本发明涉及隧道装备数据采集传输的技术领域，尤其涉及一种盾构机远程数据采集传输装置及方法。
背景技术：
盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。随着国家基础建设的发展，隧道工程也逐步增多，盾构法施工较传统施工工艺有更大优势，在行业内得到了越来越广泛的应用。但是，目前隧道内工况较为复杂，网络环境较差，如何保证盾构机掘进过程所产生的数据能够安全、稳定的传输至公网是几个亟待解决的问题。目前，行业内普遍采用的数据采集传输方法是在主控室工控机上写数据采集传输程序，将数据传输至公网，但这样做潜在的风险首先是将工控机暴露在公网之中，随时有可能被黑客攻击，无法保证数据甚至plc和整个盾构机的安全、稳定，其次工控软件和数据采集软件在一台工控机上工作，影响工控机工作效率，存在软件安全隐患，再次现有安装在工控机上的数据采集软件需要依赖有线网络或者单独购买无线硬件，增加了数据采集的成本，增加的步骤同时也增加了出问题的概率。
技术实现要素：
针对现有盾构机数据采集不安全、成本高、步骤繁多、不智能等问题，不能满足现有盾构机远程数据采集传输需求的技术问题，本发明提出一种盾构机远程数据采集传输装置及方法，能够准确、实时、全面的获取盾构机工作过程中所有数据的采集，所采集数据可被用作实时展示、大数据分析、智能控制算法研究。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种盾构机远程数据采集传输装置，包括主控制单元、通讯模块和监测模块，监测模块包括主机监测模块、刀盘监测模块、泡沫监测模块、膨润土监测模块、注浆监测模块、螺旋输送机监测模块、皮带机监测模块、管片拼装机监测模块、管片吊机监测模块、管片小车监测模块和管片运输车监测模块，通讯模块、主机监测模块、刀盘监测模块、泡沫监测模块、膨润土监测模块、注浆监测模块、螺旋输送机监测模块、皮带机监测模块、管片拼装机监测模块、管片吊机监测模块、管片小车监测模块和管片运输车监测模块均与主控制单元相连接，通讯模块与数据处理中心相连接。
所述主机监测模块、刀盘监测模块、泡沫监测模块、膨润土监测模块、注浆监测模块、螺旋输送机监测模块、皮带机监测模块、管片拼装机监测模块、管片吊机监测模块、管片小车监测模块、管片运输车监测模块采集的模拟量通过模数转换模块与主控制单元相连接，主机监测模块、刀盘监测模块、泡沫监测模块、膨润土监测模块、注浆监测模块、螺旋输送机监测模块、皮带机监测模块、管片拼装机监测模块、管片吊机监测模块、管片小车监测模块、管片运输车监测模块采集的数字量直接与主控制单元相连接。
所述主控制单元为mcu模块，mcu模块包括arm处理器、稳压供电电路、复位电路、外设接口和通讯接口，arm处理器分别与稳压供电电路、复位电路、外设接口和通讯接口相连接，外设接口为监测模块的传感器提供数据采集接口，通讯接口与通讯模块相连接。
所述通讯接口包括wifi通讯接口、以太网接口、3g网络接口和4g网络接口，wifi通讯接口、以太网接口、3g网络接口和4g网络接口均与arm处理器相连接；所述通讯模块包括与通讯接口相匹配的wifi通讯模块、3g通讯模块、4g通讯模块和以太网通讯接口。
所述模数转换模块包括若干路24位精密数模转换处理芯片和外围电路，外围电路为数模转换处理芯片提供稳定电压。
所述主控制单元与若干个子控制单元相连接，主控制单元与若干个子控制单元协同工作，子控制单元为mcu模块，mcu模块通过通讯模块与路由器相连接，路由器通过公共网络与远程的数据处理中心相连接，主控制单元和若干个子控制单元均与主控室上位机系统相连接。
所述主控制单元按照统一标准格式对采集的数据进行打包传输，数据包以creg+特定字符开头、以cregend+特定字符结尾、以特殊符号结束。
所述主控制单元搭载的系统内核为linux-3.2.0，数据包传输的关键密码加密方法采用rsa加密算法。
所述主机监测模块包括主机推进速度传感器、推进压力传感器和当前姿态传感器，主机推进速度传感器用于监测当前主机的工作速度，推进压力传感器用于监测当前主机推进压力，当前姿态传感器用于监测当前主机当前的位置偏转量；刀盘监测模块包括刀盘转速传感器、刀盘扭矩传感器、刀盘功率传感器，刀盘转速传感器用于监测当前刀盘旋转速度，刀盘扭矩传感器用于监测当前刀盘扭矩，刀盘功率传感器用于监测刀盘当前功率。
所述泡沫监测模块包括：若干路泡沫启停控制、泡沫原液流量传感器、泡沫原液启停控制、泡沫混合液流量传感器、泡沫原液启停控制、水流量传感器，若干路泡沫启停控制和泡沫原液启停控制通过控制泡沫泵实现，泡沫泵由电机i带动，通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，再由mcu模块控制电机i，实现对泡沫泵的启停动作，从而控制泡沫原液与水的比例；
所述膨润土监测模块包括若干路膨润土启停控制和膨润土流量传感器，膨润土启停控制通过控制膨润土泵实现，膨润土泵由电机ii带动，通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，再由mcu模块控制电机ii，实现对膨润土的启停动作；
所述注浆监测模块包括若干路注浆启停控制、多路注浆流量传感器，注浆启停控制通过控制注浆泵实现，注浆泵由电机iii带动，通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，再由mcu模块控制电机iii，实现对注浆的启停动作；
所述螺旋输送机监测模块包括螺旋输送机启停控制、传输方向控制、螺旋输送机转速传感器、扭矩传感器、压力传感器，螺旋输送机启停控制和传输方向控制通过调节螺旋输送机实现，螺旋输送机由电机iv驱动，通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，再由mcu模块控制电机iv，实现对螺旋输送机启停的控制，通过电机iv的正反转实现螺旋输送机传输方向控制；
所述皮带机监测模块：皮带机启停控制、传输方向控制、皮带机速度传感器，皮带机启停控制和传输方向控制通过调节皮带机实现，皮带机由电机v驱动，通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，再由mcu模块控制电机v，实现对皮带机启停的控制，通过电机v的正反转实现皮带机传输方向控制。
所述管片拼装机监测模块包括管片拼装机平移控制、旋转控制、红蓝缸伸缩控制、伸缩速度传感器、管片拼装机抓举头控制、伸缩速度传感器，管片拼装机平移控制、旋转控制、红蓝缸伸缩控制、管片拼装机抓举头控制通过控制管片拼装机实现，管片拼装机通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，mcu模块控制管片拼装机平移、旋转和红蓝缸伸缩，实现管片的各个方向纬度的调整，通过调节抓举头实现对管片的抓取释放；或由现场无线遥控器现场控制，自由切换控制权；
所述管片吊机监测模块包括管片吊机平移控制、伸缩控制、管片吊机伸缩速度传感器，管片吊机平移控制、伸缩控制通过控制管片吊机实现，管片吊机通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，mcu模块通过控制管片吊机平移、旋转实现管片的各个方向纬度的调整，通过抓举头实现对管片的抓取释放；
所述管片小车监测模块包括管片小车平移控制、上下控制、管片小车平移速度传感器、上下速度传感器，管片小车平移控制、上下控制通过控制管片小车实现，管片小车通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，mcu模块通过控制管片小车平移和上下调节实现管片的各个方向纬度的调整，将管片推送到管片拼装机处；
所述管片运输车监测模块包括管片运输车启停控制、管片运输车速度传感器、管片运输车位置传感器、管片运输车调度控制，管片运输车启停控制和管片运输车调度控制通过控制管片运输车实现，管片运输车通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，mcu模块控制管片运输车启停和调度。
一种盾构机远程数据采集传输方法，其步骤如下：
步骤一：盾构机开始掘进施工，mcu模块接收采集数据的指令，并判断指令是否合法；
步骤二：当采集数据的指令合法时，mcu模块发送数据采集指令到各个监测模块；
步骤三：各个监测模块通过将其中各个传感器采集的数据通过外设接口传送至mcu模块；
步骤四：mcu模块接收并打包各个模块采集的数据，当通讯模块的通讯正常时，通过通讯模块将打包后的数据包传出至数据处理中心；如果通讯模块的通讯不正常，mcu模块将打包后的数据包存储在硬件存储区。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明具备以下优势：
（1）本发明数据采集采用嵌入式技术和模块化设计、集成化程度高，体积小，价格低，拆装方便。
（2）本发明采用标准的数据接口，支持有线、无线等多种方式完成数据传输任务，并且还支持程序的远程更改和调试。
（3）本发明软件为嵌入式软件程序，通过加密算法完成数据通讯，只开放特定端口和所需数据只读权限，保障数据和盾构机安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明装置的原理框图。
图2为mcu模块的原理框图。
图3为本发明本地通讯的原理框图。
图4为本发明远程通讯的原理框图。
图5为本发明本地机车调度流程图。
图6为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种盾构机远程数据采集传输装置，包括主控制单元、通讯模块和监测模块，监测模块包括主机监测模块、刀盘监测模块、泡沫监测模块、膨润土监测模块、注浆监测模块、螺旋输送机监测模块、皮带机监测模块、管片拼装机监测模块、管片吊机监测模块、管片小车监测模块和管片运输车监测模块，通讯模块、主机监测模块、刀盘监测模块、泡沫监测模块、膨润土监测模块、注浆监测模块、螺旋输送机监测模块、皮带机监测模块、管片拼装机监测模块、管片吊机监测模块、管片小车监测模块和管片运输车监测模块均与主控制单元相连接，通讯模块与数据处理中心相连接。
所述主机监测模块、刀盘监测模块、泡沫监测模块、膨润土监测模块、注浆监测模块、螺旋输送机监测模块、皮带机监测模块、管片拼装机监测模块、管片吊机监测模块、管片小车监测模块、管片运输车监测模块采集的模拟量通过模数转换模块与主控制单元相连接，主机监测模块、刀盘监测模块、泡沫监测模块、膨润土监测模块、注浆监测模块、螺旋输送机监测模块、皮带机监测模块、管片拼装机监测模块、管片吊机监测模块、管片小车监测模块、管片运输车监测模块采集的数字量直接与主控制单元相连接。所述模数转换模块包括若干路24位精密数模转换处理芯片和外围电路，外围电路为数模转换处理芯片提供稳定电压。
所述主控制单元为mcu模块，如图2所示，mcu模块包括arm处理器、稳压供电电路、复位电路、外设接口和通讯接口，arm处理器分别与稳压供电电路、复位电路、外设接口和通讯接口相连接，外设接口是用于连接传感器的io口，外设接口为监测模块的传感器提供数据采集接口，通讯接口与通讯模块相连接。arm处理器作为软件运行平台，负责为应用软件提供系统级平台支撑，稳压供电电路为整个系统提供稳定电压，复位电路为支持系统进行复位，各个检测模块及其外设接口提供数据采集接口。mcu模块还包括下载电路和外部晶振电路，下载电路用于下载采集数据，外部晶振电路用于设定特定的时间进行数据采集。本发明采用arm处理器搭载了经过裁剪的linux操作系统，将各个检测模块的数据采集分任务调度，保证了数据的安全性、实时性，提高了数据采集的效率。本发明的mcu模块采用arm处理器搭载了经过裁剪的linux操作系统，将各个监测模块的数据采集分任务调度，保证了数据的安全性、实时性，提高了数据采集的效率。arm处理器还与硬件存储区相连接，实现对各个监测模块采集数据的存储。
所述通讯接口包括wifi通讯接口、以太网接口、3g网络接口和4g网络接口，wifi通讯接口、以太网接口、3g网络接口和4g网络接口均与arm处理器相连接；所述通讯模块包括与通讯接口相匹配的wifi通讯模块、3g通讯模块、4g通讯模块和以太网通讯接口。wifi通讯模块支持系统使用wifi实现无线通讯，3g通讯模块、4g通讯模块支持系统使用3g/4g移动网络实现无线通讯，以太网通讯接口支持系统使用有线以太网接口实现有线通讯；以上模块可根据需要自由定制裁剪。因此，数据传输通过通讯模块实现，具体包括无线和有线方式，无线包括wifi、2g/3g/4g方式传输，有线以光线或者网线方式传输。
所述主控制单元与若干个子控制单元相连接，主控制单元与若干个子控制单元协同工作，子控制单元为mcu模块，如图3和图4所示，mcu模块通过通讯模块与路由器相连接，路由器通过公共网络与远程的数据处理中心相连接，主控制单元和若干个子控制单元均与主控室上位机系统相连接。本发明的本地通讯可以由有线或者无线方式完成，多路mcu模块通过路由器实现数据通讯。本发明的远程通讯可以由有线或者无线方式完成，多路mcu模块通过公共网络将本地数据传送至远程数据处理中心，实现双向通讯。
所述主控制单元按照统一标准格式对采集的数据进行打包传输，数据包以creg+特定字符开头、以cregend+特定字符结尾、以特殊符号结束。主控制单元提供数据自定义传输功能，即监测模块采集过来的数据可按照特定要求传输需要数据，减少不必要的带宽和存储资源的浪费。所述主控制单元搭载的系统内核为linux-3.2.0，数据包传输的关键密码加密方法采用rsa加密算法。
所述主机监测模块包括主机推进速度传感器、推进压力传感器和当前姿态传感器，主机推进速度传感器用于监测当前主机的工作速度，推进压力传感器用于监测当前主机推进压力，当前姿态传感器用于监测当前主机当前的位置偏转量。根据以上主要参数可判断当前主机工作是否正常。
刀盘监测模块包括刀盘转速传感器、刀盘扭矩传感器、刀盘功率传感器，刀盘转速传感器用于监测当前刀盘旋转速度，刀盘扭矩传感器用于监测当前刀盘扭矩，刀盘功率传感器用于监测刀盘当前功率。刀盘转速传感器、刀盘扭矩传感器、刀盘功率传感器通过固定装置固定在刀盘的相应位置。由刀盘转速传感器、刀盘扭矩传感器、刀盘功率传感器测量的参数可以综合判断当前刀盘的工作情况。
所述泡沫监测模块包括：若干路泡沫启停控制、泡沫原液流量传感器、泡沫原液启停控制、泡沫混合液流量传感器、泡沫原液启停控制、水流量传感器，若干路泡沫启停控制和泡沫原液启停控制通过控制泡沫泵实现，泡沫泵由电机i带动，通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，再由mcu模块控制电机i，实现对泡沫泵的启停动作，从而控制泡沫原液与水的比例。
所述膨润土监测模块包括若干路膨润土启停控制和膨润土流量传感器，膨润土启停控制通过控制膨润土泵实现，膨润土泵由电机ii带动，通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，再由mcu模块控制电机ii，实现对膨润土的启停动作。膨润土启停控制的电机和膨润土流量传感器通过固定装置固定在盾构机上。
所述注浆监测模块包括若干路注浆启停控制、多路注浆流量传感器，注浆启停控制通过控制注浆泵实现，注浆泵由电机iii带动，通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，再由mcu模块控制电机iii，实现对注浆的启停动作。
所述螺旋输送机监测模块包括螺旋输送机启停控制、传输方向控制、螺旋输送机转速传感器、扭矩传感器、压力传感器，螺旋输送机启停控制和传输方向控制通过调节螺旋输送机实现，螺旋输送机由电机iv驱动，通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，再由mcu模块控制电机iv，实现对螺旋输送机启停的控制，通过电机iv的正反转实现螺旋输送机传输方向控制。
所述皮带机监测模块：皮带机启停控制、传输方向控制、皮带机速度传感器，皮带机启停控制和传输方向控制通过调节皮带机实现，皮带机由电机v驱动，通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，再由mcu模块控制电机v，实现对皮带机启停的控制，通过电机v的正反转实现皮带机传输方向控制。
所述管片拼装机监测模块包括管片拼装机平移控制、旋转控制、红蓝缸伸缩控制、伸缩速度传感器、管片拼装机抓举头控制、伸缩速度传感器，管片拼装机平移控制、旋转控制、红蓝缸伸缩控制、管片拼装机抓举头控制通过控制管片拼装机实现，管片拼装机通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，mcu模块控制管片拼装机平移、旋转和红蓝缸伸缩，实现管片的各个方向纬度的调整，通过调节抓举头实现对管片的抓取释放；或由现场无线遥控器现场控制，自由切换控制权。
所述管片吊机监测模块包括管片吊机平移控制、伸缩控制、管片吊机伸缩速度传感器，管片吊机平移控制、伸缩控制通过控制管片吊机实现，管片吊机通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，mcu模块通过控制管片吊机平移、旋转实现管片的各个方向纬度的调整，通过抓举头实现对管片的抓取释放。
所述管片小车监测模块包括管片小车平移控制、上下控制、管片小车平移速度传感器、上下速度传感器，管片小车平移控制、上下控制通过控制管片小车实现，管片小车通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，mcu模块通过控制管片小车平移和上下调节实现管片的各个方向纬度的调整，将管片推送到管片拼装机处。
所述管片运输车监测模块包括管片运输车启停控制、管片运输车速度传感器、管片运输车位置传感器、管片运输车调度控制，管片运输车启停控制和管片运输车调度控制通过控制管片运输车实现，管片运输车通过主控室上位机系统将控制信号下发给mcu模块，mcu模块控制管片运输车启停和调度。如图5所示，管片运输机车的任务调度方法：需先打开本地系统启动调度程序，程序打开后会先初始化机车信息，并实时监听机车所处位置和方向，根据自定义算法判断接车间行走是否会发生危险，如果即将发生危险，则根据事先预定的优先级给所有机车发布调度指令，完成机车调度任务。
如图6所示，一种盾构机远程数据采集传输方法，其步骤如下：
步骤一：盾构机开始掘进施工，mcu模块接收采集数据的指令，并判断指令是否合法。
开机程序运行，首先需要保证硬件设备已通电，嵌入式系统正常工作，嵌入式软件程序已运行。mcu接收指令，以上条件满足后，mcu判断软件程序发送的指令是否合法，如合法则发送至各个子模块处理，若不合法则返回。
步骤二：当采集数据的指令合法时，mcu模块发送数据采集指令到各个监测模块。
步骤三：各个监测模块通过将其中各个传感器采集的数据通过外设接口传送至mcu模块。
步骤四：mcu模块接收并打包各个模块采集的数据，当通讯模块的通讯正常时，通过通讯模块将打包后的数据包传出至数据处理中心；如果通讯模块的通讯不正常，mcu模块将打包后的数据包存储在硬件存储区。
mcu接收并打包数据，各个模块返回的数据mcu按照特定数据格式进行打包传输，以减少带宽的使用和降低传输出现错误的概率。通讯模块传输至数据处理中心，经过打包处理的数据由通讯模块传输至远程数据处理中心，通讯模块首先判断网络是否通畅，若通畅则继续传输，若传输成功，则数据处理中心接收消息，完成数据包的发送，否则返回，继续传输；若不通畅，则将数据包存储至硬件存储区，等网络建立连接后再传输。
本发明提供了硬件装置、软件实现方法、调度控制方法，硬件装置包括主控制单元及外设电路与接口、子模块控制单元及外设电路与接口、电路板封装；软件实现包括嵌入式系统的裁剪、数据采集算法编程实现、远程数据传输软件接口实现；调度控制根据管片运输车实时位置、速度信息，由程序算法实现管片运输车的智能调度。根据需要配置一路主控制单元和多路子控制单元协同工作，以arm为核心处理硬件，搭载linux系统内核。mcu模块用于实时采集盾构机各个子模块相关设备的运行状态和数据参数，包括所有开关量和模拟量数据，可自定义采集时间间隔。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。