基于ZigBee和安卓的數(shù)字化焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董昌文 ，金 禮，薛家祥，張俊紅

（1.貴州民族大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，貴陽 550025；2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬焊機(jī)逐漸被新型的數(shù)字化焊機(jī)所取代，焊接工藝快速向多功能化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化方面發(fā)展[1-3]。在焊接過程中，各種焊接工藝參數(shù)的監(jiān)控是關(guān)系到焊接質(zhì)量的重要因素。實(shí)時(shí)測量和處理焊接過程中的參數(shù)，在焊接過程中占據(jù)重要的地位[4]。由于傳統(tǒng)有線通訊多焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在焊接過程中還存在以下不足[5-6]：①焊接現(xiàn)場焊機(jī)數(shù)量眾多，且所處位置不同，較為分散，不利于焊機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測及設(shè)備調(diào)度；②多臺焊機(jī)同時(shí)進(jìn)行焊接操作，各臺焊機(jī)中電流、電壓相互耦合和干擾，容易造成焊接缺陷，影響焊縫成形質(zhì)量；③有線通信時(shí)布線復(fù)雜，焊接信號容易受到外界信號干擾，因而系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性有待提高。因此，采用ZigBee技術(shù)和安卓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多焊機(jī)群控系統(tǒng)，可對焊接電流和電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)多焊機(jī)系統(tǒng)的信息化和網(wǎng)絡(luò)化。

1 數(shù)字化焊機(jī)群控系統(tǒng)總體框架

圖1所示為基于ZigBee和安卓的數(shù)字化焊機(jī)集群控制網(wǎng)絡(luò)示意圖，其工作原理為采用網(wǎng)狀拓?fù)湓O(shè)計(jì)焊機(jī)監(jiān)控平臺，節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸路徑具有多種可能，當(dāng)通信系統(tǒng)中某一路由節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，仍可保證數(shù)據(jù)可傳送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，具有較好的自愈能力和更好的可靠性，同時(shí)，可保證數(shù)據(jù)在最短路徑下傳輸，使數(shù)據(jù)傳輸可保持較低的時(shí)延。在基于安卓的監(jiān)控端上，ZigBee模塊通過串口與安卓的USB接口相連接，通過安卓底層軟件編碼，實(shí)現(xiàn)ZigBee硬件模塊與安卓智能設(shè)備的通信連接。

圖1 基于ZigBee和安卓的數(shù)字化焊機(jī)集群控制網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of digital welding machine cluster control network based on ZigBee and Android

2 硬件設(shè)計(jì)

基于ZigBee和安卓的數(shù)字化多焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件模塊主要由人機(jī)交互模塊、CPU模塊、ZigBee模塊組成，如圖2所示。

圖2 硬件模塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of hardware module

2.1 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊采用了STM32F103C4嵌入式微型處理器控制芯片，該芯片具有較好的控制性能，對于數(shù)字化焊機(jī)控制面板的焊接參數(shù)控制以及對和數(shù)字化焊機(jī)CPU模塊的通信主要通過它來實(shí)現(xiàn)。電源供電和I/O接口的驅(qū)動(dòng)電壓為2.0～3.6 V。人機(jī)交互模塊有串行模式和JTAG接口2種調(diào)試模式，STM32F103C4芯片是一種性能高、成本低、功耗少的專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。

圖3 人機(jī)交互模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Diagram of human-computer interaction module

控制面板的功能設(shè)計(jì)涉及到大量的外部控制電路，要求主控芯片具備大量的I/O管腳。由于STM32的管腳數(shù)量無法滿足設(shè)計(jì)要求，因而在所設(shè)計(jì)人機(jī)交互模塊時(shí)，采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD（complex programmable logic device）設(shè)計(jì)輔助控制器，協(xié)助STM32完成LED的狀態(tài)顯示以及編碼器輸入功能。基于輔助控制CPLD芯片要求性能優(yōu)越，功耗低，綜合考慮性能以及價(jià)格等因素，選用了Altera公司的MAX II系列CPLD的EPM240T100。

2.2 CPU模塊

選用TI公司的TMS320F2808作為CPU模塊室溫主控芯片。TMS320F2808采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻可以工作在100 MHz；具有內(nèi)存儲器容量64 K×16 b的 Flash，18 K×16 b的 SARAM和1 K×16 b的一次性可編程存儲器，具有時(shí)鐘和系統(tǒng)控制，支持鎖相環(huán)（PLL）模塊，看門狗定時(shí)器模塊；同時(shí)擁有具有12 b的ADC，具有16個(gè)通道，包括2個(gè)8通道的多路輸入器，2個(gè)采樣保持電路，可單獨(dú)或同時(shí)轉(zhuǎn)換，且具有快速轉(zhuǎn)換速率，可選擇內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)。

2.3 ZigBee模塊

ZigBee模塊選用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的ZM5168模塊。在實(shí)際測試中，該模塊通信丟包率低于3%，具有良好的性能。設(shè)計(jì)ZM5168與焊機(jī)主控板的電路連接如圖4所示。其中，TXD、RXD管腳分別與主控芯片DSP的RXD、TXD管腳相連接。State管腳與LED電路相連接，通過LED展示模塊工作狀態(tài)。RESETN管腳與按鍵復(fù)位電路相連接。LINK管腳與主控芯片I/O管腳相連接，以方便主控芯片識別通信連接狀態(tài)。

圖4 ZigBee模塊外圍電路Fig.4 Peripheral circuit of ZigBee module

同樣地，在基于安卓的監(jiān)控端上，ZigBee模塊通過串口與安卓的USB接口相連接，通過安卓底層軟件編碼，實(shí)現(xiàn)ZigBee模塊與安卓智能設(shè)備的通信連接。

3 監(jiān)控終端及驗(yàn)證試驗(yàn)

基于安卓的監(jiān)控終端無法與ZigBee模塊接口直接通信，因此設(shè)計(jì)基于監(jiān)控終端USB接口的通信模塊電路。采用CH340G實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端的USB信號轉(zhuǎn)串口信號，設(shè)計(jì)電路如圖5所示。其中，P3與DSP串口連接。

圖5 USB轉(zhuǎn)串口電路Fig.5 USB interface to serial interface circuit

基于安卓平臺，設(shè)計(jì)數(shù)字化多焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控終端。監(jiān)控終端軟件APP包含了網(wǎng)絡(luò)通信功能、數(shù)據(jù)庫功能及頁面顯示等功能。基于Android6.0系統(tǒng)的平板電腦，采用IDE軟件Android Studio開發(fā)數(shù)字化多焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的本地監(jiān)控APP軟件。綜合考慮數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理和存儲等需求，開發(fā)具有多個(gè)顯示界面的Android應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對多臺數(shù)字化焊機(jī)的監(jiān)控。在Android軟件開發(fā)中，可采用Activity或Fragment組件進(jìn)行UI設(shè)計(jì)。相對于Activity組件，F(xiàn)ragment所占用的系統(tǒng)資源相對更少，UI顯示的實(shí)現(xiàn)過程也更便捷和靈活。因而，采用Activity內(nèi)嵌套Fragment的方式開發(fā)數(shù)字化多焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控APP的UI界面。

數(shù)字化焊機(jī)監(jiān)控終端APP的軟件工作流程如圖6所示，APP啟動(dòng)時(shí)，首先啟動(dòng)主線程，用戶登錄后，初始化參數(shù)和UI界面，然后啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信線程，獲取數(shù)字化焊機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)并顯示在相應(yīng)的Fragment界面中。

圖6 監(jiān)控終端APP的軟件工作流程Fig.6 Software flow chart of monitoring terminal APP

數(shù)字化焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)平臺采集焊機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過監(jiān)控界面顯示給用戶，方便用戶對焊機(jī)進(jìn)行控制。在所設(shè)計(jì)數(shù)字化焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)平臺中，主要包括以下功能：

（1）運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集：主要包括數(shù)字化焊機(jī)在運(yùn)行過程中的電壓、電流等電氣數(shù)據(jù)，外界環(huán)境溫度、濕度等環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)以及焊機(jī)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的故障信息數(shù)據(jù)；

（2）焊接參數(shù)修改：可通過手持終端控制軟件或控制PC對焊接參數(shù)進(jìn)行修改；

（3）界面顯示：可在終端控制軟件上顯示焊接參數(shù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及環(huán)境參數(shù)；

（4）數(shù)據(jù)存儲：在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中存儲焊接狀態(tài)參數(shù)，焊接參數(shù)歷史數(shù)據(jù)庫和焊接狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫為焊機(jī)的操作和維修提供重要參考；

（5）智慧決策：通過對歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為即將進(jìn)行焊接的材料提供合適的焊接參數(shù)方案。

（6）故障檢測及分析：通過采集焊機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫，對焊機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析及預(yù)測，并將分析結(jié)果通過界面展示給用戶。

所設(shè)計(jì)的數(shù)字化焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行焊接驗(yàn)證試驗(yàn)，對應(yīng)的監(jiān)控終端APP主要界面如圖7所示，控制焊接的實(shí)際過程，有設(shè)備監(jiān)控、報(bào)警管理、生產(chǎn)管理、質(zhì)量分析、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、工藝規(guī)格和焊接參數(shù)7個(gè)分界面。由圖7（c）可以得到焊接監(jiān)控試驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果，由圖中的0001號數(shù)字化焊機(jī)的參數(shù)設(shè)置信息和電流電壓實(shí)際監(jiān)控曲線可知，焊接監(jiān)控驗(yàn)證試驗(yàn)采用的是雙脈沖熔化極氣保焊，設(shè)定的焊接電流和焊接電壓分別為90.0 A和22.0 V，監(jiān)控得到的焊接電流和焊接電壓分別為90.1 A和22.2 V，與設(shè)定值十分接近，誤差很小。說明該數(shù)字化焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)，可以穩(wěn)定地表征實(shí)際焊接過程，實(shí)現(xiàn)多臺數(shù)字化焊機(jī)的監(jiān)控和管理。

圖7 基于ZigBee和安卓的數(shù)字化焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)Fig.7 Digital welding machine monitoring system based on ZigBee and Android

4 結(jié)語

本文采用ZigBee技術(shù)和安卓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字化焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320F2808芯片和安卓平板電腦為硬件基礎(chǔ)，通過IDE軟件Android Studio開發(fā)的本地監(jiān)控APP軟件，使得數(shù)字化多焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有設(shè)備監(jiān)控、報(bào)警管理、生產(chǎn)管理等多種功能。焊接驗(yàn)證試驗(yàn)表明，該數(shù)字化焊機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾能力較強(qiáng)，可較好地適應(yīng)數(shù)字化弧焊電源經(jīng)常變動(dòng)生產(chǎn)工序的生產(chǎn)情況，在復(fù)雜焊接生產(chǎn)環(huán)境下具有良好的應(yīng)用前景。