基于車聯(lián)網(wǎng)的挖掘機(jī)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的研究

劉潤(rùn)東+賀湘宇+李曉騰+李崢嶸+李強(qiáng)+張碩

摘 要 液壓挖掘機(jī)作為一類快速、高效的施工機(jī)械越來(lái)越被人們所認(rèn)識(shí)。然而目前大多數(shù)是以人工操作來(lái)完成作業(yè)，在一些工作環(huán)境惡劣的地方難以運(yùn)作，所以開發(fā)無(wú)線智能液壓挖掘機(jī)變得極為迫切。智能液壓挖掘機(jī)可以減少人力的輸出，提高安全性，能極大地降低意外傷害事故，在不適合人類生存的地方進(jìn)行作業(yè)。本研究將遠(yuǎn)程無(wú)線通信被運(yùn)用到挖掘機(jī)上，來(lái)解決上述問題。

關(guān)鍵詞 單片機(jī) Arduino 液壓挖掘機(jī) 遙操作

中圖分類號(hào)：TP311.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.07.026

1 系統(tǒng)組成及基本功能

1.1 Arduino控制器

2005年時(shí)，在意大利北部伊佛雷亞（Ivrea）執(zhí)教的Massimo Banz和DavidCuartielles，作為一所互動(dòng)設(shè)計(jì)學(xué)院（Interaction Design Institute Ivrea）的教授，希望能替學(xué)生和互動(dòng)藝術(shù)設(shè)計(jì)師，找到一種能夠幫助他們學(xué)習(xí)電子和傳感器基本知識(shí)的方法，于是開放式微電腦控制板以及程序開發(fā)工具Arduino應(yīng)運(yùn)而生。它的輸出/輸入口將用來(lái)連接外在環(huán)境的變化，例如，溫度和加速度，轉(zhuǎn)變成電子信號(hào)的傳感器組件，或者連接讓微電腦發(fā)出響應(yīng)的制動(dòng)器組件，例如LED燈、LCD顯示器和電機(jī)。

1.2 Arduino UNO R3

作為核心控制器，是該系列最新的版本，具備Arduino所有的功能，其處理器的核心是ATmega328，具有14路數(shù)字輸入/輸出接口，而其中的6個(gè)引腳可以作為脈沖寬度調(diào)制輸出，6路模擬輸入，其晶體振蕩器為16MHz，一個(gè)電壓為5V 的USB口，一個(gè)電源插座，其適應(yīng)電壓范圍要求為7～12V，還有一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。集成開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)稱IDE，可以在Windows、Mac OS X和Linux操作系統(tǒng)運(yùn)行。

1.3 Wi-Fi Shield無(wú)線 WIFI 拓展板

WiFi采用工業(yè)級(jí)芯片ESP8266，模塊為ESP-12E帶金屬屏蔽罩，強(qiáng)抗干擾能力；標(biāo)準(zhǔn)引腳兼容Arduino Uno、Mega2560等主控板，Arduino與UNO連接采用電壓轉(zhuǎn)換芯片，使得3.3V和5V兼容；串口采用雙路撥碼開關(guān)進(jìn)行控制，使得擴(kuò)展板既可以單獨(dú)作為Arduino Uno擴(kuò)展板使用，也可以作為ESP8266擴(kuò)展板使用；真正串口WiFi，Arduino程序無(wú)需任何配置；基于WebServer配置WiFi參數(shù)和串口參數(shù)；可作為獨(dú)立的ESP8266開發(fā)板使用，下載官方AT指令固件、NodeMCU開源固件等；可作為獨(dú)立的Arduino Uno擴(kuò)展板使用，引腳全部引出。以下是WIFI的參數(shù)介紹：

支持無(wú)線802.11 b/g/n 標(biāo)準(zhǔn)；

支持STA/AP兩種工作模式；

內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，可以配置一個(gè)socket；

支持標(biāo)準(zhǔn)TCP/UDP Server和Client；

串口波特率支持：1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600/ 74800/ 115200 bps；

串口數(shù)據(jù)位：5/6/7/8位；

串口奇偶校驗(yàn)：無(wú)；

串口停止位：1/2位；

標(biāo)準(zhǔn)Arduino UNO、Mega引腳間距；

引出Arduino Pin 2/3/4/5/6/7/8/9/10/11/12/13；

引出ESP8266 GPIO 0/2/4/5/9/10/12/13/14/15/16/ADC/EN/UART TX/UART RX；

RESET復(fù)位；

KEY按鍵復(fù)用配置功能；

兩位撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)Arduino和ESP8266串口擴(kuò)展切換；

WiFi工作電流：持續(xù)發(fā)送：≈70mA（200mA MAX），待機(jī)：<200uA；

無(wú)線傳輸速率：110-460800bps；

工作溫度：-40℃～+125℃

模塊重量：約20g。

1.4 CAN-BUS 拓展板

CAN-BUS拓展板采用了總控制芯片MCP2515。CAN即 Controller Area Network以下稱為CAN），是一種串行通信協(xié)議已經(jīng)經(jīng)過ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的。市場(chǎng)上開發(fā)出各式各樣的電子控制系統(tǒng)，基于安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的目的。特別在汽行業(yè)中間，由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，其具有，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，且其具有開發(fā)周期短的優(yōu)勢(shì)。已形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線使其具有非常廣闊的市場(chǎng)前景，系最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

1.5 傳感器選型

（1）壓力傳感器：采取 IFM 牌的 PT3550 型號(hào)傳感設(shè)備。壓力傳感器的種類各式各樣，其中有半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、電感壓力傳感器電阻應(yīng)變片壓力傳感器、電容壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器等。我們根據(jù)挖掘機(jī)的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)方式，選取 PT3550 傳感器較為合適。PT3550 傳感器的種類為電子壓力傳感器，它正常工作溫度范圍-25～90€癈，其供電電壓8.5-32V，4-20mA 系模擬輸出，它的抗壓強(qiáng)度為 60MPa，e其測(cè)壓范圍為 0～40MPa，其爆破壓力為 160MPa，其精度為 0.01MPa， 其防護(hù)等級(jí)為 IP67。

（2）溫度傳感器：選取 NTC010HP00 型傳感設(shè)備。這種傳感器是專業(yè)的高耐寒防水型溫度傳感設(shè)備，相對(duì)于其他溫度傳感設(shè)備來(lái)說，其體積更小，價(jià)格更實(shí)惠，它有半導(dǎo)體、陶瓷材料制造，它的工作溫度范圍為-50～105℃，其耐電壓強(qiáng)度為 2750V AC，其反應(yīng)時(shí)間最大可為 25秒，防潮性能可在 60℃時(shí)達(dá) 到1000個(gè) 小時(shí)，其防護(hù)等級(jí)為 IP67，該傳感器適用于在冷凍、冷藏等制冷環(huán)境的溫度和控制，該傳感器具備在耐低溫狀態(tài)下的高防水性能的優(yōu)點(diǎn)。endprint

（3）液位測(cè)量傳感器：選取 Heinrich Kubber 的 AG CH 6341 Baar 型傳感設(shè)備。該傳感設(shè)備采用增量式工作原理，它的突出特點(diǎn)在于擁有視頻輸入和輸出的功能，他的視頻輸入路數(shù)達(dá) 267路，此外，該傳感器還具備報(bào)警功能，適用于工控范圍的適用，他的使用電壓為 0-50V，且工作環(huán)境不受限制。相對(duì)于其他種類的水位傳感器和水位計(jì)來(lái)比較，這是專業(yè)的液壓油位測(cè)量傳感設(shè)備，適用范圍較廣，性價(jià)比也很高。

（4）轉(zhuǎn)速傳感器：采用 Gasboard-8110 傳感設(shè)備。這是振動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感設(shè)備，適合用來(lái)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，它的特點(diǎn)是適用范圍很廣，并且可以測(cè)量多種汽油機(jī)、柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且該設(shè)備具有自動(dòng)校正功能，其性能可靠，他的安裝攜帶也較為方便。他的測(cè)量對(duì)象是 4 沖程汽油機(jī)及油機(jī)，其測(cè)量范圍 在400-10000rpm之間，它的信號(hào)輸出是振動(dòng)噪聲、電磁脈沖傳感器應(yīng)脈沖，其工作電源是12V DC/350mA，其工作溫度為 5℃～50℃范圍之間。

2 系統(tǒng)工作原理

基于車聯(lián)網(wǎng)的挖掘機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括車載數(shù)據(jù)采集模塊和無(wú)線數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊：

2.1 車載數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)

（1）壓力參數(shù)：動(dòng)臂、斗桿、鏟斗大小腔，左右回轉(zhuǎn)，主泵P1、P2、P3口；

（2）開關(guān)狀態(tài)：顯示器、工作燈、警燈、高低速、履展伸縮、喇叭、 推土鏟升降；

（3）系統(tǒng)參數(shù)：轉(zhuǎn)速、液壓油溫、冷卻水溫、燃油液位、機(jī)油壓力、空濾、先導(dǎo)信號(hào)、充電狀態(tài)、預(yù)熱狀態(tài)；

（4）角度參數(shù)：動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)；通過無(wú)線收發(fā)模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)線局域網(wǎng)。

通過大量的調(diào)研可知，液壓挖掘機(jī)的故障大多來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)，所以本設(shè)計(jì)的檢測(cè)參數(shù)主要從發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)中選取。作為液壓挖掘機(jī)工作的動(dòng)力源，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可以通過很多參數(shù)表現(xiàn)出來(lái)，如機(jī)油壓力、冷卻水溫度等等，因此在保證了能夠基本上反映發(fā)動(dòng)機(jī)的整體工作狀況的前提下，本設(shè)計(jì)選擇了8個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況參數(shù)。

對(duì)于液壓系統(tǒng)檢測(cè)參數(shù)的選取，本系統(tǒng)將重點(diǎn)放在壓力和溫度兩方面，因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)往往表征了液壓系統(tǒng)工作的狀況。根據(jù)以上的分析，最終確定了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度、冷卻水位、燃油油位、機(jī)油溫度、機(jī)油壓力、蓄電池電壓、主泵 1～2 壓力、液壓油溫、液壓油位、濾清器差壓、空濾器負(fù)壓以及發(fā)電機(jī)電壓共 14 路參數(shù)作為檢測(cè)項(xiàng)目。

發(fā)動(dòng)機(jī)：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油油位、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、冷卻水溫、冷卻水位、蓄電池電壓、空濾器負(fù)壓；

液壓系統(tǒng)：主泵 1 壓力、主泵 2 壓力、液壓油溫、液壓油位、濾清器差壓；

其他：發(fā)動(dòng)機(jī)電壓。

模塊由CAN總線接收單元、MSP430單片機(jī)、802.11n協(xié)議的無(wú)線收發(fā)單元、電源等。

2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊

通過無(wú)線收發(fā)模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)線局域網(wǎng)。車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊通過無(wú)線局域 網(wǎng)獲取各類參數(shù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理后，在監(jiān)控終端的顯示屏顯示；對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，一旦達(dá)到門限值，在顯示屏上報(bào)警框內(nèi)顯示報(bào)警信息。模塊包括arduino單片機(jī)、顯示單元、鍵盤、802.11n協(xié)議的無(wú)線收發(fā)單元、電源等。

本設(shè)計(jì)提供了一種基于工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)室SWE-17ED為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，能實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)速、液壓油溫、冷卻水溫、燃油液位、機(jī)油壓力、空濾、先導(dǎo)信號(hào)、充電狀態(tài)、預(yù)熱狀態(tài)等參數(shù)數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)通過無(wú)線局域網(wǎng)獲取各類參數(shù)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，在監(jiān)控終端的顯示屏顯示；對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，一旦達(dá)到門限值，在顯示屏上報(bào)警框內(nèi)顯示報(bào)警信息。

本設(shè)計(jì)提供了一種基于工程機(jī)械實(shí)驗(yàn)室SWE-17ED為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分為兩個(gè)模塊進(jìn)行研究，一個(gè)是車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊包括：CAN總線接收單元、arduino uno R3單片機(jī)、wifi盾板、電源等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)速等參數(shù)數(shù)據(jù)。另一個(gè)是車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊，該模塊包括：arduino uno R3單片機(jī)、顯示單元、鍵盤、無(wú)線收發(fā)單元、電源等，可以實(shí)現(xiàn)獲取各類數(shù)據(jù)后，進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)歸納整理，在顯示屏顯示，一旦達(dá)到門限值，就會(huì)顯示報(bào)警信息。

WiFi Shield盾板可以提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊功能 ， 需要將拓展板加入到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，我們采用的方式是添加頭文件WiFly.h及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)定義。該庫(kù)文件中 wifly.read（）函數(shù)，上位機(jī)發(fā)送的指令可以被WIFI盾板讀取到；同樣的CAN-BUS 拓展板調(diào)用該庫(kù)文件里的函數(shù)只需添加頭文件mcp_can.h，，利用CAN.sendMsgBuf（）函數(shù)把WIFI拓展板接收到的指令發(fā)送給CAN總線上其它節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

主要程序如下：

void loop（）

{

CAN.sendMsgBuf （0x00， 0， 2， active）；

delay（1000）；

if （wifly.available（））

{

while（wifly.available（））

{

computer[count++]=wifly.read（）；

a=computer[0]；

b=computer[1]；

c=a*256+b；

if（count == 64）break；

}

for（int k=2；k<=count；k++）

{

p[t++]=computer[k]；

}

CAN.sendMsgBuf（c， 0， count-2， p）；

delay（1000）；

Serial.write（computer，count）；

clear Computer Array（）；

clearp Array（）；

count = 0；

t=0；

}

}

Wifi盾板分別進(jìn)入AP/STA模式，設(shè)置串口參數(shù)為9600，n，8，1

將下列代碼下載到Arduino中實(shí)現(xiàn)Arduino數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)wifi。該代碼將Arduino的串口初始化為9600，n，8，1。

void setup（）

{

Serial.begin（9600）；

}

void loop（）

{

delay（1000）；

Serial.println（"hello ESP8266 WiFi"）；

}

至此便可對(duì)can總線上節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)采用基于arduino平臺(tái)的can總線控制，優(yōu)點(diǎn)是快速簡(jiǎn)便的建立控制系統(tǒng)，且穩(wěn)定高效適合多種場(chǎng)合。主要解決的是：（1）以往工程機(jī)械數(shù)據(jù)采集，需要布置大量線路，本項(xiàng)目采用無(wú)線數(shù)據(jù)采集，使數(shù)據(jù)采集過程更為方便。（2）通過車聯(lián)網(wǎng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控工程機(jī)械狀態(tài)，保證了工程機(jī)械的正常運(yùn)行。

針對(duì)兩種模塊有效將各個(gè)參數(shù)獲取，并且能在顯示器上進(jìn)行有效顯示，并能在一定情況下進(jìn)行警報(bào)處理，防止危害發(fā)生。

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