CN106644524A - 一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统 - Google Patents

Abstract

一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，包括数据采集机构、现场管理机构和WEB服务机构，所述WEB服务机构包括远程监控终端和数据服务器，所述现场管理机构包括路由器和计算机，所述数据采集机构为通过ZigBee网络构建的由汇聚节点和感应节点组成的无线传感器网络。本发明提供的一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，可进行整车最大负荷下热平衡、热管理、爬坡性能、牵引性能等方面的试验，以全面评价被试样机的牵引性能和经济性。此外，将ZigBee无线通信技术与拖拉机检测系统结合，不但提高了测试精度与试验效率，而且能有效解决由于布线复杂导致的系统抗干扰能力差、工作不稳定等问题。

Description

一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统

技术领域

本发明涉及智能检测领域，具体的说是一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统。

背景技术

大功率拖拉机一般是指发动机功率73.5kW( 100马力) 以上的拖拉机。大功率牵引负荷测试车测试系统的研究，对提高行业自主开发能力，加快新产品开发和研制质量，缩短产品研发周期，加快科技成果产业化步伐，推动行业产品结构调整和新的经济增长点的形成，抵御国外技术壁垒将起到积极的推动作用。现有的拖拉机测试系统布局多为有线通信方式，如485总线、CAN总线等，虽然具有设备互操作性好、抗干扰能力强等优点，但存在采样点分散、布线繁琐，不利于系统维护和布局变动。而近年来ZigBee技术凭借其功耗低，可靠性高，传感器节点位置易于改变和节点数目便于增删等优势得到了飞速发展。但目前尚未见ZigBee无线通信技术与拖拉机牵引性能检测系统相结合的相关报道。现有的产品检测手段，对于73.5kW特别是88.24kW（120马力）以上的大功率拖拉机产品存在研发手段滞后，测试技术、试验设施落后问题，主要表现在，无法准确实现牵引性能的测试、动力换挡性能的测试、湿式离合器性能的测试等，成为制约国内大功率轮式拖拉机发展的关键因素。

发明内容

本发明提供了一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，ZigBee无线通信技术与拖拉机牵引性能检测系统相结合，不但提高了测试精度与试验效率，而且解决了由于布线复杂导致的系统抗干扰能力差、工作不稳定等问题。该测试系统具有抗干扰能力强、工作稳定和有利于系统维护的特点。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，包括数据采集机构、现场管理机构和WEB服务机构，所述WEB服务机构包括远程监控终端和数据服务器，所述现场管理机构包括路由器和计算机，所述数据采集机构为通过ZigBee网络构建的由汇聚节点和感应节点组成的无线传感器网络，其中，所述感应节点由设置在拖拉机上的用于对拖拉机性能参数进行数据采集和数据转换的传感器、与传感器通过GPIO接口或者外接的A/D转换器连接的微处理器、均与微处理器相连接的无线传感器网络设备和液晶显示屏组成，传感器上裹设有保护装置，所述汇聚节点通过ZigBee网络将采集的数据信息传输给现场管理机构，现场管理机构向相应的拖拉机牵引执行器发送控制指令，且现场管理机构通过计算机经路由器将接收的数据信息传送至WEB服务机构的数据服务器，同时在远程监控终端上实时观测数据。

作为一种优选方案，所述传感器包括牵引力传感器、温度传感器、压力传感器、驱动轮转数传感器和发动机转速传感器。

作为一种优选方案，所述保护装置包括固定座，固定座的中心位置设有贯通其上下端面的通孔，固定座上设有至少两个位于通孔两侧的固定孔，固定座上设有罩设在通孔上方的罩壳，罩壳内部为与通孔尺寸相匹配的用于容纳传感器的空腔，且在罩壳的外表面遮覆有弹性保护层。

作为一种优选方案，罩壳内壁中靠近其顶壁的位置密封设置有弹性隔板，该弹性隔板与罩壳顶壁之间形成缓冲腔，缓冲腔内设有一组缓冲碟簧，缓冲碟簧的两端分别与罩壳的顶壁和弹性隔板连接。

作为一种优选方案，所述微处理器采用32位ARM7处理器LPC2131芯片，微处理器通过GPIO接口负责传感器的工作控制，处理、显示输出和发送采集的数据后由无线传感器网络设备构建自组织无线网络，接收指令和发送采集的数据，所述无线传感器网络设备为SZ05无线嵌入式数据通信模块；液晶显示屏负责拖拉机性能参数的现场显示。

作为一种优选方案，所述微处理器采用12位8通道单端/4通道差分A/D转换器MAX186作为外接A/D转换器，微处理器通过该A/D转换器负责传感器的工作控制，处理、显示输出和发送采集的数据，通过液晶显示屏现场显示拖拉机性能参数。

作为一种优选方案，所述现场管理机构为一台安装有数据监测软件的计算机。

作为一种优选方案，所述数据监测软件包括无线通信控制模块、数据与信息管理模块和数据传输模块，其中，无线通信控制模块利用串口控制汇聚节点以点对点的模式向构成数据采集机构的无线传感器网络的节点发布指令，无线传感器网络中的节点以主从模式对汇聚节点进行响应；数据与信息管理模块完成节点关系映射、采样时间频率、后台数据库连接，实现对拖拉机基础信息的管理、数据的采集、查询、图形显示和统计；数据传输模块负责将现场管理机构所采集的数据通过计算机经路由器发送至WEB服务机构的数据服务器。

采用直流电力测功机，保证最大牵引力196 kN（20t）的实现；研发基于无线通信技术的拖拉机牵引性能测试系统，可进行整车最大负荷下牵引性能等方面的试验，以全面评价被试样机的牵引性能。将ZigBee无线通信技术与拖拉机检测系统结合，不但提高了测试精度与试验效率，而且能有效解决由于布线复杂导致的系统抗干扰能力差、工作不稳定等问题。

基于对无线传感器网络检测系统特性的分析，对大功率拖拉机牵引性能无线测试系统进行了研发，并利用多传感器信息融合可提高目标可探测性，使整个检测系统的性能得到提高。

有益效果：

（1）本发明提供的一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，该测试系统主要包括数据采集机构、现场管理机构和WEB服务机构三部分。设计基于ZigBee的拖拉机牵引性能测试系统，可进行整车最大负荷下热平衡、热管理、爬坡性能、牵引性能等方面的试验，以全面评价被试样机的牵引性能和经济性。此外，将ZigBee无线通信技术与拖拉机检测系统结合，不但提高了测试精度与试验效率，而且能有效解决由于布线复杂导致的系统抗干扰能力差、工作不稳定等问题；

（2）本发明提供的一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，考虑到传感器在拖拉机的牵引性能测试中可能受到过载冲击，故在相应的传感器上裹设保护装置，该保护装置的弹性保护层和罩壳形成双层保护结构，罩壳一方面包裹在传感器表面，对传感器形成初级保护，在受到过载冲击下，罩壳外的弹性保护层进一步对过载力起到缓冲作用，消缓对传感器的冲压，进一步保护传感器；另外，在将该装置配合传感器安装到机体相应位置后，考虑到传感器底面与机器接触，为了避免在该保护装置内腔可能产生的过载冲压力，故在罩壳内设置缓冲腔和缓冲碟簧，两者配合可消缓内腔中可能产生的冲压力，进一步保护传感器，整体结构简单，易于安装，不仅可以起到全方位保护传感器的作用，而且封闭式结构较为坚固耐冲击。

附图说明

图1为本发明的拓扑结构图；

图2为本发明的感应节点硬件结构示意图；

图3为本发明中传感器的保护装置结构示意图；

附图标记：1、远程监控终端，2、数据服务器，3、路由器，4、计算机，5、汇聚节点，6、感应节点，601、传感器，602、微处理器，603、无线传感器网络设备，604、液晶显示屏，7、数据采集机构，8、现场管理机构，9、WEB服务机构，10、保护装置，11、通孔，12、固定座，13、固定孔，14、罩壳，15、弹性保护层，16、弹性隔板，17、缓冲腔，18、缓冲碟簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，包括数据采集机构7、现场管理机构8和WEB服务机构9，所述WEB服务机构9包括远程监控终端1和数据服务器2，所述现场管理机构8包括路由器3和计算机4，所述数据采集机构7为通过ZigBee网络构建的由汇聚节点5和感应节点6组成的无线传感器网络，其中，所述感应节点6由设置在拖拉机上的用于对拖拉机性能参数进行数据采集和数据转换的传感器601、与传感器601通过GPIO接口或者外接的A/D转换器连接的微处理器602、均与微处理器602相连接的无线传感器网络设备603和液晶显示屏604组成，传感器601上裹设有保护装置10，所述汇聚节点5通过ZigBee网络将采集的数据信息传输给现场管理机构8，现场管理机构8向相应的拖拉机牵引执行器发送控制指令，在此，接受的控制指令为现场管理机构8通过分析得来，相应的拖拉机牵引执行器多为牵引力的加载装置，油耗仪的启动停止等。现场管理机构8通过计算机4经路由器3将接收的数据信息传送至WEB服务机构9的数据服务器2，同时在远程监控终端1上实时观测数据。

以上为本发明的基本实施方式，可在以上基础上作进一步的改进、优化或限定。

进一步的，感应节点6是传感器节点，即每个传感器通过检测相应的信号，直接无线发送给汇聚节点5，或者通过其他的感应节点6以自组网的形式发送给汇聚节点5。感应节点6一般由传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）以及电源部分组成。汇聚节点5是将所有感应节点6的信息进行汇聚处理，向上发至给管理节点或控制节点，对于本专利来讲，即向上发至现场管理机构8。

进一步的，所述传感器601包括牵引力传感器、温度传感器、压力传感器、驱动轮转数传感器和发动机转速传感器。作为优选的，所述牵引力传感器采用北京威斯特中航科技有限公司生产的CYB-601S型拉力传感器，其激励电源为24VDC，输出信号为4-20mA，输入电阻为1000欧姆，输出电阻为1000欧姆，过载性能为120%；所述温度传感器包括机油温度传感器和水箱温度传感器，机油温度传感器采用杭州米科传感技术有限公司生产的WZPK铠装热电阻，其测温范围在-50~400℃，安装螺纹M20*1.5，长度为100mm，直径为8mm；水箱温度传感器采用杭州米科传感技术有限公司生产的引线式PT100，其测温范围在0~250℃，安装方式为浸没式；发动机转速传感器采用欧姆龙公司生产的E6B2-CWZ6C型编码器，其电源电压为C5~24V，输出状态为NPN开路集电极输出，转速为500P/R。

进一步的，所述保护装置10包括固定座12，固定座12的中心位置设有贯通其上下端面的通孔11，传感器601可穿过通孔11，固定座12上设有至少两个位于通孔11两侧的固定孔13，固定孔13用于将固定座12固定安装到拖拉机相应的传感检测部位，固定座12上设有罩设在通孔11上方的罩壳14，罩壳14内部为与通孔11尺寸相匹配的用于容纳传感器601的空腔，且在罩壳14的外表面遮覆有弹性保护层15。作为优选的，所述弹性保护层15为聚氨酯胶层。

进一步的，罩壳14内壁中靠近其顶壁的位置密封设置有弹性隔板16，该弹性隔板16与罩壳14顶壁之间形成缓冲腔17，缓冲腔17内设有一组缓冲碟簧18，缓冲碟簧18的两端分别与罩壳14的顶壁和弹性隔板16连接，通过缓冲隔板16与缓冲碟簧18的配合实现对传感器的减震，保护传感器。

进一步的，所述微处理器602采用32位ARM7处理器LPC2131芯片，该处理器具有支持实施仿真、跟踪、JTAG调试和ISP编程等功能。LPC2131带有8KB片内静态RAM，32KB的高速Flash存储器，内部具有标准UART、硬件I2C、SPI、PWM、ADC、定时器等众多外围器件，特别适合应用于工业控制与监测领域。模拟信号的采集是智能化传感器网络节点的重要组成部分。LPC2131内部自带的10位A/D转换器，考虑传感器601的输出电压范围，如选用自带A/D转换器，会使转换精度较低，不能满足要求。

进一步的，微处理602通过GPIO接口负责传感器601的工作控制，处理、显示输出和发送采集的数据后由无线传感器网络设备603构建自组织无线网络，接收指令和发送采集的数据，所述无线传感器网络设备603为SZ05无线嵌入式数据通信模块；液晶显示屏604负责拖拉机性能参数的现场显示，作为优选的，所述液晶显示屏604采用图形点阵液晶显示屏LCM12864ZK。LCM12864ZK与ARM微处理器接口灵活，有并行、串行两种模式，其中并行模式又有8位/4位两种解法，串行模式又分3线/2线两种接法。系统传感器网络节点采用串行3线接法，可有效节省的GPIO端口。考虑节点容量、传输距离、采样频度等因素，传感器网络拓扑结构设计为网状网络。网状拓扑结构是多跳（multi-hop）系统，所有感应节点6节点可直接互相通信，也可与汇聚节点5进行数据传输，网络的覆盖范围通过不同节点之间的相互传送来增大，不会像星型网络会受无线通信距离的直接影响。

进一步的，所述微处理器602采用美信（Maxim)公司12位8通道单端/4通道差分A/D转换器MAX186作为外接A/D转换器，它具有SPI/QSPI/Micro Wire兼容的4线串行接口，由单5V或双±5V电源供电，有较高的转换速度，功耗极低。微处理器602通过该A/D转换器负责传感器601的工作控制，处理、显示输出和发送采集的数据，通过液晶显示屏604现场显示拖拉机性能参数。

进一步的，所述现场管理机构8是管理中心，也是该测试系统的核心，其本质为一台安装有数据监测软件的计算机，管理中心负责感应节点6的搜索，数据上传指令的发出，无线数据的接收，数据与信息的综合管理，报警信息处理和经Internet向WEB服务器的数据库发送数据等工作，在整个系统中具有承上启下的关键作用。管理中心数据监测软件以Visual Studio 2008环境下C#语言为工具，采用SQL SERVER 2008数据库开发，软件采用Dundas Chart结合数据库作为报表管理方案。按照分布式管理中心的功能要求，数据监测软件包含以下三大功能模块：无线通信控制模块、数据与信息管理模块、数据传输模块。

进一步的，所述无线通信控制模块完成感应节点6指令和数据的收发。该模块主要针对RS232标准串行接口操作，编程时应用开发环境中System. IO. Ports命名空间的串行类（Serial Port）实现串行通信，使用时数据监测软件利用串口控制汇聚节点5以点对点模式向感应节点6发布指令，感应节点6则以主从模式对汇聚节点5进行响应，软件默认的通信设置为：COM1，9600bps，无奇偶效验位，8位数据位，1位停止位。数据与信息管理模块完成节点关系映射、采样时间频率、后台数据库连接等设置，实现对拖拉机基础信息的管理，以及对数据的采集、查询、图形显示和统计。数据与信息管理模块中大量应用数据库操作，对数据库的访问是通过ADO. NET编程实现的，ADO. NET屏蔽了数据库大量的复杂操作，实现数据库的相对简单操作。另外，数据监测软件中集成了图表控件Dundas Chart，使得软件拥有较强的动态数据曲线和统计报表绘制功能。数据传输模块负责将管理中心所采集数据通过Internet发送至WEB服务器的数据库。该模块的实现主要是通过Socket（TCP/IP）编程，通信过程是分布式管理中心建立一个Socket，设置好WEB服务器端的IP和提供服务的端口，发出连接请求，接收到服务确认后，开始与WEB服务器进行通信。

进一步的，所述WEB服务机构9是整个远程监测系统的核心和中枢，WEB服务机构9硬件上包括网络连接设备和服务器，软件上包括WEB服务器程序和数据库。此处所述网络连接设备为路由器或者交换机等。其中，WEB服务器需具有独立的公网IP，现场管理机构8才能通过IP地址和服务端口与WEB服务器建立网络连接。服务器操作系统采用MicrosoftWindows Server 2003，数据库采用SQL SERVER 2008，为系统提供稳定的服务支持。WEB服务机构9在.NET Framework环境下选用C#作为开发语言，采用ASP. NET技术实现B/S体系结构。

进一步的，所述WEB服务器程序按功能分为四个部分：基础信息维护、数据采集与存储、数据处理与查询、数据动态浏览。基础信息维护：维护拖拉机检测的基础数据，负责用户信息统计与权限分配；数据采集与存储：采用TCP Socket技术监听并接收现场管理机构8上传的数据，并判断其是否符合预先设计的固定格式，如果不合法，则丢弃数据，如果合法，则存储；数据处理与查询：管理上传的数据，对数据进行统计分析，采用曲线图或表格显示感应节点6实时监测数据，并对数据进行有效融合，给出检测决策。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例描述如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述所述技术内容作出的些许更动或修饰均为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，包括数据采集机构（7）、现场管理机构（8）和WEB服务机构（9），其特征在于：所述WEB服务机构（9）包括远程监控终端（1）和数据服务器（2），所述现场管理机构（8）包括路由器（3）和计算机（4），所述数据采集机构（7）为通过ZigBee网络构建的由汇聚节点（5）和感应节点（6）组成的无线传感器网络，其中，所述感应节点（6）由设置在拖拉机上的用于对拖拉机性能参数进行数据采集和数据转换的传感器（601）、与传感器（601）通过GPIO接口或者外接的A/D转换器连接的微处理器（602）、均与微处理器（602）相连接的无线传感器网络设备（603）和液晶显示屏（604）组成，传感器（601）上裹设有保护装置（10），所述汇聚节点（5）通过ZigBee网络将采集的数据信息传输给现场管理机构（8），现场管理机构（8）向相应的拖拉机牵引执行器发送控制指令，且现场管理机构（8）通过计算机（4）经路由器（3）将接收的数据信息传送至WEB服务机构（9）的数据服务器（2），同时在远程监控终端（1）上实时观测数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，其特征在于：所述传感器（601）包括牵引力传感器、温度传感器、压力传感器、驱动轮转数传感器和发动机转速传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，其特征在于：所述保护装置（10）包括固定座（12），固定座（12）的中心位置设有贯通其上下端面的通孔（11），固定座（12）上设有至少两个位于通孔（11）两侧的固定孔（13），固定座（12）上设有罩设在通孔（11）上方的罩壳（14），罩壳（14）内部为与通孔（11）尺寸相匹配的用于容纳传感器（601）的空腔，且在罩壳（14）的外表面遮覆有弹性保护层（15）。

4.根据权利要求3所述的一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，其特征在于：罩壳（14）内壁中靠近其顶壁的位置密封设置有弹性隔板（16），该弹性隔板（16）与罩壳（14）顶壁之间形成缓冲腔（17），缓冲腔（17）内设有一组缓冲碟簧（18），缓冲碟簧（18）的两端分别与罩壳（14）的顶壁和弹性隔板（16）连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，其特征在于：所述微处理器（602）采用32位ARM7处理器LPC2131芯片，微处理器（602）通过GPIO接口负责传感器（601）的工作控制，处理、显示输出和发送采集的数据后由无线传感器网络设备（603）构建自组织无线网络，接收指令和发送采集的数据，所述无线传感器网络设备（603）为SZ05无线嵌入式数据通信模块；液晶显示屏（604）负责拖拉机性能参数的现场显示。

6.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，其特征在于：所述微处理器（602）采用12位8通道单端/4通道差分A/D转换器MAX186作为外接A/D转换器，微处理器（602）通过该A/D转换器负责传感器（601）的工作控制，处理、显示输出和发送采集的数据，通过液晶显示屏（604）现场显示拖拉机性能参数。

7.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，其特征在于：所述现场管理机构（8）为一台安装有数据监测软件的计算机。

8.根据权利要求7所述的一种基于ZigBee技术的大功率拖拉机牵引性能测试系统，其特征在于：所述数据监测软件包括无线通信控制模块、数据与信息管理模块和数据传输模块，其中，无线通信控制模块利用串口控制汇聚节点（5）以点对点的模式向构成数据采集机构（7）的无线传感器网络的节点发布指令，无线传感器网络中的节点以主从模式对汇聚节点（5）进行响应；数据与信息管理模块完成节点关系映射、采样时间频率、后台数据库连接，实现对拖拉机基础信息的管理、数据的采集、查询、图形显示和统计；数据传输模块负责将现场管理机构（8）所采集的数据通过计算机（4）经路由器（3）发送至WEB服务机构（9）的数据服务器（2）。