基于CAN總線和WiFi通信的爬架組監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀尊義，勞振煜，李 宏

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

0 引言

爬架是建設(shè)部在建筑業(yè)重點(diǎn)推廣和應(yīng)用的新技術(shù)[1]，是一種附著在建筑物結(jié)構(gòu)上，依靠自身的提升設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)升降的懸空腳手架，特別適用于高層建筑施工。爬架組是由多個(gè)架體沿著建筑物圍成一圈形成的整體，它既可以整體升降也可以分片升降。由于爬架往往懸在高層建筑上，施工人員作業(yè)危險(xiǎn)性非常大，為了保障施工安全必須對(duì)爬架組的安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。目前國(guó)內(nèi)對(duì)爬架的研究多數(shù)停留在結(jié)構(gòu)和動(dòng)力設(shè)備的改進(jìn)上，如文獻(xiàn)[2]提出的集成式爬架，文獻(xiàn)[3]提出的液壓步進(jìn)式爬架，對(duì)爬架控制安全方面的研究較少。近年來(lái)隨著對(duì)施工安全的不斷重視，開始有對(duì)爬架控制安全的研究，如文獻(xiàn)[4]提出的基于485總線的爬架控制系統(tǒng)，通過(guò)便攜式PC機(jī)和專用控制儀表來(lái)監(jiān)控爬架，提高了爬架運(yùn)行的安全性。但485總線構(gòu)成的主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性并不理想，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控爬架的需求。并且控制現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備間多采用有線連接，致使現(xiàn)場(chǎng)布線復(fù)雜，監(jiān)控設(shè)備移動(dòng)性差[5]，為爬架的可靠運(yùn)行埋下了安全隱患。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線和WiFi通信的爬架組監(jiān)控系統(tǒng)，能有效減少現(xiàn)場(chǎng)布線，增強(qiáng)監(jiān)控設(shè)備的可移動(dòng)性，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控爬架安全的需求。該系統(tǒng)由分控器、協(xié)調(diào)器和上位機(jī)構(gòu)成，通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)各分控器和協(xié)調(diào)器間的通信，通過(guò)WiFi模塊實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器和PC端上位機(jī)的無(wú)線通信。分控器主要起到數(shù)據(jù)采集的作用，采集爬架的重要參數(shù)信息并上傳給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器主要起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用，利用TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。用戶可以很方便地在PC端查看爬架組的所有參數(shù)信息，一旦發(fā)現(xiàn)報(bào)警可立即通過(guò)上位機(jī)操控爬架，及時(shí)排除險(xiǎn)情。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

爬架組監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)如圖1所示，自底向上可將其分為三層：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層和數(shù)據(jù)處理層。

圖1 爬架組監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層是指分控器采集爬架的基本參數(shù)信息。分控器安置在爬架組的各個(gè)架體上，每個(gè)分控器都擁有重力傳感器、拉線傳感器和傾角傳感器分別采集所在架體的拉力、高度和傾角。分控器一面將傳感器信息和故障信息通過(guò)CAN總線上傳給協(xié)調(diào)器，另一面從協(xié)調(diào)器接收上位機(jī)下發(fā)的控制命令來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層主要由協(xié)調(diào)器和WiFi模塊組成。協(xié)調(diào)器接收到分控器上傳的數(shù)據(jù)后將其打包通過(guò)WiFi模塊發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)從WiFi模塊接收上位機(jī)下發(fā)的控制命令并通過(guò)CAN總線發(fā)送給各個(gè)分控器。

數(shù)據(jù)處理層是指PC端的上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后將其解析，并在上位機(jī)界面上顯示。上位機(jī)有狀態(tài)顯示、記錄查看、系統(tǒng)控制、參數(shù)控制等功能。用戶可以通過(guò)狀態(tài)顯示對(duì)爬架的安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，也可以通過(guò)系統(tǒng)控制發(fā)送命令給分控器對(duì)其進(jìn)行操控，如此便實(shí)現(xiàn)了對(duì)爬架組的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集層的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集層由25個(gè)分控器以及傳感器組成。分控器采用STM32F103為主控芯片，配合檢測(cè)電路、繼電器電路、CAN收發(fā)電路、LCD接口等外圍電路，其主要職責(zé)是采集所在架體的參數(shù)信息以及控制架體的升降。數(shù)據(jù)采集層采用CAN總線來(lái)構(gòu)建各分控器間的通信網(wǎng)絡(luò)，理論上CAN總線可容納的終端節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)不受限制[6]，但本系統(tǒng)中僅連接25個(gè)分控器，可有效減輕總線上的負(fù)荷。傾角傳感器采用的是MPU6050，可測(cè)得架體在前后、左右兩個(gè)方向的傾斜角度。拉線傳感器采用的是MPS-L-MA電流型傳感器，其量程范圍為0～5 000 mm。重力傳感器采用電壓型稱重傳感器，其量程范圍為0～10 T。LCD用于顯示參數(shù)信息與故障信息，E2PROM用于存儲(chǔ)報(bào)警參數(shù)閾值，固態(tài)繼電器用于控制電機(jī)，分控器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分控器硬件結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)層的核心部件是協(xié)調(diào)器和WiFi模塊，在系統(tǒng)中主要起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用。協(xié)調(diào)器的主控芯片采用的是ST公司的STM32F107，內(nèi)置CAN控制器，可提供兩路CAN接口，具有功耗低、成本低、性能高的特點(diǎn)，能滿足數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的要求。板上外擴(kuò)了一個(gè)SRAM存儲(chǔ)器，因?yàn)樯婕暗酵ㄐ啪幊虒?duì)內(nèi)存需求較大，協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)

WiFi模塊采用的是ESP8266，它內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧，完全支持IEEE 802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)，支持UART/GPIO數(shù)據(jù)通信接口，能很方便地通過(guò)串口與微控制器連接[7]。該模塊可分別在STA/AP/STA+AP三種模式下工作，在本系統(tǒng)中將其配置為AP模式，PC機(jī)作為一個(gè)station接入ESP8266與其構(gòu)成無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互訪。WiFi模塊硬件電路如圖4所示。

圖4 WiFi模塊硬件電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括CAN通信設(shè)計(jì)、分控器軟件設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)、WiFi通信設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 CAN通信設(shè)計(jì)

3.1.1 CAN應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器與各分控器間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從OSI網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)看，CAN總線僅僅定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并未對(duì)其他層做出規(guī)定，因此用戶可根據(jù)實(shí)際需求定義應(yīng)用層協(xié)議[8]。在本系統(tǒng)中主要用到了CAN總線的數(shù)據(jù)幀，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 CAN數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)功能特點(diǎn)將CAN數(shù)據(jù)幀的11位標(biāo)識(shí)符劃分為3個(gè)區(qū)域：2位用來(lái)標(biāo)志優(yōu)先級(jí)，3位用來(lái)標(biāo)志幀類型，6位用來(lái)標(biāo)志節(jié)點(diǎn)編號(hào)。在設(shè)計(jì)中共定義了8種幀類型，其中急停幀用來(lái)廣播停止命令；報(bào)警幀用來(lái)發(fā)送故障信息給協(xié)調(diào)器；測(cè)試幀用來(lái)測(cè)試分控節(jié)點(diǎn)是否連接上；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信幀用來(lái)設(shè)置單個(gè)分控的節(jié)點(diǎn)編號(hào)；傳感器信息幀用來(lái)傳輸傳感器信息；受控設(shè)置幀用來(lái)發(fā)送信息給被控制的分控節(jié)點(diǎn)；控制命令幀用來(lái)發(fā)送控制命令給各分控節(jié)點(diǎn)；閾值設(shè)置幀用來(lái)發(fā)送報(bào)警閾值給分控節(jié)點(diǎn)。具體的定義如表1所示。

表1 報(bào)文幀類型表

優(yōu)先級(jí)標(biāo)志(2位)幀類型標(biāo)志(3位)節(jié)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)志(6位)幀類型000000-111111急停幀010010-111111報(bào)警幀100100-111111測(cè)試幀100110-111111點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信幀111000-111111傳感器信息幀011010-111111受控設(shè)置幀011100-111111控制命令幀011110-111111閾值設(shè)置幀

3.1.2 在線檢測(cè)機(jī)制

協(xié)調(diào)器向分控器請(qǐng)求數(shù)據(jù)前先要確認(rèn)其是否在線。協(xié)調(diào)器每隔500 ms對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的分控器發(fā)起一次輪詢檢測(cè)，采用“三次握手”方式確認(rèn)分控器是否在線。若在輪詢檢測(cè)中向某分控器發(fā)送測(cè)試幀，連續(xù)三次均未收到回復(fù)，則認(rèn)為該分控器已掉線，向接下去的分控器發(fā)起測(cè)試。在線檢測(cè)通信過(guò)程如圖6所示。

圖6 在線檢測(cè)通信過(guò)程

3.2 分控器軟件設(shè)計(jì)

分控器的職責(zé)是采集爬架組的基本信息并對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，其軟件設(shè)計(jì)可分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。在主程序中，分控器先進(jìn)行硬件資源初始化和開機(jī)自檢。接著判斷自己是否接入CAN通信網(wǎng)絡(luò)，若成功接入就采集爬架的基本參數(shù)信息，包括拉力、高度、傾角，然后把這些數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器信息幀發(fā)給協(xié)調(diào)器，此外還要響應(yīng)控制指令對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。主程序的工作流程如圖7所示。中斷服務(wù)程序主要包括：通信狀態(tài)的檢測(cè)、按鍵信號(hào)的掃描、CAN通信處理和故障信息處理。其中CAN通信處理是指分控器接收到協(xié)調(diào)器下發(fā)的各種CAN數(shù)據(jù)幀后并進(jìn)行相應(yīng)的處理。故障信息處理是指分控器集中處理檢測(cè)到的故障信息并通過(guò)報(bào)警幀發(fā)給協(xié)調(diào)器。

圖7 分控器主程序流程

3.3 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，協(xié)調(diào)器在μC/OS-II操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)[9]，其軟件結(jié)構(gòu)可分為3層：驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層。應(yīng)用層包括3個(gè)任務(wù)，分別為WiFi通信任務(wù)和CAN通信任務(wù)、LCD顯示任務(wù)。在WiFi通信任務(wù)里，協(xié)調(diào)器一面接收上位機(jī)下發(fā)的命令，另一面將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給上位機(jī)；在CAN通信任務(wù)里，協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)在CAN通信網(wǎng)絡(luò)里與各個(gè)分控器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；LCD顯示任務(wù)中主要是顯示協(xié)調(diào)器與各個(gè)分控器以及上位機(jī)的通信狀況。協(xié)調(diào)器的軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 協(xié)調(diào)器軟件結(jié)構(gòu)

3.4 WiFi通信設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間的無(wú)線通信采用TCP/IP協(xié)議。TCP協(xié)議提供了無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性，并且同時(shí)提供了流量控制和擁塞控制[10-11]，所以在對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析時(shí)，大大降低了PC端上位機(jī)軟件的處理壓力。為了適應(yīng)協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，在TCP/IP協(xié)議以上制定了滿足系統(tǒng)功能需要的數(shù)據(jù)包格式。起始符和結(jié)束符各占兩個(gè)字節(jié)，規(guī)定了數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束。包類型規(guī)定了數(shù)據(jù)包的類型是狀態(tài)數(shù)據(jù)包還是命令數(shù)據(jù)包，狀態(tài)數(shù)據(jù)包是協(xié)調(diào)器向上發(fā)送的爬架參數(shù)信息，命令數(shù)據(jù)包是上位機(jī)向下發(fā)送的控制命令。包長(zhǎng)度規(guī)定了數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)包的具體定義如圖9所示。

起始符(2byte)包類型(1byte)包長(zhǎng)度(1byte)數(shù)據(jù)1(1byte)…數(shù)據(jù)n(1byte)結(jié)束符(2byte)

圖9數(shù)據(jù)包格式

WiFi模塊的配置以及通信功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)向其發(fā)送AT指令來(lái)完成的。在協(xié)調(diào)器中通過(guò)MCU用串口向模塊發(fā)AT指令的方式將ESP8266配置為AP模式，在這個(gè)模式下WiFi模塊是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(相當(dāng)于路由器)，而PC機(jī)則是個(gè)無(wú)線終端。為了方便應(yīng)用層的調(diào)用，在驅(qū)動(dòng)層中編寫WiFi收發(fā)函數(shù)：ErrorStatus ESP8266_recv_message(char *msg,char *num,uint8_t *length)和ErrorStatus ESP8266_send_message(uint8_t *msg,uint8_t length,uint8_t num)。在WiFi通信任務(wù)中協(xié)調(diào)器與上位機(jī)的通信流程如圖10所示。

圖10 WiFi通信流程

3.5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，其職責(zé)是實(shí)時(shí)監(jiān)控爬架組的參數(shù)信息，幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、處理報(bào)警，保證爬架穩(wěn)定安全地運(yùn)行。上位機(jī)軟件是采用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW編寫的。LabVIEW集成了大量有關(guān)數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和存儲(chǔ)的工具和函數(shù)，在測(cè)量、監(jiān)控等領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)[12]。

上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)包括三大部分：WiFi通信、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制。首先是WiFi通信，當(dāng)上位機(jī)檢測(cè)到WiFi開啟后，打開TCP連接函數(shù)并輸入相應(yīng)的IP地址和端口號(hào)[13]，然后調(diào)用TCP read讀取TCP數(shù)據(jù)將其放在接收緩存區(qū)。接著是數(shù)據(jù)處理，對(duì)接收緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后按照不同的需求對(duì)其進(jìn)行處理分別是數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)查詢。系統(tǒng)控制是相對(duì)獨(dú)立的一部分，包括參數(shù)設(shè)置、激活組設(shè)置和動(dòng)作控制，每部分的操作指令都會(huì)轉(zhuǎn)換成命令數(shù)據(jù)包的形式，通過(guò)調(diào)用TCP write下發(fā)給協(xié)調(diào)器。上位機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)如圖11所示,上位機(jī)的程序流程如圖12所示。

圖11 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

圖12 上位機(jī)程序流程

首先上位機(jī)對(duì)用到的資源進(jìn)行初始化，包括顯示控件恢復(fù)到默認(rèn)的狀態(tài)，系統(tǒng)參數(shù)從配置文件中加載出來(lái)，參數(shù)閾值從本地磁盤的文件中讀出來(lái)等。接著打開WiFi與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，上位機(jī)通過(guò)協(xié)調(diào)器來(lái)接收在線分控器采集的爬架基本參數(shù)信息并顯示，根據(jù)用戶的操作決定是否將數(shù)據(jù)保存或是否查詢數(shù)據(jù)庫(kù)。然后根據(jù)閾值參數(shù)判斷爬架參數(shù)是否正常，若異常進(jìn)行報(bào)警指示。最后用戶選定激活組并對(duì)組內(nèi)的爬架進(jìn)行控制，通過(guò)TCP write將指令下發(fā)給協(xié)調(diào)器。

4 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)的功能與性能進(jìn)行測(cè)試，用CAN總線連接分控器和協(xié)調(diào)器，當(dāng)系統(tǒng)上電后打開PC端的上位機(jī)軟件，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的上位機(jī)軟件圖形界面如圖13所示。

按照功能可以將上位機(jī)界面分為參數(shù)設(shè)置、記錄查看、系統(tǒng)控制、狀態(tài)顯示這4個(gè)區(qū)域。參數(shù)設(shè)置是用戶可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定傳感器的報(bào)警閾值，并將其下發(fā)給各個(gè)分控器。記錄查看是幫助用戶可查看所有爬架組的傳感器信息和故障信息，并且上位機(jī)會(huì)定時(shí)將這些信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)文件里供用戶查看歷史記錄。在系統(tǒng)控制中用戶通過(guò)點(diǎn)擊圖形按鈕直接操控爬架的升降。狀態(tài)顯示是上位機(jī)會(huì)將爬架組的所有信息(包括拉力、高度、傾角、故障信息)通過(guò)圖形化的方式在左側(cè)面板上顯示出來(lái)，用戶可以很直觀地觀察到爬架的安全狀況。

圖13 上位機(jī)軟件圖形界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線和WiFi通信的爬架組監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由分控器、協(xié)調(diào)器和PC端上位機(jī)構(gòu)成，采用可靠性更高的CAN總線構(gòu)建協(xié)調(diào)器與各分控器間通信網(wǎng)絡(luò)，使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各站點(diǎn)間能自由通信，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。采用WiFi模塊實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器和PC端上位機(jī)的無(wú)線通信，PC機(jī)可在任何接收到無(wú)線的地方對(duì)爬架進(jìn)行監(jiān)控，克服了現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)受有線連接限制的弊端，提高了系統(tǒng)的靈活性和便捷性。實(shí)際測(cè)試表明該系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，能有效提高爬架運(yùn)行的安全性，保障施工人員的人身安全，在建筑施工領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

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