郭曉龍 宋仁旺 任 鵬

(太原科技大學電子信息工程學院，太原 030024)

目前，在工程機械遠程故障診斷中，國內(nèi)大多數(shù)檢測還停留在維修人員現(xiàn)場診斷模式，而維修大多采用事后維修的手段。這種維修策略已不適用于當今工程機械的維修，它不僅嚴重影響了工程機械的使用壽命，增加了維修成本，同時在工程機械施工過程中出現(xiàn)突發(fā)性故障時，也不能快速、安全、準確地進行維修。隨著智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，工程機械制造、診斷技術(shù)也逐步向網(wǎng)絡化、信息化、智能化和綠色化方向靠攏，尤其是先進智能制造技術(shù)的引入，使這種完全依靠現(xiàn)場維修人員對知識儲備的診斷維修策略，不適合現(xiàn)在快速維修的理念，因此，如何能夠遠程、在線、實時、快速、準確地進行故障診斷，成為各維修廠商亟待解決的問題。

遠程故障診斷系統(tǒng)是將終端采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程故障診斷專家系統(tǒng)中，專家系統(tǒng)通過對大量數(shù)據(jù)的分析，快速找到故障所在處并提出合理的維修策略，然后將維修策略反饋給維修人員[1～5]。然而在整個遠程故障診斷系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)能否安全、準確地傳輸?shù)竭h程故障診斷專家系統(tǒng)中，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵點之一。張歡等研究了基于GPRS(General Packet Radio Service)技術(shù)的遠程故障診斷[6]，由于GPRS的傳輸速率慢，依賴于信號的良好覆蓋，這種低速率傳輸不利于現(xiàn)有大量數(shù)據(jù)的傳輸。張宏提出基于3G的遠程故障診斷系統(tǒng)[7]，雖然3G網(wǎng)絡的傳輸速率可以滿足使用要求，但是其使用費用較高，而在使用遠程故障診斷系統(tǒng)時需要傳輸大量的采集數(shù)據(jù)，同時進行數(shù)據(jù)交換，這無疑又間接增加了運營成本，不利于遠程診斷的可持續(xù)發(fā)展。

WIFI(Wireless-Fidelity)無線模塊是基于IEEE 802.11 b/g標準規(guī)范，由AP(Access Point)和無線網(wǎng)卡組成的無線網(wǎng)絡，最高傳輸速率可以達到11Mbit/s,WIFI模塊通過連接熱點進行數(shù)據(jù)傳輸，并且數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性和高效性，更重要的是WIFI模塊可以替代3G模塊，不必專門為了傳輸數(shù)據(jù)而去購買一張3G手機卡，它可以通過手機或其他移動熱點來進行網(wǎng)絡連接，且不必考慮使用4G及5G等網(wǎng)絡用來加快傳輸速度去更新硬件設備，只需要通過系統(tǒng)的優(yōu)化及專家系統(tǒng)的更新等軟件因素來提高系統(tǒng)性能，增強故障診斷的快速性、準確性和可靠性。

面對工程機械故障診斷、維修中的實際問題，筆者將WIFI技術(shù)應用于工程機械遠程故障診斷系統(tǒng)中，將有利于解決遠程故障診斷網(wǎng)絡傳輸?shù)母鞣N實際問題。

1 總體設計

在整個遠程故障智能診斷系統(tǒng)設計框架中，考慮到智能診斷需要將大量的采集數(shù)據(jù)作為診斷依據(jù)，而數(shù)據(jù)采集如果直接連接智能處理芯片，會消耗處理器的其他運算能力，所以在硬件設計中，將數(shù)據(jù)采集與智能處理芯片分離開來實現(xiàn)“雙核”功能。其中一核用作智能采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過表決法及聚類分析等方法，把數(shù)據(jù)做初步處理；另一核用作智能處理，在智能系統(tǒng)的基礎上，將采集來的數(shù)據(jù)通過專家系統(tǒng)的理念，作為小型的智能診斷終端，解決一些簡單的故障問題，減輕服務器的壓力，防止數(shù)據(jù)大量地涌入服務器。

1.1 硬件

工程機械遠程故障診斷系統(tǒng)硬件部分主要包括處理器ARM、WIFI無線模塊、LED顯示屏、數(shù)據(jù)采集模塊、FLASH、電源及時鐘等，其硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 工程機械遠程故障診斷系統(tǒng)硬件組成框圖

ARM 920T核心處理器。ARM 920T是一個帶有內(nèi)存管理單元并支持16位Thumb指令集和32位ARM指令集的五級流水芯片，其體積和質(zhì)量小、功耗低且性能高，使用了大量寄存器，尋址簡單，執(zhí)行效率高，主頻可達533MHz。在本設計方案中，ARM 920T起到控制和處理數(shù)據(jù)的作用。作為控制器，它起到了對網(wǎng)絡信號的檢測及連接熱點等控制作用。在數(shù)據(jù)處理方面，將從WIFI模塊上接收到的數(shù)據(jù)進行解包、解壓、數(shù)據(jù)分析，或?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)壓縮、打包、發(fā)送。

WIFI無線模塊選用的是RT3070芯片，該芯片支持64、128、152bit加密，WPA/WPA2及WPA-PSK/WPS2-PSK等高級加密與安全機制，以多種方式保護網(wǎng)絡數(shù)據(jù)安全，同時它符合802.11 n/g/b標準，傳輸速率150Mbit/s,傳輸距離300m，穩(wěn)定性好，性價比高。在使用RT3070芯片的過程中可以完全屏蔽底層硬件，通過加載好的驅(qū)動程序接口，使用Socket語句來連接無線網(wǎng)絡，并且在每發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包后進行網(wǎng)絡狀態(tài)判斷，通過網(wǎng)絡狀態(tài)來有效地進行數(shù)據(jù)收發(fā)，雖然這種網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測消耗了一定的時間，但是對數(shù)據(jù)的安全性起到了一定的保護作用。

數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊是故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，它的數(shù)據(jù)準確性、可靠性和快速性直接影響著故障診斷的結(jié)果，筆者通過實際需求，設計了基于Modbus-rtu協(xié)議的數(shù)據(jù)采集模塊，該協(xié)議包括1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，還有CRC校驗，它的幀格式簡單、緊湊，同時又有16位的CRC校驗，滿足了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖偌翱煽康刃枨蟆?/p>

電源模塊。在整個硬件電路的設計中，電源模塊的設計非常重要，它提供各模塊(ARM 920T、WIFI模塊、FLASH及USB等)需要的不同工作電壓。使用5V的輸入電壓，然后分別通過LM1117-1.8V芯片、LM1117-3.3V芯片、MAX8860EUA18芯片生成1.8、3.3、1.25V電壓，為各器件和模塊提供所需要的電壓。

1.2 軟件設計

系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。系統(tǒng)的軟件部分可以分為Linux操作系統(tǒng)和用戶應用程序兩大部分。Linux系統(tǒng)主要負責內(nèi)核的調(diào)度、內(nèi)存清理及屏蔽底層硬件等，為用戶層應用程序做好準備。而用戶應用程序是為了實現(xiàn)用戶需求而單獨開發(fā)的一套應用程序。

圖2 系統(tǒng)軟件框圖

在整個軟件開發(fā)過程中，利用QT軟件具有的良好人機交互特點和可移植性，對整個應用程序進行軟件開發(fā)，開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 軟件流程

1.3 模塊數(shù)據(jù)傳輸

根據(jù)上述具體需求和目標，結(jié)合實際應用提出將WIFI模塊與智能終端的串口或USB相連接，進行大量數(shù)據(jù)的收發(fā)，保證信息在傳輸過程中的安全性、可靠性和快速性。傳輸原理如圖4所示。

圖4 WIFI模塊傳輸原理

2 測試

根據(jù)上述的工作原理與數(shù)據(jù)傳輸要求，進行測試。并不是直接將WIFI模塊與ARM處理器相連接后就可以進行數(shù)據(jù)收發(fā)，需要先將WIFI模塊驅(qū)動加載到Linux系統(tǒng)中，然后依據(jù)驅(qū)動程序接口進行網(wǎng)絡配置和程序編寫，這樣才能實現(xiàn)所需要的收發(fā)功能。

向內(nèi)核加載WIFI模塊驅(qū)動。所謂的WIFI模塊驅(qū)動就是屏蔽了底層硬件設備，為操作系統(tǒng)和應用程序提供一個訪問、使用硬件設備的接口，通過接口操作來實現(xiàn)功能的一段程序。由于硬件模塊生產(chǎn)廠商的不同，需要加載不同的模塊驅(qū)動，筆者基于RT3070模塊加載了驅(qū)動程序，加載方法如圖5所示。

圖5 WIFI模塊加載過程

WIFI網(wǎng)絡配置。系統(tǒng)的usr/sbin目錄下有3個實用命令程序，分別是SCAN-WIFI、start-WIFI和stop-WIFI,作用分別是無線掃描、開始網(wǎng)絡和停止網(wǎng)絡，筆者采用QT應用程序進行了圖形界面開發(fā)。

數(shù)據(jù)收發(fā)測試。在PC機上通過TCP/UDP Socket調(diào)試工具來模擬一個服務器，在板子上寫入數(shù)據(jù)并進行接收。經(jīng)過測試，在空曠地帶250m范圍內(nèi)和使用串口連接都可以達到要求，說明該設計可以安全可靠地進行數(shù)據(jù)收發(fā)，具有良好的可靠性和可擴展性。

3 結(jié)束語

系統(tǒng)以ARM+WIFI+數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)為硬件平臺，采用Linux操作系統(tǒng)和QT圖形界面開發(fā)軟件，將WIFI模塊應用到遠程故障診斷系統(tǒng)終端，來提高對大量數(shù)據(jù)進行快速、準確、安全傳輸?shù)男阅?，避免了在使用無線網(wǎng)卡時因網(wǎng)絡快速發(fā)展而需要更新硬件模塊的問題，解放了專屬的無線網(wǎng)卡，降低了后期投入費用。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進行安全、準確、可靠的收發(fā)，傳輸距離可達200m，具有實際應用價值，雙接口模式有利于擴展，具有廣闊的實際應用價值和前景。

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