多网融合的混凝土泵车状态远程监控系统设计.pdf

第3 9 卷第1 期 2 0 1 6 年 2 月 电子器 件 C h i n e s e J o u rna l o f E l e c t r o n De v i c e s V0 1 3 9 NO 1 F e b 2 01 6 De s i g n o f Re mo t e M o n i t o r i n g S y s t e m f o r t h e S t a t u s o f Co n c r e t e Pump Tr uc k by M ul t i Ne t wo r k I nt e g r a t i o n S HUZ e f a n g ， P E NGXi a o s h a n ， C H E NMi n ( 1 S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， G u i y a n g U n iv e r s i t y ， G u i y a n g 5 5 0 0 0 5 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o fE l e c t r o n i c a n d Co mmu n i c a t i o nEn g i n e e r i n g， G u i Y a n g Un i v e r s i t y， Gu i y a n g 5 5 0 0 0 5， C h i n a； 3 C o l l e g e o fMe c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a4 1 0 0 7 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e r e mo t e mo n i t o r i n g s y s t e m f o r c o n c r e t e p u mp t r u c k b y mu l t i n e t wo r k i n t e g r a t i o n wa s de s i g n e d for mo n i t o rin g i t s s t a t us e f f e c t i v e l y t o e ns u r e t he s a f e pr o d u c t i o n a n d r e d u c e t h e c o s t o f ma i n t e n a nc e Th e s e n s o r p l u g a n d wi r e l e s s d a t a a c q u i s i t i o n t r a ns mi s s i o n o f t h e a l m f r a me s t ruc t u r e wa s r e a l i z e d u s i n g Zi g Be e t e c hn o l o g y， wh i l e t h a t o f o t h e r s t ruc t u r e s s u c h a s h y d r a u l i c s y s t e m a n d t h e c h a s s i s w a s r e a l i z e d u s i n g C A N L I N( C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k L o c a l I n t e r c o n n e c t N e t w o r k ) T h e n t h e c o l l e c t e d d a t a w a s a g g r e g a t e d i n t h e s t a t e c e n t e r o f t h e t r u c k a n d r e mo t e l y t r a n s mi t t e d t o t h e s e r v e r o f t h e mo n i t o rin g c e n t e r b y t h e t i me s h a r i n g mo d e l b y GP RS ( G e n e r a l P a c k e t Ra d i o S e r v i c e ) ， i n w h i c h t h e s t a t u s mo n i t o ri n g a n d r e p a i r f o r me t r o a r e a w a s a c h i e v e d T h e t e s t r e s u l t t h a t t h e p a c k e t l o s s r a t e o f t h e s y s t e m i s l e s s t h a n 3 w i t h i n 3 0 k m i n g o o d GP RS c o n d i t i o n s h o ws t h a t t h e s y s t e m i s a b l e t o r e a l i z e d t h e r e a l t i me da t a a c q ui s i t i o n a n d t r a ns mi s s i o n S O a s t o e ns ur e t he s afe o pe r a t i o n Ke y wo r d s ： c o n c r e t e p u mp t r u c k； r e mo t e mo n i t o rin g f o r t h e s t a t u s ； mu l t i - n e t w o r k i n t e g r a t i o n； Z i g B e e； CAN L I N； GPRS E E A CC： 7 2 1 0 F d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 - 9 4 9 0 2 0 1 6 0 1 0 4 0 多网融合的混凝土泵车状态远程监控系统设计 舒泽芳 ， 彭晓珊 ， 陈 敏 ( 1 贵阳学院机械工程学院， 贵阳 5 5 0 0 0 5 ； 2 贵阳学院电子与通信工程学院， 贵阳 5 5 0 0 0 5 ； 3 中南大学机 电工程学院 ， 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘 要 ： 为了有效监控混凝土泵车的状态， 设计了一套多网融合的状态远程监控系统。对臂架结构使用Z i g B e e 技术实现传 感器的即插即用和数据无线采集传输， 对其他部位使用 C A N L I N总线实现状态信息的实时采集和有线传输， 将采集数据在泵 车状态中心进行汇总后通过 G P R S分时远程传输到监控中心服务器。测试发现在 G P R S信号较好的条件下 ， 在 3 0 k m范围内 丢包率小于 3 表明该系统可实现数据的实时采集和正确传输， 从而保证混凝土泵车能够安全运行。 关键 词 ： 混凝土泵车； 远程状态监控 ； 多网融合； Z i g B e e ； C A N L I N； G P R S 中图分类号 ： T P 3 3 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 5 9 4 9 0 ( 2 0 1 6 ) 0 l 一 0 1 9 3 一 O 6 当今中国基建规模不断扩大， 工程机械的产业支 柱地位更加明显， 而混凝土机械市场规模居整个工程 机械行业首位， 利润率超过 3 0 ， 远超工程机械其他 行业 ， 2 0 1 1 年统计数据显示， 国内混凝土机械产业值 超过 1 0 5 3 亿 ， 收入达到总收入的 1 5 。混凝土泵车 是集成泵送机构和臂架系统的移动式工程专用车辆 ， 具有工程效率高、 浇筑质量好 、 环境污染小 、 机动灵活 等优势 ， 但是 由于结构复杂， 环境恶劣、 材料老化和材 项目来源： 贵州省科学技术基金项目( J 2 0 1 3 1 2 0 2 6 ) ； 贵州省高校优秀科技创新人才支持计划项 目2 0 1 3 ( 1 4 9 2 ) ； 贵阳学院工程 装备电控单元产学研培育基地项目( 2 0 1 3 0 0 3 5 1 3 8 ) ； 贵州省科技厅联合基金项目( 黔科合 L H字 2 0 1 4 1 7 1 9 8 号 ， J 字 L K G 2 0 1 3 3 4 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 2 0 8 修改 日期 ： 2 0 1 5 0 7 2 6 1 9 4 电 子 器件 第 3 9 卷 质疲劳等因素共同作用 ， 混凝土泵车的故障具备突发 性， 易造成重大的安全问题和财产损失， 因此必须对泵 车的状态进行实时监控并及时发现 、 排除故障， 以正确 的预测判断代替“ 救火式” 的事后维修乜 。中南大学研 究成果走在国内前列 ， 使用信息技术对混凝土泵车的 臂架等关键部位进行健康监测进行事故预防I 3 ， 太原 理工大学使用传感器网络对臂架系统进行结构监测， 取得了一定成果 。本文以“ 贵州省科学技术基金” 等 项 目为依托 ， 结合 Z i g B e e 、 C A N、 L I N、 G P R S等多种网 络技术对泵车状态进行全面监测， 建立覆盖范围较广 的城域状态监测体系， 为 昆 凝土泵车的工程使用保驾。 1 系统总体 设计 混凝土泵 车集输送成 品混凝土和浇筑工序于 一 体 ， 结构较为复杂 ， 导致健康状况监测 学科性较 强 、 难度高 ， 普 通操作人员无法进行有效监测和故 障预测 ， 因此通过监控远方 的泵 车状态 、 采集关键 信息并集中输送到城域中心点， 由专业的故障检测 技术人员进行分析从而实现预判故障。 1 1 混凝土泵车特点 混凝土泵车是对载重汽车底盘进行改造而成 ， 加装 的结构包括运动和动力传动装置 、 泵送 和搅拌 装置 、 布料装置和辅助装置 ， 而泵车 的发动机除保 障泵车行驶 以外 ， 还要用于驱动搅拌 、 泵送 、 布料机 构等装置 ， 其结构及组成如图 1 所示 。 1 汽车 氐 盘 ； 2 氐 架 ； 3 转台； 4 臂架 ； 5 前端软管； 6 混凝土输送管 ； 7 挤压缸 ； 8 工具箱 ； 9 水箱 ； 1 0 混凝土泵； 1 1 操作箱 ； 1 2 料斗； 1 3 阈组 图1 混凝土泵车结构及 组成 从混凝 土泵 车结构来 讲 ， 臂架 展开后 规模较 大 ， 若采用有线传输不利于布线安排和管理 ， 后续 的维护成本和难度也相对较大 ， 因此在臂架上采用 无线网络连接传感器 。但是从成本上来说 ， 在整个 泵车系统 中全部使用无线 网络会导致耗费较高 ， 因 此在底架 、 底盘等部分依托已有的总线系统采集相 关状态数据 ， 在将数据汇总后使用 G P R S实时输送 到监控中心 由专业人员进行数据分析和故障预测 ， 从而实现故障的预先发现和及时处理。 1 2 技 术分 析 对于臂架结构的状态监控 ， 无线传输系统省去了 有线传输系统的数据传输线 ， 也一并省去了电源线 ， 因此无线系统使用电池供电， 为避免频繁地更换电池 或者对电池充电， 要求无线传输系统具备低功耗的特 点 ， 节点休眠时延迟较小； 而且需要使用较多传感器 ， 因此要求成本较低 ， 数据可靠性较高 ， 因此无线传输 技术使用 Z i g B e e 技术， 这是一种低功率局域网技术， 具有低功耗 、 低成本 、 短延时 、 高容量 的优点 ， 结合 控制器局域网 C A N( C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k ) 可实现 对泵车臂架部分的状态信息采集和传输汇总。 其余部分如汽车底盘、 底架、 转台等部位对泵 车安全工作 同样有重要意义 ， 如果全部使用无线传 感器网络会造成状态监控系统 的成本过高 ， 不利于 系统 的推广应用 ， 同是 为了减少布线容量 、 降低维 护成本 ， 结合泵车的车身控制系统 ， 使用 C A N总线 进 行 状 态 监 控 ， 但 C A N 总线 负 载 率 不 能 大 于 2 0 ， 因此将涉及安全的节点传感器挂接在 C A N 总线上 ， 其余 传感器 使用局 部互连 网络总线 L I N ( L o c a l I n t e r c o n n e c t N e t w o r k ) “ 实施信息传输 ， 达到 集约化设计的效果。 将泵车状态信息汇总到泵车的信息中心后 ， 为便 于技术人员远程进行分析， 需将泵车状态信息传输到 信息 中心 ， 通用 分组无线 服务技术 G P R S ( G e n e r a l P a c k e t R a d i o S e r v i c e ) 具有传输速率高 、 成本低廉 、 组 网灵活 、 覆盖半径大等优点 ， 可用于组建城域泵车状 态信息网， 实现泵车信息远程传输和集中分析。 1 3系统设计 针对混凝土泵 车的结构组成和特点 ， 对泵车的 伸展结构体使用 Z i g B e e网络传输状态信息 ， 对固定 结构使用 C A N L I N网络传输状态信息， 将状态信息 汇总到车身内部的泵车状态 巾心后使用 G P R S传输 到城域信息中心 ， 系统设计如图 2所示。 图2 混凝土泵车结构及 组成 第 1 期 舒泽芳 ， 彭晓珊等 ： 多网融合的混凝土泵车状态远程监控 系统设计 1 9 5 2 多网融合设计 2 1 监测内容 对臂架系统的状态监测主要包括 4个方面 ： ( 1 ) 振动监测 ， 泵车 的结构属于典 型的承受交 变动载荷悬臂梁结构 ， 研究发现工作频率和结构一 阶固有频率重合导致易发生共振 ， 使臂架部分振 动更 为剧烈 ， 加剧泵车各部位 的疲劳和磨损 ， 形成 恶性循环 ， 因此分析加剧一般与泵车状态非正常相 关 ， 因此需要监测泵车 的振动状 态 ， 本 系统使用加 速度传感器和电阻应变片进行加速度和应变的参 数采集； ( 2 ) 结构状态监测 ， 泵车长时间 的工作会引起 各连接处等大应力部位产生裂纹 ， 危害作业人员 的 生命安全 ， 这些裂纹敏感 区的裂纹扩展速率主要 由 超载 、 平均应力 、 加载频率等 因素造成 ， 其 中应变是 最主要的影响因素 ， 因此仍然要监测泵车连接等关 键部位的应变 ； ( 3 ) 液压状 态监测 ， 泵 车液压 系统结构较为复 杂 、 工作受重大 ， 导致主油泵 、 油缸 、 插装 阀、 电磁阀 等单元部件易故 障， 但液压系统 的压力信号和温度 参数可有效反映液压系统的健康状态， 因此通过检 测液压 系统进 出油 口和重要管道 的压力信号和系 统温度来监测液压系统状态； ( 4 ) 车身状态监 测 ， 车身作为 整个泵 车系统的 支撑点并为系统提供动力 ， 其状态 良好是混凝土泵 车能够正常工作 的基础 ， 因此需对车身进行状态监 测 ， 监测内容主要包括振动状态监测和 电量参数监 测 ， 振 动状态使用振动传感器 ， 电量参数主要依 托 泵车 自身的控制系统加以改造 ， 使用 C A N L I N联合 总线进行监测 。 2 2 Z i g B e e 传输方案 Z i g B e e无线传感器 网络监 测主要用于对臂架 结 构 的状 态监测 ， 根 据故障统计 结合臂架 有 限元 分析 结果 n ， 将监测 点设置在各节臂架末端 ， 分别 使用低频加速度传感器和静 动态应 变仪吸附在臂 架上测试臂架结构的振动参数 和应变状 态。 由于 泵 车臂架 结构较 大所需传感 器较多 ， 对传 输 网络 容量需 求较大 ， 经 分析选择 星型拓扑结 构构建 传 感 器 网络 。加速度传 感器选择 L I S 3 L 0 2 A S 4， 这 是 一 个 3向低功耗传感 器 ， 满 足电池供 电且 工作 量 程 足够 ； 综 合考虑无线 传感器 星型 网络拓 扑结构 和工作 环境状况 ， 应 变传感 器选择三轴 箔丝应 变 片 K F G， 应变类型使 用三轴应变花 ， 测出臂架表 面 的应 变后 根据应力 与应变公式计算臂架表 面应力 状态 ； Z i g B e e 模块 使用挪威 的 C h i p e o n半导体公司 生产 的 2 4 G Hz 射频 收发 芯片 C C 2 4 3 0 ， 该芯 片是 一 颗 真正 的系统芯 片 C MO S解决方 案 ， 可满足 低 功耗 、 低成本 、 外围保障需求低 的要求 。综上 ， Z i g B e e传输方案如 图 3 所 示 ， 在方案中根据传感器距 离车身 前端距离 的不 同 ， 相 应地有不 同数 目的中 继 器确保 臂 架状 态 信息 可靠 地输 送到 状 态 中心 模块 。 c 2 4 块 卜匪 图 3 Z i g B e e 传输 方案 2 3 C AN ， L I N方案 对泵 车液压 系统状态和车 向状态 的监测使用 C A N L I N联合总线 网络进行信息传输 ， 首先需要解 决电源供电问题， 为精简电路使用泵车蓄电池的直 流电， 其电压值是 1 2 V， 但 C A N L I N传输系统需要 1 2 V和 5 V两种电压 ， 因此需要 C A N L I N传输系统 的电源模块设计提供两种 电压且具备稳流、 保护 的 作用。 使用 C A N L I N传输的泵车状态参数主要包括： ( 1 ) 液压系统状态参数 ， 分 电量参数和振动参数 ， 电 量参数由测量电路完成 ， 振动参数使用加速度传感 器完成； ( 2 ) 车身关键部位结构， 主要使用 K F G 3 轴 箔丝应变片监测 ； ( 3 ) 车身状态 ， 主要读取泵车 自身 的系统监测参数 ， 其系统结构如图 4 所示 。 图4 CA N L I N传输方案 图 4中在泵车原有 的控制 网络基础上将 需测 量的状态参数通过 L I N总线发送 到 C AN总线 ， 其 1 9 6 电 子 器件 第 3 9 卷 中需要用到网关模块进行格式转换 ， 其结构设计如 图 5所示 。 C A N总线L I N 总线 图5 网关模块 2 4 泵车信息中心设计方案 泵 车信息 中心接收 Z i g B e e传输的臂架状态信 息并从 C A N总线上接收需要的状态信息 ， 均转换成 G P R S信息模 式远程传输 到城域信息 中心 。其 中 Z i g B e e转 G P R S模块使用 D I G I 公 司的 C o n n e c t P o r t X 4模块实现信号转换 ， C A N转 G P R S模块使用基 于 S T C 8 9 C 5 2控制器 为核心 的嵌入式模块 ， 在监控 系统启动后 ， 两种模块 同时将接收来 的信息转换为 G P R S格式信息并分时发送 ， G P R S 模块使用以杰驰 电子有 限公司 的 MC 3 5 i 收发 引擎为 中心 的模 块 。 其结构设计如图 6 所示。 C A N总线 图6 泵车信息中心结构 3 系统可 靠性设计 3 1 电磁兼容性设计 使用 C A N L I N总线结构进行车身状态监测虽 然 降低 了成本 ， 但是使车用 电子设备数量增加 ， 线 束结构更趋复杂 ， 导致电磁环境复杂化 ， 对电磁兼 容 的处理 问题也变得更加重要。泵车内电磁 干扰 的干扰源包括外部干扰源和 内部干扰源 ， 外部干扰 包括 自然环境 、 广播 电视设备 、 无线通信设备等造 成的干扰 ， 内部干扰源包括点火系统 、 继 电器 、 线圈 等造成的电磁 干扰 。因此对泵车系统 的电磁兼 容 主要措施 主要包括 ： ( 1 ) 在 C A N L I N总线结构的电 源模块中设 置旁路去耦 电容 以消除变压模块 的电 磁干扰 ； ( 2 ) 在各芯片 电源模块设置 0 1 u F去耦 电 容接地 ， 以此滤除模块本身的电磁 杂波 ， 并能阻止 电源噪声对 电路造成 的干扰 ； ( 3 ) 在各通信模块 的 收发端加装 光耦进行 电气 隔离 ； ( 4 ) 加 粗地线 以避 免地线 电位波动 ； ( 5 ) 走线布线尽量短 ， 尽量不出现 弧形布线等。在系统 的进一步设计 中， 将进一步根 据完装测试和实际应用 中发现 的强 电磁干扰问题 进行解决完善 。 3 2 省电管理 本项 目软硬件 系统工作时 自动启动 ， 除泵车状 态中心使用车电外其余各模块均使用蓄电池供电 ， 因此系统 的低功耗设计十分重要 ， 也是衡量本系统 性能的重要指标 ， 系统使用唤醒源控制开关信号的 硬件模式结合软件进行低功耗设计和管理。 系统将 在各个模块与 系统 网络 的收发端设置 唤醒源 ， 车身的 C A N L I N传输结构在泵车启动时系 统通过 L I N总线发出开机命令 ， 使车身监控 的各模 块启动工作 ， 而臂架监控系统在转台启动后通过泵 车信息 中心的 C C 2 4 3 0模块发送开机命令 ， 使 Z i g B e e 各结构模块开始工作 。在系统满足低功耗条件 后 ， 泵车信息 中心的分时管理模块发送命令至各工 作模块 ， 使各节点进人低功耗模式 ， 当低功耗 3 mi n 之后分时管理模块发送超低功耗模块信息 ， 各结构 进人超低功耗模式 。此后分时模块 以 1 H z的频率 检查泵车液压 系统的工作状态 ， 在其启动后发 出唤 醒命令至各唤醒源 ， 各唤醒源分别驱动各模块开肩 工作模式。 4 系统测试 本 系统基 于基金支撑面 向工业应用及推广普 及 ， 目前 已初步完成一期工作 ， 建立了简化型的状态 收集与传输 系统 ， 并使用 三一 重工 的 S Y 5 4 1 9 T H B 5 3 0 C 一 8混凝 土输送泵车进行 了系统性能 的测试 。 其系统显示界面如图 7所示。 在显示界面下方 的状态信息中 ， 点击详细信息 即可看到远程的混凝土泵车的详细参数信息 ， 如图 8 所示 。 在测试 中泵 车装 载系统 软硬件 系统分别在不 同的距离测试传输可靠性数据 ， 设置数据率为 1 Hz ， 各距离测试时长 1 h ， 其结果如表 1 所示。 在 2 0 k m的距离 时丢包率突然增 大 ， 至 3 0 k m 恢复正常 ， 经分析发现 3 0 k m的测试点处于群 山环 绕的山谷 中， 距离基站距离较远导致 G P R S信号较 差 ， 丢包率较高。在其他情况下系统保持了较低的 丢包率 。有效测试 时长共计 1 4 h ， 出现故障 3次 ， 可见系统可靠性和环境适应性还有待提高。 里 一芏