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(shù)是以人工操作來完成作業(yè)，在一些工作環(huán)境惡劣的地方難以運作，所以開發(fā)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(yè)。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(tǒng)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(zhí)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(fā)工具Arduino應運而生。它的輸出/輸入口將用來連接外在環(huán)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(fā)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(shù)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(fā)環(huán)境簡稱IDE，可以在Windows、Mac OS X和Linux操作系統(tǒng)運行。

1.3 Wi-Fi Shield無線 WIFI 拓展板

WiFi采用工業(yè)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(shù)和串口參數(shù)；可作為獨立的ESP8266開發(fā)板使用，下載官方AT指令固件、NodeMCU開源固件等；可作為獨立的Arduino Uno擴展板使用，引腳全部引出。以下是WIFI的參數(shù)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(xié)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(shù)據(jù)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(xiàn)Arduino和ESP8266串口擴展切換；

WiFi工作電流：持續(xù)發(fā)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(xié)議已經(jīng)經(jīng)過ISO國際標準化的。市場上開發(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(shù)量也隨之增加。為適應“減少線束的數(shù)量”、“通過多個LAN，進行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，其具有，網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強的優(yōu)點，且其具有開發(fā)周期短的優(yōu)勢。已形成國際標準的現(xiàn)場總線使其具有非常廣闊的市場前景，系最有前途的現(xiàn)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(jù)挖掘機的作業(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(yè)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(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。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(shù)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(huán)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(yè)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(fā)動機轉速傳感設備，適合用來動態(tài)及穩(wěn)態(tài)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(tǒng)工作原理

基于車聯(lián)網(wǎng)的挖掘機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括車載數(shù)據(jù)采集模塊和無線數(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)：動臂、斗桿、鏟斗大小腔，左右回轉，主泵P1、P2、P3口；

（2）開關狀態(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(tài)、預熱狀態(tài)；

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

通過大量的調研可知，液壓挖掘機的故障大多來自于發(fā)動機和液壓系統(tǒng)，所以本設計的檢測參數(shù)主要從發(fā)動機和液壓系統(tǒng)中選取。作為液壓挖掘機工作的動力源，發(fā)動機的運行狀態(tài)可以通過很多參數(shù)表現(xiàn)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(fā)動機的整體工作狀況的前提下，本設計選擇了8個發(fā)動機的工況參數(shù)。

對于液壓系統(tǒng)檢測參數(shù)的選取，本系統(tǒng)將重點放在壓力和溫度兩方面，因為這兩個參數(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(fā)電機電壓共 14 路參數(shù)作為檢測項目。

發(fā)動機：發(fā)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(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)動機電壓。

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

2.2 無線數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊

通過無線收發(fā)模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到無線局域網(wǎng)。車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊通過無線局域 網(wǎng)獲取各類參數(shù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行歸納整理后，在監(jiān)控終端的顯示屏顯示；對關鍵參數(shù)進行監(jiān)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(xié)議的無線收發(fā)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(shù)據(jù)采集，能實現(xiàn)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(tài)、預熱狀態(tài)等參數(shù)數(shù)據(jù)和實現(xiàn)通過無線局域網(wǎng)獲取各類參數(shù)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進行歸納整理，在監(jiān)控終端的顯示屏顯示；對關鍵參數(shù)進行監(jiān)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(shù)據(jù)采集，分為兩個模塊進行研究，一個是車聯(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、wifi盾板、電源等，可以實現(xiàn)對液壓挖掘機工作裝置實時獲取轉速等參數(shù)數(shù)據(jù)。另一個是車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊，該模塊包括：arduino uno R3單片機、顯示單元、鍵盤、無線收發(fā)單元、電源等，可以實現(xiàn)獲取各類數(shù)據(jù)后，進行對數(shù)據(jù)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(wǎng)絡通訊功能 ， 需要將拓展板加入到無線網(wǎng)絡中，我們采用的方式是添加頭文件WiFly.h及相關網(wǎng)絡定義。該庫文件中 wifly.read（）函數(shù)，上位機發(fā)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(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，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(shù)為9600，n，8，1

將下列代碼下載到Arduino中實現(xiàn)Arduino數(shù)據(jù)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(jié)點實現(xiàn)遠程控制。

3 結論

本系統(tǒng)采用基于arduino平臺的can總線控制，優(yōu)點是快速簡便的建立控制系統(tǒng)，且穩(wěn)定高效適合多種場合。主要解決的是：（1）以往工程機械數(shù)據(jù)采集，需要布置大量線路，本項目采用無線數(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)，能夠實時監(jiān)控工程機械狀態(tài)，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(shù)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(fā)生。

參考文獻

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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(yè)，2009（6）.endprint