模块发送完成。如果数据发送不成功，那么就进入重新连接服务器的状态。
（2） 温湿度传感器检测任务。它不停地扫描判断温湿度传感器是否读取数据成功，然后更新数据传递给WiFi模块进行数据发送。
（3） RC522读卡任务。循环扫描读卡器是否寻卡成功，如果有卡片进入刷卡区，那么读取卡片ID号，匹配卡片序号，更新数据传递给WiFi模块进行数据发送。
（4） A/D转换任务。循环采集各通道A/D值，把数据更新。
3.2 PID速度控制算法
3.3 滤波子程序
在A/D数据采集中，模拟信号很不稳定，高频信号很多，因此结合均值滤波和一阶低通滤波器把高频信号过滤掉，那么得到的结果就比较稳定了。
3.4 WiFi通信软件设计
3.5 监控界面的开发
本文利用易语言开发平台设计了集装箱装卸桥监控系统的监控界面。开发监控系统首先需要对界面进行布局设计，然后再根据界面所需要的功能进行代码编写。根据集装箱装卸桥监控系统的需求，本文设计了上位机监控的主界面和数据库记录界面，如图8所示。
上位机监控主界面如图8（a）所示。WiFi模块成功连接服务器之后，开始发送数据到服务器上。服务器主界面上的标题栏显示内网IP地址、温湿度值、小车当前位置、起升机构高度，还有各机构的电流、电压和转速。数据库界面如图8（b）所示，它主要记录集装箱的数量、到达时间等信息。
4 基于无线局域网港口集装箱装卸桥的监控系
统测试
为了验证系统的可行性，本文通过硬件模拟系统的搭建和软件系统的编程，构建了一个基于无线局域网港口集装箱装卸桥的监控系统。
当系统上电时，向下拨动开发板上的摇杆按键，单片机就会给WiFi模块发送AT配置指令。如果WiFi连接局域网成功，液晶显示屏则显示“AT……OK…”，否则显示“ERROR…WiFi CO”，说明WiFi模块没有成功连接到局域网。
WiFi配置完成以后，便可以登录到服务器上进行数据的发送。此时监控系统的主界面各参数框开始显示单片机采集回来的数据，如图9所示，它反映了单击操控按钮之后控制小车的移动所产生的运行参数的变化。
当小車移动到7的位置时，开始控制起升机构降落到模拟集装箱上方，其运动过程中的各项参数如图10所示。
此时，如果起升机构降落在集装箱的上空位置不理想时，可以移动一下大车机构，但是只需要移动一点位置就可以了，监控数据如图11所示。
从图9～图11可以看出，该监控系统能够实时地反映集装箱装卸桥的运行状态参数。管理人员可以通过观察装卸桥电机的电压、电流和转速等状态参数及时地发现和预告其出现的运行故障[6]。比如电压、电流都很大，但是转速为零，则可判定当前电机为堵转。
进入数据库记录界面，可以看到如图12所示的内容。它包含集装箱的来源地、种类、数量和到达时间等信息，相当于是装卸桥作业集装箱的历史记录一样。
5 结 论
针对装卸桥运行参数的检测问题，本文提出一种基于无线局域网集装箱装卸桥的监控系统。为了验证系统的可行性，通过对装卸桥模型进行模拟测试，完成了在线数据的获取、监控和数据库记录等功能。试验结果表明，该系统能够较好地监测集装箱装卸桥运行时的状态信息，为集装箱装卸桥运行状态的检测和故障诊断提供了一个有效的解决方案。
参考文献
[1] 彭传圣.提高集装箱码头作业效率的措施[J].港口装卸，2001（4）：21?25.
[2] 徐承军.基于无线局域网的集装箱码头机械调度系统的仿真、优化与监控[D].武汉：武汉理工大学，2007.
[3] 魏欣，林叶春，鲍敏中.基于InTouch平台集装箱装卸桥监控系统的开发[J].工业控制计算机，2004（3）：32?33.
[4] 顾海红.港口输送机械与集装箱机械[M].北京：人民交通出版社，2010.
[5] 曾磊，张海峰，侯维岩.基于WiFi的无线测控系统设计与实现[J].电测与仪表，2011，48（7）：81?83.
[6] 徐敏.设备故障诊断手册：机械设备状态监测和故障诊断[M].西安：西安交通大学出版社，1998.
[7] 田绪业，丁耀贵，郭常委，等.集装箱码头岸边无人智能生产系统[J].港口科技，2016（4）：42?45.
