基于ZigBee与CAN的工程机械液压系统参数监测系统设计

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(上海工程技术大学 汽车工程学院，上海 201620)

0 引言

随着科技的迅猛发展，液压系统被广泛运用于工程机械中。由于械作业环境恶劣，液压系统一旦发生故障，不仅会影响设备的正常工作，而且严重时可能危及人生安全以及造成不可预计的损失。目前液压系统故障诊断方法主要是维修人员凭借其自身经验，利用一些仪器对抓斗进行检测，从而找出异常的部位及分析得出发生故障的原因[1]。这种诊断方式太过依赖主观经验，并且诊断过程耗时，耗力，造成极大浪费。因此设计一套液压系统工作参监测系统显得尤为重要。该系统采用有线和无线相结合监测方式进行数据采集和传输。当外界电磁干扰较大，用CAN总线进行数据传输。外界电磁干扰较弱时,利用ZigBee无线传感网络进行数据采集。利用无线和有线方式对液压系统进行参数的实时采集和分析，可以提前进行故障预警以及进行故障分析诊断，从而可以降低设备的维修、 维护等费用，提高设备可靠性和延长设备使用寿命。

1 系统总体设计

监测系统主要由工作参数的检测与处理模块(传感器，ZigBee中继路由节点，CAN节点，主控制器)和PC机监控中心两部分组成。工作参数的检测与处理模块主要负责数据采集、处理、发送。传感器将液压油温度，液压油压力，液位高度等信息送入主控制器进行数据处理，然后将处理后的数据按照通信协议封装后通过现场CAN总线和Zigbee节点传送至上位机CAN总线和Zigbee中心节点，最后通过串口将采集的信息发送至上位机，并且实时显示各参数信息。PC机监控中心负责解析现场发出的数据，并分析数据。一旦设备工作参数出现异常，监控系统界面会发出警告提示，监控中心将会提醒现场人员停机维修。监测系统的整体结构框图如图1所示。

图1 系统整体结构图

2 ZigBee技术

ZigBee技术是近年来新兴的一种无限线传感网络技术,被广泛运用于自动控制领域。它是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议一种短距离、低功耗的无线通信技。ZigBee技术ZigBee网络有3种节点类型，分别为中心节点、中继路由、终端设备。由这3种节点可以组成网状网、星型网、链型网、对等网等[2]。

ZigBee主要有3种通讯方式：广播模式、目标地址模式，点对点模式。广播模式：所有从站(中继路由)均可以接收主站(中心节点)发出的数据并且只能由主站向从站发送数据，从站不能向主站发送数据；目标地址模式：只能由主站向从站发送，并且只有一个从站和主站，数据前需加目标模块地址；点对点模式：主从站之间可以互相发送数据，并且可以有多个主站和多个从站。

液压系统的无线监测采用的是星型网络拓扑结构以及点对点的发送模式。现场数据采集端ZigBee模块节点类型设置为中继路由，监控中心端ZigBee模块节点类型设置为中心节点。采用点对点的发送模式，使现场各子节点之间不能相互通信，只能与中心节点进行通信，提高了数据传输的稳定性。

3 CAN总线

CAN总线技术是当今自动化领域技术发展的热点,液压系统工作参数的实时监测依靠稳定和可靠的数据传输。电磁干扰较大时，Zigbee无线传输数据丢包率高，无法保证数据传输的实时性。因此采用CAN总线进行数据传输将克服这一困难。CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，CAN总线通信速率可达到1 Mb/s，最大通信距离可达10 km[3]。液压工作参数通过现场的微控制器的CAN收发模块将数据发送，上位机通过USB-CAN读取数据。此外若传感器未接或者损坏，MCU通过CAN节点将故障码传输至上位机进行报警显示。液压系统CAN总线数据传输系统的结构图如图2所示。

图2 CAN总线数据传输结构图

4 系统硬件设计

数据的采集与处理，通信模块的接收和发送是基于英飞凌公司XC2267M微控制进行设计的。XC2267M是一款16/32位单芯片微控制控制器， 片上有MultiCAN接口、通用串行接口模块并且带有两个可同步的A/D转换器，可以提供多达16个通道，完全能够满足本系统的要求。

4.1 环境温度采集

工程机械一般为露天作业，环境温度变化影响着其运行效率。当外界环境过低时，在设备开机前和运行过程中，监控室可以提醒控制室人员先进行液压油预热或者让设备在关闭的状态下运行，直到油温上升，再将其投入使用。

环境温度的采集采用的是PT100铂热电阻型温度传感器，它具有测温反应速度快和稳定性好等优点。铂电阻的电阻值随温度变化而变化，利用采集到的铂电阻两端电压，计算出电阻值，然后通过查PT100的分度表来获取对应的温度值[4-5]。选取的PT100热电阻其测温范围-50～200℃并且采用防水防腐耐高温镀银四氟屏引线和精钢保护壳，使它能够防水、耐腐蚀，耐酸碱。耐酸碱。

4.2 液压油温度和压力监测

液压设备工作时，液压油温度过高，其粘度降低，会使液压元件加剧磨损，从而造成液压油泄漏。液压油温度过低，其粘度升高，流动性差，从而使整个液压系统的工作效率下降；外溢流阀故障，不稳定，液压管道存在漏液漏油，液压泵工作不稳定都可能导致系统压力不足；滤清器堵塞，其两端油压存在压差，由此通过测量液压油温和压力来进行相应的故障分析显得尤为重要。

温度和压力采集选用的是美国Gems公司3200系列紧凑型高压OEM压力变送器。3200系列传感器可以同时输出温度和压力电压信号。该传感测压范围0～250 bar，测温范围-40℃～125℃。其具有坚固耐用的膜片使得应对极端和压力尖峰和在各种压力波动的应用场合都能提供高可靠性和稳定性,同时体积小巧的外型特别适合于安装空间狭窄需要外形小巧的工业应用场合。

液压油温度和压力采集的部分硬件原理图如图3所示，温度压力传感器输出为电压输出，因此在AD转换之前接入一个电压跟随器，主要是提高带负载能力，稳定输出温度和压力的电压信号。

图3 温度、压力信号采集电路

4.3 油箱液位监测

油箱液位过低影响液压设备的工作效率以及造成安全隐患。保持液位在合理范围，让设备高效安全的运行。

开关信号只有两种状态，处理电路相对简单，如图4所示。MCU要求的I/.O输入端电压范围为0～5 V，因此使用肖特基二极管BAT54S进行钳位处理，即当输入电压高于+5 V时，将电压钳位在+5 V，当电压低于0 V时，将电压钳位在0 V。输入电压钳位后，送入反相器中处理，经反相器再送入MCU。

图4 液位开关电路

4.4 ZigBee通信电路

ZigBee模块采用的是顺舟科技SZ05-ADV-TTL无线串口通信模块，其采用了加强型Zigbee无线技术，集成了符合ZigBee协议的射频发射器和微处理器。该模块传输距离远以及抗干扰能力强为液压系统参数采集提供保障。本系统中因飞凌XC2267微控制处理器与ZigBee通信模块采用异步URTA模式，只需要将ZigBee模块接受(RXD)和发送(TXD)两个引脚连接微控制器对应两端就能实现相互通信。本设计中，ZigBee模块外部电路如图5所示。

图5 ZigBee外围电路

4.5 CAN通信电路

CAN通讯节点由CAN控制器、CAN收发器、终端电阻、防静电(electro-static discharge, ESD)保护电路组成[6]。微控制器Infineon XC2267集成了MultiCAN模块，其包含6个全功能CAN节点，每个CAN节点可以独立工作或者通过网关功能交换数据和远程帧。CAN总线收发模块选用TI公司ISO1050DUB，ISO1050DUB是一款电镀隔离的 CAN 收发器。该器件可为总线和 CAN 控制器分别提供差分发射能力和差分接收能力，信号传输速率高达 1 兆位每秒 (Mbps)。 该器件尤其适合工作在恶劣环境下，其具有串线、过压和接地损耗保护。CAN通信电路如图6所示。图中CAN0-TXD和CAN0-RXD分别对应CAN控制器的发送与接收。ISO1050DUB对电压稳定度要求很高，选用DY-05S05进行电压隔离。采用PSM71芯片为其提供保护，防止静电，三级雷电和开关瞬变。在CANL和CANH接入阻值为120欧姆的终端保护电阻即图中R11为，它增强CAN总线通讯的可靠性与抗干扰能力。

图6 CAN外围收发器电路

4.6 电源模块

电源电路如图7所示，在电源输入端加了一个PMOS管，如若电源正负极接反，其可以使得电路不会导通，从而保护后级电路。由于本系统中传感器最低驱动电压为9 V，因此选用了电压可调的开关型降压稳压器LM2576，通过两个电阻配合使得LM2576输出电压为9 V。依据公式：

VOUT=VREF(1+R9/R8)

VREF=1.23V

R8在1 K到5 K之间，取1 K，计算得R9的值6.8 K。通信模块需要5 V供电，采用低压差线性调压器LM117-5将电压降到5 V供通信模块使用；

图7 电源电路

5 系统软件设计

5.1 通信协议设计

数据无线发送时，Zigbee把数据写入TXD中；读取数据时，从RXD中读出。节点每隔500 ms将液压系统的采集到的数据打包发送至上位机Zigbee 节点，发送的帧格式见表1。其中上位机端Zigbee节点地址必须为(0x0000)，采集端地址可为0x0001-0xFFFF中的任意数值，占两个字节；

发送设备号是便于监控端区分数据是哪台设备发送的，设备号占一个字节。标识码是用于区分不同的监控参数，占一个字节；采样数据，高字节在前，低字节在后，共两个字节；数据无线传输难免受到外界环境影，有可能造成数据丢包现象，监控端接受到数据后，通过判断帧头帧尾方式来判定是否为一帧完整的数据，从而避免数据错误解析。

表1 ZigBee帧格式定义

数据有线传输时，主控制器等待CAN进入中断。进入中断后，通过CAN收发器CAN高和CAN低进行数据的发送与接收。采集的数据以CAN报文的形式发送到上位机，报文格式见表2，数据帧类型采用标准帧，帧ID可以用11位二进制数表示。不同ID代表不同的参数。

表2 CAN帧格式定义

5.2 数据采集端软件设计

采集端软件设计主要任务：

1)驱动底层电路，实现对传感器采集到的信号进行处理。

2)对采集到的数据，采用中位值平均滤波法进行滤波处理，消除因脉冲干扰引起的采样偏差。

3)将滤波处理过的数据进行数据打包处理，然后通过ZigBee或者CAN将数据传输至上位机

数据采集系统上电后，先进行硬件电路的初始化(MAIN_vInit())，然后进行CAN收发器和串口的初始化。数据无线发送时，中继路由节点ZigBee申请加入网，中心节点会对发送来的数据进行信息认证，信息认证成功允许中继路由节点加入网络，并向中继路由节点回复请求发送数据命令。路由节点接收到发送数据命令后，MUC将保存在缓冲区的数据通过U2C0_SSC_vSendData()串口数据发送函数发送至中继路由节点接收端，再由路由节点通过无线传感网络发送至中心节点。数据有线发送时，CAN接收中断收到PC端数据发送请求后，通过CAN_vTransmit()发送函数将数据缓冲区的数据以设计好的CAN报文形式发送至PC端CAN节点，ZigBee、CAN通信流程图如图8所示。

图8 ZigBee、CAN通信流程图

5.3 监控端软件设计

监控端软件程序设计主要用于ZigBee和CAN总线的数据收发，其软件工作流程图如图9所示。

1)监控端初始化后，针对不同环境可以进行无线和有线通信模式选择。

2)无线监测时，终止CAN节点接收数据，中心节点组网成功后，请求数据采集端发送数据，数据接收完毕后再将数据发送至PC端。

3)有线监测时，终止ZigBee中心节点数据的收发，待进入CAN接收中断，读取数据，并将其发送至PC端。

监控端软件是基于Visual C++进行编程，数据接收与处理的部分代码程序如下：

m_mscom.put_CommPort(‘9600’)//波特率

m_mscom.put_InputLen(0)//设置数据长度

m_mscom.put_PortOpen(true)//打开串口

VARIANT InputData = m_mscom.get_Input();//接收缓冲区

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

{fs.GetElement(&k, &str[k]);}//获取数据

VCI_StartCAN(m_devtype, m_devind, m_cannum)//启动USB-CAN

VCI_Receive(m_devtype, dm_devind, m_cannum, frameinfo, 50, 200);//CAN数据接收

图9 监控端软件流程图

6 数据处理方法

数据采集时偶尔会出现脉冲干扰，可能会引起采样数据偏差，因此监控端对采集端发送的采样数据需要进行滤波处理，然后进行相应显示。对所需要的参数进行N次采样(N)，所得数据去掉其中一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值。采用中位值平均滤波法对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由其所引起的采样值偏差，其次对周期干扰有良好的抑制作用。数据进行滤波处理后，能够更好保证数据的可靠性，而不会因为采样偏差而导致数据失真。

7 系统调试与运行

无线网络传输的稳定性主要体现在数据的丢包率上，ZigBee无线传输测试结果见表3，测试点为室外无障碍物，可见所选用ZigBee模块近距离数据传输通信质量高，300米内丢包率为0，保证了PC端接收数据的可靠性。

表3 ZigBee帧格式定义

在某液压工程机械公司的支持下，该监测系统投入使用。打开上位机软件，进入参数设置界面，先进行相应的串口和波特率设置，然后进行无线和有线监测模式选择，打开串口，开始监控液压系统相关参数，在液压设备开始工作时，打开监控系统，其运行效果达到预期。监控主机实时显示液压系统中液压油温，液压油压力，油箱液位状态，滤清器状态。

8 结论

本文利用XC2267芯片设计开发了基于ZigBee网络和CAN总线工程机械液压系统的监测系统。采用传感器采集数据，利用无线传感网络和总线网络将数据传输至上位机，最终通过上位机诊断各设备液压系统的工作状态。ZigBee无线传感网络数据监测具有功耗低，布线方便，环保等方面优势。CAN总线的有线数据监测具有实时性强，传输距离远，抗电磁干扰强，成本低等优点。应对严峻的工业环境，采用无线加有线监测方式使数据监测更加灵活。

[1] 刘保杰,杨清文,吴 翔. 液压系统故障诊断技术研究现状和发展趋势[J]. 液压气动与密封,2016(8):68-71.

[2] 孔维康,陶 帅,汪祖民. 基于ZigBee的养老院健康监护系统设计[J]. 计算机测量与控制,2016(1):95-98.

[3] 苏晓东,罗庆生,李华师,等. 仿生四足机器人控制系统设计[J]. 机械设计与制造,2013(2):16-19.

[4] 魏浩迪. 基于PT100铂热电阻的高精度温度实时监测系统[J]. 国外电子测量技术,2017(1):67-69+73.

[5] 凌 菁,滕召胜,张凯旋. 基于Pt100的红外干燥箱动态温度补偿方法研究[J]. 电子测量与仪器学报,2016(4):542-549.

[6] 魏幸梅. 基于CAN总线的汽车制动性能测试系统研制[D].河南科技大学,2009.