基于ZigBee和安卓的數(shù)字化焊機監(jiān)控系統(tǒng)設計

董昌文 ，金 禮，薛家祥，張俊紅

（1.貴州民族大學 機械電子工程學院，貴陽 550025；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640）

隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬焊機逐漸被新型的數(shù)字化焊機所取代，焊接工藝快速向多功能化、自動化、網(wǎng)絡化方面發(fā)展[1-3]。在焊接過程中，各種焊接工藝參數(shù)的監(jiān)控是關(guān)系到焊接質(zhì)量的重要因素。實時測量和處理焊接過程中的參數(shù)，在焊接過程中占據(jù)重要的地位[4]。由于傳統(tǒng)有線通訊多焊機監(jiān)控系統(tǒng)在焊接過程中還存在以下不足[5-6]：①焊接現(xiàn)場焊機數(shù)量眾多，且所處位置不同，較為分散，不利于焊機數(shù)據(jù)實時監(jiān)測及設備調(diào)度；②多臺焊機同時進行焊接操作，各臺焊機中電流、電壓相互耦合和干擾，容易造成焊接缺陷，影響焊縫成形質(zhì)量；③有線通信時布線復雜，焊接信號容易受到外界信號干擾，因而系統(tǒng)監(jiān)控的實時性和準確性有待提高。因此，采用ZigBee技術(shù)和安卓系統(tǒng)設計的多焊機群控系統(tǒng)，可對焊接電流和電壓實時監(jiān)控，實現(xiàn)多焊機系統(tǒng)的信息化和網(wǎng)絡化。

1 數(shù)字化焊機群控系統(tǒng)總體框架

圖1所示為基于ZigBee和安卓的數(shù)字化焊機集群控制網(wǎng)絡示意圖，其工作原理為采用網(wǎng)狀拓撲設計焊機監(jiān)控平臺，節(jié)點之間的信息傳輸路徑具有多種可能，當通信系統(tǒng)中某一路由節(jié)點出現(xiàn)故障時，仍可保證數(shù)據(jù)可傳送到目標節(jié)點，具有較好的自愈能力和更好的可靠性，同時，可保證數(shù)據(jù)在最短路徑下傳輸，使數(shù)據(jù)傳輸可保持較低的時延。在基于安卓的監(jiān)控端上，ZigBee模塊通過串口與安卓的USB接口相連接，通過安卓底層軟件編碼，實現(xiàn)ZigBee硬件模塊與安卓智能設備的通信連接。

圖1 基于ZigBee和安卓的數(shù)字化焊機集群控制網(wǎng)絡示意圖Fig.1 Schematic diagram of digital welding machine cluster control network based on ZigBee and Android

2 硬件設計

基于ZigBee和安卓的數(shù)字化多焊機監(jiān)控系統(tǒng)的硬件模塊主要由人機交互模塊、CPU模塊、ZigBee模塊組成，如圖2所示。

圖2 硬件模塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of hardware module

2.1 人機交互模塊

人機交互模塊采用了STM32F103C4嵌入式微型處理器控制芯片，該芯片具有較好的控制性能，對于數(shù)字化焊機控制面板的焊接參數(shù)控制以及對和數(shù)字化焊機CPU模塊的通信主要通過它來實現(xiàn)。電源供電和I/O接口的驅(qū)動電壓為2.0～3.6 V。人機交互模塊有串行模式和JTAG接口2種調(diào)試模式，STM32F103C4芯片是一種性能高、成本低、功耗少的專為嵌入式應用設計的產(chǎn)品。

圖3 人機交互模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Diagram of human-computer interaction module

控制面板的功能設計涉及到大量的外部控制電路，要求主控芯片具備大量的I/O管腳。由于STM32的管腳數(shù)量無法滿足設計要求，因而在所設計人機交互模塊時，采用復雜可編程邏輯器件CPLD（complex programmable logic device）設計輔助控制器，協(xié)助STM32完成LED的狀態(tài)顯示以及編碼器輸入功能。基于輔助控制CPLD芯片要求性能優(yōu)越，功耗低，綜合考慮性能以及價格等因素，選用了Altera公司的MAX II系列CPLD的EPM240T100。

2.2 CPU模塊

選用TI公司的TMS320F2808作為CPU模塊室溫主控芯片。TMS320F2808采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻可以工作在100 MHz；具有內(nèi)存儲器容量64 K×16 b的 Flash，18 K×16 b的 SARAM和1 K×16 b的一次性可編程存儲器，具有時鐘和系統(tǒng)控制，支持鎖相環(huán)（PLL）模塊，看門狗定時器模塊；同時擁有具有12 b的ADC，具有16個通道，包括2個8通道的多路輸入器，2個采樣保持電路，可單獨或同時轉(zhuǎn)換，且具有快速轉(zhuǎn)換速率，可選擇內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)。

2.3 ZigBee模塊

ZigBee模塊選用廣州致遠電子有限公司的ZM5168模塊。在實際測試中，該模塊通信丟包率低于3%，具有良好的性能。設計ZM5168與焊機主控板的電路連接如圖4所示。其中，TXD、RXD管腳分別與主控芯片DSP的RXD、TXD管腳相連接。State管腳與LED電路相連接，通過LED展示模塊工作狀態(tài)。RESETN管腳與按鍵復位電路相連接。LINK管腳與主控芯片I/O管腳相連接，以方便主控芯片識別通信連接狀態(tài)。

圖4 ZigBee模塊外圍電路Fig.4 Peripheral circuit of ZigBee module

同樣地，在基于安卓的監(jiān)控端上，ZigBee模塊通過串口與安卓的USB接口相連接，通過安卓底層軟件編碼，實現(xiàn)ZigBee模塊與安卓智能設備的通信連接。

3 監(jiān)控終端及驗證試驗

基于安卓的監(jiān)控終端無法與ZigBee模塊接口直接通信，因此設計基于監(jiān)控終端USB接口的通信模塊電路。采用CH340G實現(xiàn)監(jiān)控終端的USB信號轉(zhuǎn)串口信號，設計電路如圖5所示。其中，P3與DSP串口連接。

圖5 USB轉(zhuǎn)串口電路Fig.5 USB interface to serial interface circuit

基于安卓平臺，設計數(shù)字化多焊機監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控終端。監(jiān)控終端軟件APP包含了網(wǎng)絡通信功能、數(shù)據(jù)庫功能及頁面顯示等功能?；贏ndroid6.0系統(tǒng)的平板電腦，采用IDE軟件Android Studio開發(fā)數(shù)字化多焊機監(jiān)控系統(tǒng)的本地監(jiān)控APP軟件。綜合考慮數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理和存儲等需求，開發(fā)具有多個顯示界面的Android應用，實現(xiàn)對多臺數(shù)字化焊機的監(jiān)控。在Android軟件開發(fā)中，可采用Activity或Fragment組件進行UI設計。相對于Activity組件，F(xiàn)ragment所占用的系統(tǒng)資源相對更少，UI顯示的實現(xiàn)過程也更便捷和靈活。因而，采用Activity內(nèi)嵌套Fragment的方式開發(fā)數(shù)字化多焊機監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控APP的UI界面。

數(shù)字化焊機監(jiān)控終端APP的軟件工作流程如圖6所示，APP啟動時，首先啟動主線程，用戶登錄后，初始化參數(shù)和UI界面，然后啟動網(wǎng)絡通信線程，獲取數(shù)字化焊機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)并顯示在相應的Fragment界面中。

圖6 監(jiān)控終端APP的軟件工作流程Fig.6 Software flow chart of monitoring terminal APP

數(shù)字化焊機監(jiān)控系統(tǒng)平臺采集焊機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過監(jiān)控界面顯示給用戶，方便用戶對焊機進行控制。在所設計數(shù)字化焊機監(jiān)控系統(tǒng)平臺中，主要包括以下功能：

（1）運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集：主要包括數(shù)字化焊機在運行過程中的電壓、電流等電氣數(shù)據(jù)，外界環(huán)境溫度、濕度等環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)以及焊機運行過程中所產(chǎn)生的故障信息數(shù)據(jù)；

（2）焊接參數(shù)修改：可通過手持終端控制軟件或控制PC對焊接參數(shù)進行修改；

（3）界面顯示：可在終端控制軟件上顯示焊接參數(shù)、實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及環(huán)境參數(shù)；

（4）數(shù)據(jù)存儲：在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中存儲焊接狀態(tài)參數(shù)，焊接參數(shù)歷史數(shù)據(jù)庫和焊接狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫為焊機的操作和維修提供重要參考；

（5）智慧決策：通過對歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行分析，為即將進行焊接的材料提供合適的焊接參數(shù)方案。

（6）故障檢測及分析：通過采集焊機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫，對焊機的運行狀態(tài)進行分析及預測，并將分析結(jié)果通過界面展示給用戶。

所設計的數(shù)字化焊機監(jiān)控系統(tǒng)進行焊接驗證試驗，對應的監(jiān)控終端APP主要界面如圖7所示，控制焊接的實際過程，有設備監(jiān)控、報警管理、生產(chǎn)管理、質(zhì)量分析、統(tǒng)計報表、工藝規(guī)格和焊接參數(shù)7個分界面。由圖7（c）可以得到焊接監(jiān)控試驗的驗證結(jié)果，由圖中的0001號數(shù)字化焊機的參數(shù)設置信息和電流電壓實際監(jiān)控曲線可知，焊接監(jiān)控驗證試驗采用的是雙脈沖熔化極氣保焊，設定的焊接電流和焊接電壓分別為90.0 A和22.0 V，監(jiān)控得到的焊接電流和焊接電壓分別為90.1 A和22.2 V，與設定值十分接近，誤差很小。說明該數(shù)字化焊機監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾能力較強，可以穩(wěn)定地表征實際焊接過程，實現(xiàn)多臺數(shù)字化焊機的監(jiān)控和管理。

圖7 基于ZigBee和安卓的數(shù)字化焊機監(jiān)控系統(tǒng)Fig.7 Digital welding machine monitoring system based on ZigBee and Android

4 結(jié)語

本文采用ZigBee技術(shù)和安卓系統(tǒng)，設計了一種數(shù)字化焊機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320F2808芯片和安卓平板電腦為硬件基礎，通過IDE軟件Android Studio開發(fā)的本地監(jiān)控APP軟件，使得數(shù)字化多焊機監(jiān)控系統(tǒng)具有設備監(jiān)控、報警管理、生產(chǎn)管理等多種功能。焊接驗證試驗表明，該數(shù)字化焊機監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾能力較強，可較好地適應數(shù)字化弧焊電源經(jīng)常變動生產(chǎn)工序的生產(chǎn)情況，在復雜焊接生產(chǎn)環(huán)境下具有良好的應用前景。