基于车联网的挖掘机数据采集监控系统的研究

刘润东+贺湘宇+李晓腾+李峥嵘+李强+张硕

摘 要 液压挖掘机作为一类快速、高效的施工机械越来越被人们所认识。然而目前大多数是以人工操作来完成作业，在一些工作环境恶劣的地方难以运作，所以开发无线智能液压挖掘机变得极为迫切。智能液压挖掘机可以减少人力的输出，提高安全性，能极大地降低意外伤害事故，在不适合人类生存的地方进行作业。本研究将远程无线通信被运用到挖掘机上，来解决上述问题。

关键词 单片机 Arduino 液压挖掘机 遥操作

中图分类号：TP311.13 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.07.026

1 系统组成及基本功能

1.1 Arduino控制器

2005年时，在意大利北部伊佛雷亚（Ivrea）执教的Massimo Banz和DavidCuartielles，作为一所互动设计学院（Interaction Design Institute Ivrea）的教授，希望能替学生和互动艺术设计师，找到一种能够帮助他们学习电子和传感器基本知识的方法，于是开放式微电脑控制板以及程序开发工具Arduino应运而生。它的输出/输入口将用来连接外在环境的变化，例如，温度和加速度，转变成电子信号的传感器组件，或者连接让微电脑发出响应的制动器组件，例如LED灯、LCD显示器和电机。

1.2 Arduino UNO R3

作为核心控制器，是该系列最新的版本，具备Arduino所有的功能，其处理器的核心是ATmega328，具有14路数字输入/输出接口，而其中的6个引脚可以作为脉冲宽度调制输出，6路模拟输入，其晶体振荡器为16MHz，一个电压为5V 的USB口，一个电源插座，其适应电压范围要求为7～12V，还有一个ICSP header和一个复位按钮。集成开发环境简称IDE，可以在Windows、Mac OS X和Linux操作系统运行。

1.3 Wi-Fi Shield无线 WIFI 拓展板

WiFi采用工业级芯片ESP8266，模块为ESP-12E带金属屏蔽罩，强抗干扰能力；标准引脚兼容Arduino Uno、Mega2560等主控板，Arduino与UNO连接采用电压转换芯片，使得3.3V和5V兼容；串口采用双路拨码开关进行控制，使得扩展板既可以单獨作为Arduino Uno扩展板使用，也可以作为ESP8266扩展板使用；真正串口WiFi，Arduino程序无需任何配置；基于WebServer配置WiFi参数和串口参数；可作为独立的ESP8266开发板使用，下载官方AT指令固件、NodeMCU开源固件等；可作为独立的Arduino Uno扩展板使用，引脚全部引出。以下是WIFI的参数介绍：

支持无线802.11 b/g/n 标准；

支持STA/AP两种工作模式；

内置TCP/IP协议栈，可以配置一个socket；

支持标准TCP/UDP Server和Client；

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

串口数据位：5/6/7/8位；

串口奇偶校验：无；

串口停止位：1/2位；

标准Arduino UNO、Mega引脚间距；

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复位；

KEY按键复用配置功能；

两位拨码开关实现Arduino和ESP8266串口扩展切换；

WiFi工作电流：持续发送：≈70mA（200mA MAX），待机：<200uA；

无线传输速率：110-460800bps；

工作温度：-40℃～+125℃

模块重量：约20g。

1.4 CAN-BUS 拓展板

CAN-BUS拓展板采用了总控制芯片MCP2515。CAN即 Controller Area Network以下称为CAN），是一种串行通信协议已经经过ISO国际标准化的。市场上开发出各式各样的电子控制系统，基于安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的目的。特别在汽行业中间，由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，其具有，网络各节点之间的数据通信实时性强的优点，且其具有开发周期短的优势。已形成国际标准的现场总线使其具有非常广阔的市场前景，系最有前途的现场总线之一。

1.5 传感器选型

（1）压力传感器：采取 IFM 牌的 PT3550 型号传感设备。压力传感器的种类各式各样，其中有半导体应变片压力传感器、电感压力传感器电阻应变片压力传感器、电容压力传感器、压阻式压力传感器等。我们根据挖掘机的作业环境和作业方式，选取 PT3550 传感器较为合适。PT3550 传感器的种类为电子压力传感器，它正常工作温度范围-25～90€癈，其供电电压8.5-32V，4-20mA 系模拟输出，它的抗压强度为 60MPa，e其测压范围为 0～40MPa，其爆破压力为 160MPa，其精度为 0.01MPa， 其防护等级为 IP67。

（2）温度传感器：选取 NTC010HP00 型传感设备。这种传感器是专业的高耐寒防水型温度传感设备，相对于其他温度传感设备来说，其体积更小，价格更实惠，它有半导体、陶瓷材料制造，它的工作温度范围为-50～105℃，其耐电压强度为 2750V AC，其反应时间最大可为 25秒，防潮性能可在 60℃时达 到1000个 小时，其防护等级为 IP67，该传感器适用于在冷冻、冷藏等制冷环境的温度和控制，该传感器具备在耐低温状态下的高防水性能的优点。endprint

（3）液位测量传感器：选取 Heinrich Kubber 的 AG CH 6341 Baar 型传感设备。该传感设备采用增量式工作原理，它的突出特点在于拥有视频输入和输出的功能，他的视频输入路数达 267路，此外，该传感器还具备报警功能，适用于工控范围的适用，他的使用电压为 0-50V，且工作环境不受限制。相对于其他种类的水位传感器和水位计来比较，这是专业的液压油位测量传感设备，适用范围较广，性价比也很高。

（4）转速传感器：采用 Gasboard-8110 传感设备。这是振动式发动机转速传感设备，适合用来动态及稳态转速的测量，它的特点是适用范围很广，并且可以测量多种汽油机、柴油机的转速，并且该设备具有自动校正功能，其性能可靠，他的安装携带也较为方便。他的测量对象是 4 冲程汽油机及油机，其测量范围 在400-10000rpm之间，它的信号输出是振动噪声、电磁脉冲传感器应脉冲，其工作电源是12V DC/350mA，其工作温度为 5℃～50℃范围之间。

2 系统工作原理

基于车联网的挖掘机数据采集系统包括车载数据采集模块和无线数据监控模块：

2.1 车载数据采集模块采集的数据

（1）压力参数：动臂、斗杆、铲斗大小腔，左右回转，主泵P1、P2、P3口；

（2）开关状态：显示器、工作灯、警灯、高低速、履展伸缩、喇叭、 推土铲升降；

（3）系统参数：转速、液压油温、冷却水温、燃油液位、机油压力、空滤、先导信号、充电状态、预热状态；

（4）角度参数：动臂、斗杆、铲斗、回转；通过无线收发模块将采集数据发送到无线局域网。

通过大量的调研可知，液压挖掘机的故障大多来自于发动机和液压系统，所以本设计的检测参数主要从发动机和液压系统中选取。作为液压挖掘机工作的动力源，发动机的运行状态可以通过很多参数表现出来，如机油压力、冷却水温度等等，因此在保证了能够基本上反映发动机的整体工作状况的前提下，本设计选择了8个发动机的工况参数。

对于液压系统检测参数的选取，本系统将重点放在压力和温度两方面，因为这两个参数往往表征了液压系统工作的状况。根据以上的分析，最终确定了发动机转速、冷却水温度、冷却水位、燃油油位、机油温度、机油压力、蓄电池电压、主泵 1～2 压力、液压油温、液压油位、滤清器差压、空滤器负压以及发电机电压共 14 路参数作为检测项目。

发动机：发动机转速、燃油油位、机油压力、机油温度、冷却水温、冷却水位、蓄电池电压、空滤器负压；

液压系统：主泵 1 压力、主泵 2 压力、液压油温、液压油位、滤清器差压；

其他：发动机电压。

模块由CAN总线接收单元、MSP430单片机、802.11n协议的无线收发单元、电源等。

2.2 无线数据监控模块

通过无线收发模块将采集数据发送到无线局域网。车联网数据监控模块通过无线局域 网获取各类参数数据，将数据进行归纳整理后，在監控终端的显示屏显示；对关键参数进行监控，一旦达到门限值，在显示屏上报警框内显示报警信息。模块包括arduino单片机、显示单元、键盘、802.11n协议的无线收发单元、电源等。

本设计提供了一种基于工程机械实验室SWE-17ED为实验平台来进行数据采集，能实现对液压挖掘机工作装置实时获取转速、液压油温、冷却水温、燃油液位、机油压力、空滤、先导信号、充电状态、预热状态等参数数据和实现通过无线局域网获取各类参数数据后，将数据进行归纳整理，在监控终端的显示屏显示；对关键参数进行监控，一旦达到门限值，在显示屏上报警框内显示报警信息。

本设计提供了一种基于工程机械实验室SWE-17ED为实验平台来进行数据采集，分为两个模块进行研究，一个是车联网数据采集模块，该模块包括：CAN总线接收单元、arduino uno R3单片机、wifi盾板、电源等，可以实现对液压挖掘机工作装置实时获取转速等参数数据。另一个是车联网数据监控模块，该模块包括：arduino uno R3单片机、显示单元、键盘、无线收发单元、电源等，可以实现获取各类数据后，进行对数据归纳整理，在显示屏显示，一旦达到门限值，就会显示报警信息。

WiFi Shield盾板可以提供无线网络通讯功能 ， 需要将拓展板加入到无线网络中，我们采用的方式是添加头文件WiFly.h及相关网络定义。该库文件中 wifly.read（）函数，上位机发送的指令可以被WIFI盾板读取到；同样的CAN-BUS 拓展板调用该库文件里的函数只需添加头文件mcp_can.h，，利用CAN.sendMsgBuf（）函数把WIFI拓展板接收到的指令发送给CAN总线上其它节点，如图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盾板分别进入AP/STA模式，设置串口参数为9600，n，8，1

将下列代码下载到Arduino中实现Arduino数据转wifi。该代码将Arduino的串口初始化为9600，n，8，1。

void setup（）

{

Serial.begin（9600）；

}

void loop（）

{

delay（1000）；

Serial.println（"hello ESP8266 WiFi"）；

}

至此便可对can总线上节点实现远程控制。

3 结论

本系统采用基于arduino平台的can总线控制，优点是快速简便的建立控制系统，且稳定高效适合多种场合。主要解决的是：（1）以往工程机械数据采集，需要布置大量线路，本项目采用无线数据采集，使数据采集过程更为方便。（2）通过车联网，能够实时监控工程机械状态，保证了工程机械的正常运行。

针对两种模块有效将各个参数获取，并且能在显示器上进行有效显示，并能在一定情况下进行警报处理，防止危害发生。

参考文献

[1] 郑磊，杨梅，高见厂.挖掘机远程管理系统的研究与应用[J].建筑机械化，2011（9）.

[2] 杨栋，王汉其，熊俊.基于GPRS工程机械远程监控终端的设计[J].自动化技术与应用，2008（2）.

[3] 龙坍.基于嵌入式的挖掘机远程监控机载系统及其关键技术研究[D].浙江大学，2011.

[4] 张继飞，刘强.基于GPS/GPRS的挖掘机车载终端设计[J].中国高新技术企业，2009（6）.endprint