摘 要 随着科技的不断发展，物联网技术在港口各个环节的使用迅速增多，使得港口机械设备管理向信息化、智能化和透明供应链方向发展。尤其是其在港口机械设备管理中的应用，使得港口机械设备管理进入由集散控制系统管理方式向以物联网技术为支撑的“物物互联、横向联动、非人参与”的智慧管理转型阶段。基于此，本文就港口机械设备无线管理系统的设计与实现展开讨论。
关键词 港口；机械设备；无线管理系统；设计
1 港口机械设备
1.1 港口机械设备设备的特征
随着科学技术的发展和现代工业生产的要求，新的科学技术成果不断地应用到港口机械设备设备管理中来，这使得对港口重大装卸设备具有以下一些特征：①大型化，现代港口生产的大型化、集中化导致了港口装卸设备的大型化。大型设备可以提高劳动生产率，节约材料和投资，降低生产成本，同时也有利于新技术的推广和应用，适应现代化港口大生产的需要。②高速化，港口装卸设备的大型化使得降低单位生产率的设备体积和提高工作效率成为一个重要课题，高速化则是解决这一问题的重要途径。所谓高速化是指生产速度的提高。③自动化港口生产中，设备的自动化可以大大提高生产效率，减轻劳动强度，达到高产高效低消耗的目的。
1.2 港口机械设备设备的管理
港口机械设备设备随着我国港口建设迅速发展的环境下变得越来越多，在现实生活中，特别是在高度竞争的市场经济条件下，为了提高其经济效益，各个港口就必须不断进行扩大吞吐能力、改善管理条件的改革。机械设备必须要发挥其作为生产力要素的作用，而机械设备的性能及其使用长短又直接受机械设备是否得到合理使用的影响，这又影响到企业获得的利益以及港口的装卸能力，因此，合理正确使用机械设备就成了机械设备进行科學管理的现代管理及其重要的一个方面。①增加设备的使用效率。增加设备的使用强度、增加设备使用的广度、逐渐提高设备使用的合理性。②保证机械设备的完好率。③建立健全合理使用设备的规章制度[1]。
2 无线管理系统的设计原理
港口机械设备设备一般体积庞大，执行机构单元繁杂，若要达到“非人参与”的自动管理标准需要较多的数据采集节点。采用有线方式布线，不仅工程量较大，而且特殊机构还需要增设特殊装置方能完成布线工作。较多的数据采集节点意味着需要占用较多的控制系统接口来接收采集节点数据，额外增加控制系统硬件成本。目前，港口机械设备设备的控制系统承担部分设备运行信息采集任务，但主要集中在电气控制系统的运行状况方面，机械机构的运行状态和安全等级评估需要人工按照管理规范进行，呈现出较大的人为不确定性和周期性。若能采用一套功耗较小且能实现无线布网的方式实现港口机械设备设备自动智能管理，将在实时监测设备运行状态参数、设备安全等级在线评估、历史故障查询、设备维护保养信息下达等设备管理方面带来很大便利[2]。
ZigBee技术是由ZigBee联盟推出的一种基于IEEE802.15.4标准的新型无线通信技术，采用了IEEE802.5.14无线物理层所规定的全部优点，并在其基础上增加了网络层、安全层和应用层，保证了无线传输数据的安全性。基于ZigBee的无线传感网络系统，通常具有成本低、功耗低、低速率、网络容量大、延迟短、可靠性高、安全性高、自组织网络灵活等特点。为了保证港口物流的连续安全运行，需要实时监控港口机械设备的运行状态。相较于数据的传输速率，港口机械设备的远程监控系统对数据采集传输系统的低功耗和高可靠性的特点要求更高。ZigBee无线传感网络可以长时间正常工作而不需更换电池，并能够满足数据传输速率的要求。因此，本文设计了基于ZigBee无线传感网络的远程监测系统，可以保证监控系统数据采集的可靠性，使系统正常运行[3]。
3 无线管理系统的设计与实现
为给设备安全等级在线评估提供数据支撑，无线管理系统须实时监测并采集设备运行状态参数，主要包括机械承力机构的拉压应变参数、制动机构的冲击应变参数和电气控制系统的机械机构的实时动作信号。机械承力机构的拉压力应变数据反映了承力机构的金属结构瞬时应变情况和长期蠕变形变情况，实时数据监测可有效获取由于金属结构达疲劳极限后不可恢复的应变累积数据，为机械设备安全等级在线评估提供重要数据。制动机构冲击应变监测主要关注的是，港口机械设备设备四大执行机构与制动器连接轴及轴承座的瞬时应变幅度、不可恢复应变的累积数据，这部分数据也是设备安全等级在线评估的关键支撑数据。
电气控制系统连接了港口机械设备设备中全部的动作执行传感器，从控制系统中获取传感器的实时数据可反映出当前设备电气控制系统和机械机构间的驱动状态，为故障查询提供了重要历史数据。由此可知，将港口机械设备设备各类传感器信号的无线传输转换为无线管理是网络组建的基础。港口机械设备设备传感器有微模拟信号类、485信号类、MODBUS—RTU信号类和PROFIBUS—DP总线等类型，且品牌众多。本文采用STC15L204EA低功耗处理器及信号转换电路进行转换，并基于NRF2401无线收发进行具体组网。港口机械设备设备内部无线网络覆盖区半径在50m之内，可覆盖一台设备的所有执行机构和操作单元。因此，在考虑功耗设计时将NRF24L01配置为工作信道频率为2.4GHz，收发速率为2Mb/s，发射功率为0dB[4]。
4 无线监控系统的设计与实现
港口机械设备设备的远程监测系统由速度传感器、角度传感器、力矩传感器、倾角传感器采集所需要的监测信息，并设计信号调理模块。数据经过单片机处理后传至ZigBee终端，通过ZigBee路由器发送到ZigBee调理器，经GPRS基站采用TCP/IP协议，将采集到的数据通过Internet网络传输到服务器。系统中的单片机采用了C8051F340，单片机的64KB的片内FLASH存储器和4352字节片内RAM可缓存一定量的传感器数据，保证了数据的完整性。在满足给系统供电的条件下，为减小无线数据传输模块的体积，延长系统的使用寿命，系统的供电模块选择了能量密度高、安全性好、成本低、可充电的锂聚合物电池，可连续工作80h，且更换方便。每台港口机械设备各位置安装的ZigBee模块作为终端，几台港口机械设备构成一个小的集群，由一个ZigBee路由器负责，通过ZigBee协调器将单片机处理过的传感器采集数据发送到服务器，在服务器端进行进一步的处理[5]。
本次设计根据无线传感网络传输的数据，通过服务器端的虚拟场景模块，实时更新港口机械设备设备的位置，直观地监测港口机械设备的工作状况。虚拟场景模块采用DirectX技术，将速度和角度信息作为图形驱动参数，根据现场实况数据快速更新港口的虚拟场景，同步监测港口物流的运行情况。同时，设计专家数据库，存储港口机械设备正常运行的状态参数、故障状态参数、常见故障判定标准，并设定报警阈值，将采集到的港口机械设备的状态参数，与专家数据比较，判定港口机械设备的运行状态；如果出现故障特征，即发出警报，提示维护人员进行维护。
首先，单片机检测传感器是否有数据输入；收到数据后进行A/D转换，将数字信号传给ZigBee模块；ZigBee数据发送模块发送数据，并通过ZigBee数据接收模块接收数据。ZigBee接收模块接收到数据后，通过TCP/IP协议，将数据发送到服务器，服务器通过监听指定的数据接收端口，接收ZigBee模块发送的数据，将接收到的数据按照发送的协议格式进行解析并将其存储到数据库中。同时判断接收的数据是否为图形驱动参数，若是角度和速度参数，则将其传输到虚拟场景模块，实时更新虚拟场景，方便客户端观测港口的运行情况；否则，将力矩参数和倾角参数传输到故障诊断专家系统，根据专家系统的判断，将故障信息发送到客户端。若出现故障，能够实时进行多媒体报警，使操作人员及时发现港口机械设备设备的故障情况[6]。
5 结束语
综上所述，本文首先叙述了港口机械设备设备的特征及港口机械设备设备的管理，继而介绍了港口机械设备设备无线管理系统的设计与实现，该设计达到了降低功耗的效果，提高了港口的运转效率，保证港口物流的安全运行，降低了维护成本，能够保证港口机械设备设备正常、高速运行。
参考文献
[1] 杨震.物联网发展研究[J].南京邮电大学学报，2010，12（2）：1-10.
[2] 于福水.关于港口机械设备使用与维护的心得[J].黑龙江科学，2013，（10）：175.
[3] 高学江.论港口机械的维护管理[J].广东科技，2013，（20）：170-171.
[4] 李正武.浅析港口机械设备的管理与维护[J].科技与企业，2013，（11）：60.
[5] 曾正.港口机械计算机信息化协同技术探究[J].科技创新与应用，2012，（23）：39.
[6] 李勝永，张智华.物联网港口技术中集卡信息采集系统研究[J].中国水运（下半月），2014，（05）：84-85.
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