基于車聯網的挖掘機數據采集監控系統的研究

劉潤東+賀湘宇+李曉騰+李崢嶸+李強+張碩

摘 要 液壓挖掘機作為一類快速、高效的施工機械越來越被人們所認識。然而目前大多數是以人工操作來完成作業，在一些工作環境惡劣的地方難以運作，所以開發無線智能液壓挖掘機變得極為迫切。智能液壓挖掘機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行作業。本研究將遠程無線通信被運用到挖掘機上，來解決上述問題。

關鍵詞 單片機 Arduino 液壓挖掘機 遙操作

中圖分類號：TP311.13 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.07.026

1 系統組成及基本功能

1.1 Arduino控制器

2005年時，在意大利北部伊佛雷亞（Ivrea）執教的Massimo Banz和DavidCuartielles，作為一所互動設計學院（Interaction Design Institute Ivrea）的教授，希望能替學生和互動藝術設計師，找到一種能夠幫助他們學習電子和傳感器基本知識的方法，于是開放式微電腦控制板以及程序開發工具Arduino應運而生。它的輸出/輸入口將用來連接外在環境的變化，例如，溫度和加速度，轉變成電子信號的傳感器組件，或者連接讓微電腦發出響應的制動器組件，例如LED燈、LCD顯示器和電機。

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路數字輸入/輸出接口，而其中的6個引腳可以作為脈沖寬度調制輸出，6路模擬輸入，其晶體振蕩器為16MHz，一個電壓為5V 的USB口，一個電源插座，其適應電壓范圍要求為7～12V，還有一個ICSP header和一個復位按鈕。集成開發環境簡稱IDE，可以在Windows、Mac OS X和Linux操作系統運行。

1.3 Wi-Fi Shield無線 WIFI 拓展板

WiFi采用工業級芯片ESP8266，模塊為ESP-12E帶金屬屏蔽罩，強抗干擾能力；標準引腳兼容Arduino Uno、Mega2560等主控板，Arduino與UNO連接采用電壓轉換芯片，使得3.3V和5V兼容；串口采用雙路撥碼開關進行控制，使得擴展板既可以單獨作為Arduino Uno擴展板使用，也可以作為ESP8266擴展板使用；真正串口WiFi，Arduino程序無需任何配置；基于WebServer配置WiFi參數和串口參數；可作為獨立的ESP8266開發板使用，下載官方AT指令固件、NodeMCU開源固件等；可作為獨立的Arduino Uno擴展板使用，引腳全部引出。以下是WIFI的參數介紹：

支持無線802.11 b/g/n 標準；

支持STA/AP兩種工作模式；

內置TCP/IP協議棧，可以配置一個socket；

支持標準TCP/UDP Server和Client；

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

串口數據位：5/6/7/8位；

串口奇偶校驗：無；

串口停止位：1/2位；

標準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復位；

KEY按鍵復用配置功能；

兩位撥碼開關實現Arduino和ESP8266串口擴展切換；

WiFi工作電流：持續發送：≈70mA（200mA MAX），待機：<200uA；

無線傳輸速率：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），是一種串行通信協議已經經過ISO國際標準化的。市場上開發出各式各樣的電子控制系統，基于安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的目的。特別在汽行業中間，由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。為適應“減少線束的數量”、“通過多個LAN，進行大量數據的高速通信”的需要，其具有，網絡各節點之間的數據通信實時性強的優點，且其具有開發周期短的優勢。已形成國際標準的現場總線使其具有非常廣闊的市場前景，系最有前途的現場總線之一。

1.5 傳感器選型

（1）壓力傳感器：采取 IFM 牌的 PT3550 型號傳感設備。壓力傳感器的種類各式各樣，其中有半導體應變片壓力傳感器、電感壓力傳感器電阻應變片壓力傳感器、電容壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器等。我們根據挖掘機的作業環境和作業方式，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，它的抗壓強度為 60MPa，e其測壓范圍為 0～40MPa，其爆破壓力為 160MPa，其精度為 0.01MPa， 其防護等級為 IP67。

（2）溫度傳感器：選取 NTC010HP00 型傳感設備。這種傳感器是專業的高耐寒防水型溫度傳感設備，相對于其他溫度傳感設備來說，其體積更小，價格更實惠，它有半導體、陶瓷材料制造，它的工作溫度范圍為-50～105℃，其耐電壓強度為 2750V AC，其反應時間最大可為 25秒，防潮性能可在 60℃時達 到1000個 小時，其防護等級為 IP67，該傳感器適用于在冷凍、冷藏等制冷環境的溫度和控制，該傳感器具備在耐低溫狀態下的高防水性能的優點。endprint

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

（4）轉速傳感器：采用 Gasboard-8110 傳感設備。這是振動式發動機轉速傳感設備，適合用來動態及穩態轉速的測量，它的特點是適用范圍很廣，并且可以測量多種汽油機、柴油機的轉速，并且該設備具有自動校正功能，其性能可靠，他的安裝攜帶也較為方便。他的測量對象是 4 沖程汽油機及油機，其測量范圍 在400-10000rpm之間，它的信號輸出是振動噪聲、電磁脈沖傳感器應脈沖，其工作電源是12V DC/350mA，其工作溫度為 5℃～50℃范圍之間。

2 系統工作原理

基于車聯網的挖掘機數據采集系統包括車載數據采集模塊和無線數據監控模塊：

2.1 車載數據采集模塊采集的數據

（1）壓力參數：動臂、斗桿、鏟斗大小腔，左右回轉，主泵P1、P2、P3口；

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

（3）系統參數：轉速、液壓油溫、冷卻水溫、燃油液位、機油壓力、空濾、先導信號、充電狀態、預熱狀態；

（4）角度參數：動臂、斗桿、鏟斗、回轉；通過無線收發模塊將采集數據發送到無線局域網。

通過大量的調研可知，液壓挖掘機的故障大多來自于發動機和液壓系統，所以本設計的檢測參數主要從發動機和液壓系統中選取。作為液壓挖掘機工作的動力源，發動機的運行狀態可以通過很多參數表現出來，如機油壓力、冷卻水溫度等等，因此在保證了能夠基本上反映發動機的整體工作狀況的前提下，本設計選擇了8個發動機的工況參數。

對于液壓系統檢測參數的選取，本系統將重點放在壓力和溫度兩方面，因為這兩個參數往往表征了液壓系統工作的狀況。根據以上的分析，最終確定了發動機轉速、冷卻水溫度、冷卻水位、燃油油位、機油溫度、機油壓力、蓄電池電壓、主泵 1～2 壓力、液壓油溫、液壓油位、濾清器差壓、空濾器負壓以及發電機電壓共 14 路參數作為檢測項目。

發動機：發動機轉速、燃油油位、機油壓力、機油溫度、冷卻水溫、冷卻水位、蓄電池電壓、空濾器負壓；

液壓系統：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：發動機電壓。

模塊由CAN總線接收單元、MSP430單片機、802.11n協議的無線收發單元、電源等。

2.2 無線數據監控模塊

通過無線收發模塊將采集數據發送到無線局域網。車聯網數據監控模塊通過無線局域 網獲取各類參數數據，將數據進行歸納整理后，在監控終端的顯示屏顯示；對關鍵參數進行監控，一旦達到門限值，在顯示屏上報警框內顯示報警信息。模塊包括arduino單片機、顯示單元、鍵盤、802.11n協議的無線收發單元、電源等。

本設計提供了一種基于工程機械實驗室SWE-17ED為實驗平臺來進行數據采集，能實現對液壓挖掘機工作裝置實時獲取轉速、液壓油溫、冷卻水溫、燃油液位、機油壓力、空濾、先導信號、充電狀態、預熱狀態等參數數據和實現通過無線局域網獲取各類參數數據后，將數據進行歸納整理，在監控終端的顯示屏顯示；對關鍵參數進行監控，一旦達到門限值，在顯示屏上報警框內顯示報警信息。

本設計提供了一種基于工程機械實驗室SWE-17ED為實驗平臺來進行數據采集，分為兩個模塊進行研究，一個是車聯網數據采集模塊，該模塊包括：CAN總線接收單元、arduino uno R3單片機、wifi盾板、電源等，可以實現對液壓挖掘機工作裝置實時獲取轉速等參數數據。另一個是車聯網數據監控模塊，該模塊包括：arduino uno R3單片機、顯示單元、鍵盤、無線收發單元、電源等，可以實現獲取各類數據后，進行對數據歸納整理，在顯示屏顯示，一旦達到門限值，就會顯示報警信息。

WiFi Shield盾板可以提供無線網絡通訊功能 ， 需要將拓展板加入到無線網絡中，我們采用的方式是添加頭文件WiFly.h及相關網絡定義。該庫文件中 wifly.read（）函數，上位機發送的指令可以被WIFI盾板讀取到；同樣的CAN-BUS 拓展板調用該庫文件里的函數只需添加頭文件mcp_can.h，，利用CAN.sendMsgBuf（）函數把WIFI拓展板接收到的指令發送給CAN總線上其它節點，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盾板分別進入AP/STA模式，設置串口參數為9600，n，8，1

將下列代碼下載到Arduino中實現Arduino數據轉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can總線上節點實現遠程控制。

3 結論

本系統采用基于arduino平臺的can總線控制，優點是快速簡便的建立控制系統，且穩定高效適合多種場合。主要解決的是：（1）以往工程機械數據采集，需要布置大量線路，本項目采用無線數據采集，使數據采集過程更為方便。（2）通過車聯網，能夠實時監控工程機械狀態，保證了工程機械的正常運行。

針對兩種模塊有效將各個參數獲取，并且能在顯示器上進行有效顯示，并能在一定情況下進行警報處理，防止危害發生。

參考文獻

[1] 鄭磊，楊梅，高見廠.挖掘機遠程管理系統的研究與應用[J].建筑機械化，2011（9）.

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[4] 張繼飛，劉強.基于GPS/GPRS的挖掘機車載終端設計[J].中國高新技術企業，2009（6）.endprint