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(上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

隨著科技的迅猛發(fā)展，液壓系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用于工程機(jī)械中。由于械作業(yè)環(huán)境惡劣，液壓系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，不僅會(huì)影響設(shè)備的正常工作，而且嚴(yán)重時(shí)可能危及人生安全以及造成不可預(yù)計(jì)的損失。目前液壓系統(tǒng)故障診斷方法主要是維修人員憑借其自身經(jīng)驗(yàn)，利用一些儀器對(duì)抓斗進(jìn)行檢測(cè)，從而找出異常的部位及分析得出發(fā)生故障的原因[1]。這種診斷方式太過依賴主觀經(jīng)驗(yàn)，并且診斷過程耗時(shí)，耗力，造成極大浪費(fèi)。因此設(shè)計(jì)一套液壓系統(tǒng)工作參監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要。該系統(tǒng)采用有線和無(wú)線相結(jié)合監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸。當(dāng)外界電磁干擾較大，用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。外界電磁干擾較弱時(shí),利用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。利用無(wú)線和有線方式對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和分析，可以提前進(jìn)行故障預(yù)警以及進(jìn)行故障分析診斷，從而可以降低設(shè)備的維修、 維護(hù)等費(fèi)用，提高設(shè)備可靠性和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由工作參數(shù)的檢測(cè)與處理模塊(傳感器，ZigBee中繼路由節(jié)點(diǎn)，CAN節(jié)點(diǎn)，主控制器)和PC機(jī)監(jiān)控中心兩部分組成。工作參數(shù)的檢測(cè)與處理模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送。傳感器將液壓油溫度，液壓油壓力，液位高度等信息送入主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議封裝后通過現(xiàn)場(chǎng)CAN總線和Zigbee節(jié)點(diǎn)傳送至上位機(jī)CAN總線和Zigbee中心節(jié)點(diǎn)，最后通過串口將采集的信息發(fā)送至上位機(jī)，并且實(shí)時(shí)顯示各參數(shù)信息。PC機(jī)監(jiān)控中心負(fù)責(zé)解析現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)。一旦設(shè)備工作參數(shù)出現(xiàn)異常，監(jiān)控系統(tǒng)界面會(huì)發(fā)出警告提示，監(jiān)控中心將會(huì)提醒現(xiàn)場(chǎng)人員停機(jī)維修。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是近年來新興的一種無(wú)限線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù),被廣泛運(yùn)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域。它是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技。ZigBee技術(shù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)有3種節(jié)點(diǎn)類型，分別為中心節(jié)點(diǎn)、中繼路由、終端設(shè)備。由這3種節(jié)點(diǎn)可以組成網(wǎng)狀網(wǎng)、星型網(wǎng)、鏈型網(wǎng)、對(duì)等網(wǎng)等[2]。

ZigBee主要有3種通訊方式：廣播模式、目標(biāo)地址模式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式。廣播模式：所有從站(中繼路由)均可以接收主站(中心節(jié)點(diǎn))發(fā)出的數(shù)據(jù)并且只能由主站向從站發(fā)送數(shù)據(jù)，從站不能向主站發(fā)送數(shù)據(jù)；目標(biāo)地址模式：只能由主站向從站發(fā)送，并且只有一個(gè)從站和主站，數(shù)據(jù)前需加目標(biāo)模塊地址；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式：主從站之間可以互相發(fā)送數(shù)據(jù)，并且可以有多個(gè)主站和多個(gè)從站。

液壓系統(tǒng)的無(wú)線監(jiān)測(cè)采用的是星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的發(fā)送模式?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集端ZigBee模塊節(jié)點(diǎn)類型設(shè)置為中繼路由，監(jiān)控中心端ZigBee模塊節(jié)點(diǎn)類型設(shè)置為中心節(jié)點(diǎn)。采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的發(fā)送模式，使現(xiàn)場(chǎng)各子節(jié)點(diǎn)之間不能相互通信，只能與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

3 CAN總線

CAN總線技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn),液壓系統(tǒng)工作參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)依靠穩(wěn)定和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。電磁干擾較大時(shí)，Zigbee無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟包率高，無(wú)法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。因此采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸將克服這一困難。CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，CAN總線通信速率可達(dá)到1 Mb/s，最大通信距離可達(dá)10 km[3]。液壓工作參數(shù)通過現(xiàn)場(chǎng)的微控制器的CAN收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送，上位機(jī)通過USB-CAN讀取數(shù)據(jù)。此外若傳感器未接或者損壞，MCU通過CAN節(jié)點(diǎn)將故障碼傳輸至上位機(jī)進(jìn)行報(bào)警顯示。液壓系統(tǒng)CAN總線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 CAN總線數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的采集與處理，通信模塊的接收和發(fā)送是基于英飛凌公司XC2267M微控制進(jìn)行設(shè)計(jì)的。XC2267M是一款16/32位單芯片微控制控制器， 片上有MultiCAN接口、通用串行接口模塊并且?guī)в袃蓚€(gè)可同步的A/D轉(zhuǎn)換器，可以提供多達(dá)16個(gè)通道，完全能夠滿足本系統(tǒng)的要求。

4.1 環(huán)境溫度采集

工程機(jī)械一般為露天作業(yè)，環(huán)境溫度變化影響著其運(yùn)行效率。當(dāng)外界環(huán)境過低時(shí)，在設(shè)備開機(jī)前和運(yùn)行過程中，監(jiān)控室可以提醒控制室人員先進(jìn)行液壓油預(yù)熱或者讓設(shè)備在關(guān)閉的狀態(tài)下運(yùn)行，直到油溫上升，再將其投入使用。

環(huán)境溫度的采集采用的是PT100鉑熱電阻型溫度傳感器，它具有測(cè)溫反應(yīng)速度快和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。鉑電阻的電阻值隨溫度變化而變化，利用采集到的鉑電阻兩端電壓，計(jì)算出電阻值，然后通過查PT100的分度表來獲取對(duì)應(yīng)的溫度值[4-5]。選取的PT100熱電阻其測(cè)溫范圍-50～200℃并且采用防水防腐耐高溫鍍銀四氟屏引線和精鋼保護(hù)殼，使它能夠防水、耐腐蝕，耐酸堿。耐酸堿。

4.2 液壓油溫度和壓力監(jiān)測(cè)

液壓設(shè)備工作時(shí)，液壓油溫度過高，其粘度降低，會(huì)使液壓元件加劇磨損，從而造成液壓油泄漏。液壓油溫度過低，其粘度升高，流動(dòng)性差，從而使整個(gè)液壓系統(tǒng)的工作效率下降；外溢流閥故障，不穩(wěn)定，液壓管道存在漏液漏油，液壓泵工作不穩(wěn)定都可能導(dǎo)致系統(tǒng)壓力不足；濾清器堵塞，其兩端油壓存在壓差，由此通過測(cè)量液壓油溫和壓力來進(jìn)行相應(yīng)的故障分析顯得尤為重要。

溫度和壓力采集選用的是美國(guó)Gems公司3200系列緊湊型高壓OEM壓力變送器。3200系列傳感器可以同時(shí)輸出溫度和壓力電壓信號(hào)。該傳感測(cè)壓范圍0～250 bar，測(cè)溫范圍-40℃～125℃。其具有堅(jiān)固耐用的膜片使得應(yīng)對(duì)極端和壓力尖峰和在各種壓力波動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合都能提供高可靠性和穩(wěn)定性,同時(shí)體積小巧的外型特別適合于安裝空間狹窄需要外形小巧的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。

液壓油溫度和壓力采集的部分硬件原理圖如圖3所示，溫度壓力傳感器輸出為電壓輸出，因此在AD轉(zhuǎn)換之前接入一個(gè)電壓跟隨器，主要是提高帶負(fù)載能力，穩(wěn)定輸出溫度和壓力的電壓信號(hào)。

圖3 溫度、壓力信號(hào)采集電路

4.3 油箱液位監(jiān)測(cè)

油箱液位過低影響液壓設(shè)備的工作效率以及造成安全隱患。保持液位在合理范圍，讓設(shè)備高效安全的運(yùn)行。

開關(guān)信號(hào)只有兩種狀態(tài)，處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單，如圖4所示。MCU要求的I/.O輸入端電壓范圍為0～5 V，因此使用肖特基二極管BAT54S進(jìn)行鉗位處理，即當(dāng)輸入電壓高于+5 V時(shí)，將電壓鉗位在+5 V，當(dāng)電壓低于0 V時(shí)，將電壓鉗位在0 V。輸入電壓鉗位后，送入反相器中處理，經(jīng)反相器再送入MCU。

圖4 液位開關(guān)電路

4.4 ZigBee通信電路

ZigBee模塊采用的是順舟科技SZ05-ADV-TTL無(wú)線串口通信模塊，其采用了加強(qiáng)型Zigbee無(wú)線技術(shù)，集成了符合ZigBee協(xié)議的射頻發(fā)射器和微處理器。該模塊傳輸距離遠(yuǎn)以及抗干擾能力強(qiáng)為液壓系統(tǒng)參數(shù)采集提供保障。本系統(tǒng)中因飛凌XC2267微控制處理器與ZigBee通信模塊采用異步URTA模式，只需要將ZigBee模塊接受(RXD)和發(fā)送(TXD)兩個(gè)引腳連接微控制器對(duì)應(yīng)兩端就能實(shí)現(xiàn)相互通信。本設(shè)計(jì)中，ZigBee模塊外部電路如圖5所示。

圖5 ZigBee外圍電路

4.5 CAN通信電路

CAN通訊節(jié)點(diǎn)由CAN控制器、CAN收發(fā)器、終端電阻、防靜電(electro-static discharge, ESD)保護(hù)電路組成[6]。微控制器Infineon XC2267集成了MultiCAN模塊，其包含6個(gè)全功能CAN節(jié)點(diǎn)，每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立工作或者通過網(wǎng)關(guān)功能交換數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程幀。CAN總線收發(fā)模塊選用TI公司ISO1050DUB，ISO1050DUB是一款電鍍隔離的 CAN 收發(fā)器。該器件可為總線和 CAN 控制器分別提供差分發(fā)射能力和差分接收能力，信號(hào)傳輸速率高達(dá) 1 兆位每秒 (Mbps)。 該器件尤其適合工作在惡劣環(huán)境下，其具有串線、過壓和接地?fù)p耗保護(hù)。CAN通信電路如圖6所示。圖中CAN0-TXD和CAN0-RXD分別對(duì)應(yīng)CAN控制器的發(fā)送與接收。ISO1050DUB對(duì)電壓穩(wěn)定度要求很高，選用DY-05S05進(jìn)行電壓隔離。采用PSM71芯片為其提供保護(hù)，防止靜電，三級(jí)雷電和開關(guān)瞬變。在CANL和CANH接入阻值為120歐姆的終端保護(hù)電阻即圖中R11為，它增強(qiáng)CAN總線通訊的可靠性與抗干擾能力。

圖6 CAN外圍收發(fā)器電路

4.6 電源模塊

電源電路如圖7所示，在電源輸入端加了一個(gè)PMOS管，如若電源正負(fù)極接反，其可以使得電路不會(huì)導(dǎo)通，從而保護(hù)后級(jí)電路。由于本系統(tǒng)中傳感器最低驅(qū)動(dòng)電壓為9 V，因此選用了電壓可調(diào)的開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器LM2576，通過兩個(gè)電阻配合使得LM2576輸出電壓為9 V。依據(jù)公式：

VOUT=VREF(1+R9/R8)

VREF=1.23V

R8在1 K到5 K之間，取1 K，計(jì)算得R9的值6.8 K。通信模塊需要5 V供電，采用低壓差線性調(diào)壓器LM117-5將電壓降到5 V供通信模塊使用；

圖7 電源電路

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送時(shí)，Zigbee把數(shù)據(jù)寫入TXD中；讀取數(shù)據(jù)時(shí)，從RXD中讀出。節(jié)點(diǎn)每隔500 ms將液壓系統(tǒng)的采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至上位機(jī)Zigbee 節(jié)點(diǎn)，發(fā)送的幀格式見表1。其中上位機(jī)端Zigbee節(jié)點(diǎn)地址必須為(0x0000)，采集端地址可為0x0001-0xFFFF中的任意數(shù)值，占兩個(gè)字節(jié)；

發(fā)送設(shè)備號(hào)是便于監(jiān)控端區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)是哪臺(tái)設(shè)備發(fā)送的，設(shè)備號(hào)占一個(gè)字節(jié)。標(biāo)識(shí)碼是用于區(qū)分不同的監(jiān)控參數(shù)，占一個(gè)字節(jié)；采樣數(shù)據(jù)，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后，共兩個(gè)字節(jié)；數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸難免受到外界環(huán)境影，有可能造成數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，監(jiān)控端接受到數(shù)據(jù)后，通過判斷幀頭幀尾方式來判定是否為一幀完整的數(shù)據(jù)，從而避免數(shù)據(jù)錯(cuò)誤解析。

表1 ZigBee幀格式定義

數(shù)據(jù)有線傳輸時(shí)，主控制器等待CAN進(jìn)入中斷。進(jìn)入中斷后，通過CAN收發(fā)器CAN高和CAN低進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。采集的數(shù)據(jù)以CAN報(bào)文的形式發(fā)送到上位機(jī)，報(bào)文格式見表2，數(shù)據(jù)幀類型采用標(biāo)準(zhǔn)幀，幀ID可以用11位二進(jìn)制數(shù)表示。不同ID代表不同的參數(shù)。

表2 CAN幀格式定義

5.2 數(shù)據(jù)采集端軟件設(shè)計(jì)

采集端軟件設(shè)計(jì)主要任務(wù)：

1)驅(qū)動(dòng)底層電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行處理。

2)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)，采用中位值平均濾波法進(jìn)行濾波處理，消除因脈沖干擾引起的采樣偏差。

3)將濾波處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包處理，然后通過ZigBee或者CAN將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行硬件電路的初始化(MAIN_vInit())，然后進(jìn)行CAN收發(fā)器和串口的初始化。數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送時(shí)，中繼路由節(jié)點(diǎn)ZigBee申請(qǐng)加入網(wǎng)，中心節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息認(rèn)證，信息認(rèn)證成功允許中繼路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并向中繼路由節(jié)點(diǎn)回復(fù)請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)命令。路由節(jié)點(diǎn)接收到發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，MUC將保存在緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)通過U2C0_SSC_vSendData()串口數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)發(fā)送至中繼路由節(jié)點(diǎn)接收端，再由路由節(jié)點(diǎn)通過無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)有線發(fā)送時(shí)，CAN接收中斷收到PC端數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求后，通過CAN_vTransmit()發(fā)送函數(shù)將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)以設(shè)計(jì)好的CAN報(bào)文形式發(fā)送至PC端CAN節(jié)點(diǎn)，ZigBee、CAN通信流程圖如圖8所示。

圖8 ZigBee、CAN通信流程圖

5.3 監(jiān)控端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控端軟件程序設(shè)計(jì)主要用于ZigBee和CAN總線的數(shù)據(jù)收發(fā)，其軟件工作流程圖如圖9所示。

1)監(jiān)控端初始化后，針對(duì)不同環(huán)境可以進(jìn)行無(wú)線和有線通信模式選擇。

2)無(wú)線監(jiān)測(cè)時(shí)，終止CAN節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，中心節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)成功后，請(qǐng)求數(shù)據(jù)采集端發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完畢后再將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端。

3)有線監(jiān)測(cè)時(shí)，終止ZigBee中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，待進(jìn)入CAN接收中斷，讀取數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至PC端。

監(jiān)控端軟件是基于Visual C++進(jìn)行編程，數(shù)據(jù)接收與處理的部分代碼程序如下：

m_mscom.put_CommPort(‘9600’)//波特率

m_mscom.put_InputLen(0)//設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

m_mscom.put_PortOpen(true)//打開串口

VARIANT InputData = m_mscom.get_Input();//接收緩沖區(qū)

for (k = 0; k < fs.GetOneDimSize(); k++)

{fs.GetElement(&k, &str[k]);}//獲取數(shù)據(jù)

VCI_StartCAN(m_devtype, m_devind, m_cannum)//啟動(dòng)USB-CAN

VCI_Receive(m_devtype, dm_devind, m_cannum, frameinfo, 50, 200);//CAN數(shù)據(jù)接收

圖9 監(jiān)控端軟件流程圖

6 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)采集時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)脈沖干擾，可能會(huì)引起采樣數(shù)據(jù)偏差，因此監(jiān)控端對(duì)采集端發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)需要進(jìn)行濾波處理，然后進(jìn)行相應(yīng)顯示。對(duì)所需要的參數(shù)進(jìn)行N次采樣(N)，所得數(shù)據(jù)去掉其中一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。采用中位值平均濾波法對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由其所引起的采樣值偏差，其次對(duì)周期干擾有良好的抑制作用。數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后，能夠更好保證數(shù)據(jù)的可靠性，而不會(huì)因?yàn)椴蓸悠疃鴮?dǎo)致數(shù)據(jù)失真。

7 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的丟包率上，ZigBee無(wú)線傳輸測(cè)試結(jié)果見表3，測(cè)試點(diǎn)為室外無(wú)障礙物，可見所選用ZigBee模塊近距離數(shù)據(jù)傳輸通信質(zhì)量高，300米內(nèi)丟包率為0，保證了PC端接收數(shù)據(jù)的可靠性。

表3 ZigBee幀格式定義

在某液壓工程機(jī)械公司的支持下，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入使用。打開上位機(jī)軟件，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，先進(jìn)行相應(yīng)的串口和波特率設(shè)置，然后進(jìn)行無(wú)線和有線監(jiān)測(cè)模式選擇，打開串口，開始監(jiān)控液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，在液壓設(shè)備開始工作時(shí)，打開監(jiān)控系統(tǒng)，其運(yùn)行效果達(dá)到預(yù)期。監(jiān)控主機(jī)實(shí)時(shí)顯示液壓系統(tǒng)中液壓油溫，液壓油壓力，油箱液位狀態(tài)，濾清器狀態(tài)。

8 結(jié)論

本文利用XC2267芯片設(shè)計(jì)開發(fā)了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和CAN總線工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用傳感器采集數(shù)據(jù)，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和總線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，最終通過上位機(jī)診斷各設(shè)備液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)。ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)具有功耗低，布線方便，環(huán)保等方面優(yōu)勢(shì)。CAN總線的有線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，抗電磁干擾強(qiáng)，成本低等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的工業(yè)環(huán)境，采用無(wú)線加有線監(jiān)測(cè)方式使數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)更加靈活。

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