学生姓名：谢潼

班   级：交控2019-04班

指导教师：雷智翔

毕设题目：基于卫星定位的机械租赁设备位置与工作状态监测系统设计

一、概况

1.选题意义

目前机械设备租赁行业已成为施工领域一个主要的辅助行业，但是我国的机械设备租赁行业目前还存在很多问题，比如缺乏统一标准、很多企业未进行设备的信息化升级、合同不规范等。由于在机械设备租赁方面缺乏健全的信用体系，违约成本较低，故承租方拖欠租金的情况仍然经常发生。该选题将通过技术层面设计一个远程监控系统，设计一个合适的方案，以尽量减少租金拖欠情况的发生。该系统同时还需要能够进行设备位置定位信息和工作时长及状态数据的实时远程监控。

通过获取设备的实时定位信息，并在监控终端设置一定的位置范围，当设备位置发生异动，超出范围时及时报警，并能够通过定位找回设备，以最大限度降低出租方设备丢失情况的发生，减少损失。

机械设备的租金受每天工作时长影响，不满合同中约定的时长则月租不变，若超时则需要加收超时费，故出租方需要能够远程掌握每一台租赁设备的开关机时间，以此来判断设备的工作时长。同时，设备长时间超负荷工作会导致发动机等重要部件的零件迅速老化，发生机械疲劳状态，降低设备的工作效率、减少剩余寿命，掌握时间也能让出租方可以及时提醒承租方暂停施工并合理安排人员进行设备维护。

由于拖欠租金的情况时有发生，且我国机械设备租赁行业中中小型企业占多数，租金的拖欠极易造成出租方资金运转困难，通过让出租方能够远程控制设备停车的方式，若承租方不按时缴纳租金，出租方可以让设备无法使用，收到租金后再远程解锁，以此减少拖欠租金情况的发生。

机械设备常工作于环境恶劣的地方，工作过程中所受振动和冲击强烈，故设备在使用过程中的损耗较大，设备的构造较复杂也导致其出现故障后的维修较困难，出租方的维修成本和材料成本也随之提高。若出租方能够远程监控机械设备，则可以实时了解机械设备的工作情况。设备整体温度升高，容易导致零配件受热变形，降低设备的稳定性，严重影响机械设备的使用寿命，甚至导致整台设备报废，齿轮等重要配件出现故障时，可能导致设备出现异常的大幅度振动，并出现较大噪声，设备操作人员长期工作在较大噪声的环境中会造成听力和身体的损伤，通过对设备的油温、振动、噪声等数据进行监测和分析，可以实时监测机械设备的运行状态是否正常。在运行状态出现问题或有出现问题的趋势时，出租方可以派遣工作人员前往，对设备出现的问题进行及时的处理，进行故障零件的检查和更换等等，这能够减少维修费用，保护出租方的利益，能够减少承租方因设备故障而导致的设备停机时间与停机损失，也可以避免因部分零件出现故障而导致整个设备故障，从而对生产造成重大损失。

2.任务分解

1.查阅资料，完成结构设计

通过查阅大量资料和已发表论文等，了解该选题的背景及意义，了解远程监控系统在机械设备租赁行业的普及度，了解设备租赁企业的需求，学习国内外机械设备租赁行业存在的设备管理问题的解决方案，分析系统功能，根据功能进行系统结构的总体设计。

2.学习原理，选定技术路线

为了实现监测机械租赁设备位置的功能，需要在设备上安装卫星定位模块。通过查阅资料等方式，学习定位模块的原理、选择最适合用在机械设备上的模块。学习各种远程通信方式和协议，根据该系统的特点进行选择。制定如何将卫星定位模块获取的信息远程传输到监控中心，并通过显示屏进行显示的方案。为了获得机械设备的实时工作状态，获取设备工作时间，需要了解设备的工作特点和共同点，并根据此来设计最适用的工作时长获取方式，获取的时间和状态信息也需要通过无线传输的方式告知监控端，同时也需要设计一个可以远程控制设备工作时长的方式，故该无线传输方案需能够进行双向通信。在监控端能够对收集到的数据进行部分处理，当数据超过设定的范围时，如设备位置超过规定范围或工作状态数据出现异常，监控中心或手机端应该及时报警。

3.完善系统，完成软硬件设计

将选定的模块和通信协议等设计成一个完整的系统，包括安装在机械租赁设备上的远程监控端的软硬件设计、监控中心的软件设计、卫星定位终端与监控中心的通信方式设计、能够远程控制设备紧急停车的装置设计、根据该系统的需求及需要监测的数据类型学习并完成电脑界面或手机端APP的设计和制作。

4.制作实物，完成验证实验

购买卫星定位装置、无线通信模块等等元器件，按照系统设计制作出实物，调试程序，对机械设备工作过程中位置信息和部分数据进行采集，并上传至手机端APP，实验是否能实现实时定位功能、获取工作时间功能、实时查看工作状态功能、是否能够及时报警、是否能远程紧急停车等功能。

5.撰写论文，准备毕设答辩

总结梳理整个设计期间的内容，完成论文的撰写，制作PPT，准备毕设答辩。

二、已完成工作

1.总体结构的设计

利用GPS和各传感器实现对模拟设备的相应参数的测量，将数据发送给单片机，由单片机对数据进行相应的处理，单片机通过控制无线通信模块实现与服务器的连接，服务器与监控终端实现双向通信，监控终端除显示采集到的各个信息外，也能进行远程控制，当发出停车指令时，单片机接受到指令，通过控制继电器来实现实现远程停车控制。

2.硬件购置

该系统的设计是为了监控出租设备的位置和工作状态，监控设备的实时位置信息以防盗，监控工作时长是为了计算租金，远程控制停车是为了防止承租方拖欠租金情况的发生，故该系统需在承租方未知的情况下隐藏在车内，若采用电池供电，当电池没电后，监控中心无法获取该设备信息，就无法实现远程监控，且电池的更换需等到承租方归还设备后再进行，极容易出现设备失去监控情况的发生，为了避免该系统失去作用，本系统设计将车辆蓄电池作为其主供电电源，并搭配一个小型蓄电池作为备用电源，当由车辆蓄电池供电时，也能给备用电源进行充电。但为防止因该系统耗电较多导致车辆蓄电池电量耗尽从而无法启动发动机，该系统的所有模块在选择时都需要考虑到低功耗的要求。

单片机方面选择ESP32，如图1所示，该模块有超低功耗、高度集成、性能稳定的优点，该模块有丰富的IO口，且其计算量大，计算能力强，可以实现较多参数的采集与数据处理和传输。作为一款物联网专用芯片，该模块启动速度、稳定性和耐用程度都高于很多其他单片机芯片，且更适合用于远程传输领域，随着物联网行业的发展，ESP32芯片目前的成本也已经大大降低，对比其他常见单片机芯片，ESP32在本系统设计中的性价比最高。

图1 ESP芯片

无线传输模块选择移远的BC20模块，如图2所示，BC20兼容了GSM/GPRS/GNSS系列的MC20模块，是一款物联网专用芯片，芯片集成了NB-IOT和GNSS于一体，既能实现远程传输，又能实现定位，且其具有低功耗、小体积的优点，为该系统的设计提供了支持，相比于曾经在机械租赁行业中最常用的GPRS+GPS模块的设计，该芯片能够大大减小系统的体积，使该系统能够更好隐藏在车内，同时，作为物联网专用模块，BC20支持4G传输，相比于GPRS处于2G到3G之间，其传输速度更快、效率更高。将GNSS内嵌于模块中，提高了整个系统的集成度，降低了系统故障的几率，GNSS是北斗和GPS共同定位，能够很好的提高定位的精准度。

图2 BC20芯片

传感器方面，本系统选择检测震动、温度、噪音、转速的四个传感器，其中检测震动的传感器选择的是SW-18010P，如图3所示，其具有较高灵敏度的优点，可通过调节电位器来调节传感器的灵敏度。温度传感器选择的是DS18B20传感器，如图4所示，该传感器能够同时使用多个达到多点测温的目的，且其测温范围很广。噪音传感器选择的是LM2904，如图5所示，该传感器能输出模拟量，根据检测到的声音大小的不同输出不同大小的数值，通过编程实现数值的转化，即可测出相应环境分贝的大小。测量转速使用的是一个槽型光耦传感器，如图6所示，当槽中无遮挡时，光路导通，输出低电平，当槽中有遮挡时，光路被隔断，输出高电平，使用上升沿触发的中断函数来进行计数，即可实现当槽中有遮挡时计数加一，通过计算一定的时间内槽中通过的齿数，除以信号轮一圈的齿数就可以得出一定时间内转动的圈数，从而得出转速。

图3 SW-18010P

图4 DS18B20

图5 LM2904

图6 槽型光耦传感器

继电器选择一个光耦继电器，如图7所示，光耦继电器相比于普通继电器，没有机械接触，故使用寿命更长，同时，还具有响应速度更快，传输效率更高，无振动、低电流、可控制各种负载等优点，且成本低，体积小，适合用在本系统中。

图7 双路光耦继电器

3.技术方案

目前已实现部分的技术方案为设备终端的软硬件设计，首先是定位信息的获取，由于选择了BC20模块，其内嵌GNSS系统，具有较高精度定位的功能，通过单片机连接上BC20，向其发送相应AT指令即可读出位置信息，在本系统中，主要读出的是时间、经度、纬度、海拔高度等信息。工作时间监测方面是通过转速传感器检测发动机的转速进行，在监控中心进行计时，当转速从0开始变化时开始计时，直到转速重新变为0结束，以此作为设备工作时长。工作状态监测是温度、振动和噪音三种数据的监测。由于轴承受温度影响较大，在高温环境下工作会使轴承的使用寿命大大下降，故本设计将温度传感器安装在轴承箱内，监测轴承箱内的环境温度，当温度过高时，监控中心报警；振动传感器安装在齿轮箱上，当齿轮出现磨损等故障时，齿轮箱的震动会变大，调节振动传感器的电位器，使齿轮箱出现较大震动时报警，在监控终端出现警示信息；设备常工作于恶劣环境中，使用过程中的噪音会较大，而操作人员长时间工作在声音分贝较大的环境下会造成听力、心理等身体损害，故当环境分贝过大时，要及时检查是否是由于设备出现故障引起的大噪音，及时排查故障，并能够更好的帮助企业安排操作人员的工作时间。控制停车方案是通过一个继电器来实现，由于发动机需要喷油泵不断向缸内或进气道供油，为了控制停车，可以通过控制切断供油线路的方式来进行，本系统设计在喷油泵供油的管路上安装一个电磁阀，该电磁阀能够受到继电器的控制，通过控制继电器触点的闭合和断开，可以控制阀门的开闭，从而实现能够远程控制停车或远程锁车的目的。

4.终端调试

为了实现设备终端的调试，本系统调试阶段利用一个智能小车来进行模拟。由于车辆发动机都有曲轴，曲轴上会安装一个信号轮，信号轮有很多作用，能够检测发动机的曲轴转速和转角，确定曲轴的位置，将检测到的结果传递给ECU，控制发动机燃油喷射和点火时机，信号轮一般有58或60个齿，在本实验中，为了实验方便，通过solidworks建立一个简易的信号轮模型，只有12个齿，并通过3D打印技术打印出来，如图8所示，用智能小车的马达输出轴来模拟曲轴，用于提供转速，将简易信号轮安装在马达输出轴上，如图9所示，通过传感器测量该信号轮的转速即可得到轴的转速。

图8 简易信号轮模型

图9 转速测量实验图

图10 设备终端系统接线图

图11 中期答辩视频

整个远程设备终端的接线图如图10所示，将震动、温度、转速检测模块连接在扩展板的数字输入IO口上，将分贝检测模块连接在扩展板的模拟输入IO口上，将另一个数字输出IO口连接到继电器的信号输入口，利用一个LED灯来模拟控制喷油泵的电磁阀的开闭，将继电器的触点串联到LED灯的供电线路上。

打开arduino的串口监视器可以得到串口打印的实时信息，如图11所示，其中温度、转速、分贝和位置信息是实时打印的，位置信息包括当前的格林尼治标准时间（与北京时间相差8个小时）、经度、纬度、海拔高度和设备在获取定位信息期间的移动速度，经过与手机上测量分贝的APP测出的结果对比发现分贝测量误差有±2dB的误差，与手机指南针获得的经纬度信息及海拔信息对比发现误差很小，温度测量数据与天气显示温度也相同，可看出该系统的测量精度较为精准。

当设备发生较大震动时，即出现异常震动时，震动传感器电平会发生变化，同时，串口打印界面会出现一句警告信息，如图12中的“Warning ! Abnormal vibration !”。当串口输入相应的控制指令来控制继电器触点的开闭时，串口也会打印出相应的提示信息，如图13和图14所示，同时，用于模拟油泵阀门开闭的LED灯也会出现相应的变化，当串口打印“Turn on the oil pump!”，LED灯亮，当串口打印“Shut down the oil pump!”，LED灯灭。

图12 串口打印界面

图13 打开油泵串口信息

图14 关闭油泵串口信息

三、下一步工作计划

1.继续查找资料，不断进行通信方面的调试，尽快找到BC20无法识别到SIM卡的原因，更换移动或电信的物联网卡进行实验，或向相关人员咨询，若仍然无法解决该问题，我将进一步完善通过ESP32的内置WIFI模块进行数据无线传输的程序和服务器设置，并考虑若使用WIFI传输，在实际生产应用中应该如何实现WIFI连接，以及如何保证施工现场有WIFI信号。

2.学习Labview程序界面的编写，制作电脑端监控中心的界面，实现对设备采集数据的实时监测，通过图表化的形式将数据显示出来，并能对信息进行一定的处理，比如当转速大于0时开始计时，转速变为0时结束计时，当噪音分贝长时间超过规定值时，发出提示信息等等，并且能够通过监控终端发出控制信息，远程发出指令控制单片机实现对继电器的控制进而实现远程控制停车。

3.制作手机APP或小程序，实现手机端也能监控设备信息的功能。

4.加快论文撰写的进度，为最后的毕设答辩做准备。

问题一：检测噪音的出发点是什么？

回答：操作人员长期工作在恶劣的环境下，当声音达到85分贝以上就会损伤听力系统和神经系统，检测分贝一是可以得知操作人员所在环境的噪音大小，通过监控中心可以进行监测，当噪音过大时，及时提醒相应操作员进行换班，二是可以一定程度上监测设备是否出现故障，当设备内部零件出现故障，很可能出现较大的噪声，当超过一定分贝值时也可以提醒承租方检查设备是否出现故障。

问题二：声音检测传感器是怎么实现分贝检测的？

回答：声音传感器将声音强度值转化为电信号，比较器将其放大后，按照采样定理对其进行采样，实现AD转换，根据不同的声音大小，传感器会输出不同大小的数值，在程序中通过map函数进行等比例放大，对照手机同步检测到的分贝大小进行调节，实现传感器的分贝检测功能。

问题三：后续打算如何实现信息的传输？

回答：目前暂定是用BC20和SIM卡利用4G信号进行数据传输，但目前还未调试成功，因SIM卡还没有连接上BC20模块，但已尝试通过ESP32内置的WIFI模块通过MQTT协议进行无线通信，将采集到的数据传输到云平台，若后续仍无法使用4G信号来传输，我将进一步完善WIFI传输的方案，并考虑到该设备终端的运行环境，完善系统的设计。

本次毕业设计让我收获很多，由于该选题涉及到的技术方面在日常生活中虽处处可见，但并未系统学习过，也没有实际运用过，在刚开始阶段遇到了很多问题，在此也非常感谢雷老师的不吝赐教，让我找到了该设计进行的方向。到目前为止，该系统已完成超过一半的设计，在这段时间里，我学习到了很多知识，了解了自己的研究内容，学习了传感器的使用，学习了编程语言，对物联网有了进一步的了解，也学习了MQTT协议和云平台的使用，这为我今后的学习、工作和生活均积累了不少知识。在准备中期检查期间，我对于自己的毕业设计进度有了更清晰的认识，将目前遇到的问题列举出来，更方便我今后完善系统时进行修改，这对我接下来的时间安排有很大的帮助。在答辩过程中，雷老师、漆老师和赵老师对我的本次毕业设计从方案、进度、完成情况以及技术方面进行询问和点评，并对我目前存在的问题提出建议，为我下一步的工作安排提供了更明确的方向，为最终的毕业设计打下坚实的基础，故再此我也想再次感谢三位老师对我的帮助，在接下里的一个多月里，我将继续按照计划完成我的毕业设计，尽快完成整个系统的设计并进行最终论文的撰写。