1. 引言
随着计算机和电子技术的发展，工程机械设备不断向着大型化、高速化、连续化和自动化方向发展。液压系统是这些设备的核心，其设备的功能增多，结构变得越来越复杂，性能指标要求越来越高，工作强度也越来越大，加之其工作环境的恶劣与多变复杂性，相应地增加了液压系统出现故障的可能性[1] [2] 。一旦发生故障不仅损失大、影响大；即便是正常维修，也会产生很大的设备维修量和维修费用。还可能破坏整台设备，影响整个生产过程，造成环境污染，甚至危及到人身安全，带来巨大的经济损失。液压泵是液压系统的心脏，泵的性能直接影响着液压系统的性能 。因此有必要寻找一种经济、可靠、易实现的方法来实时在线监测液压泵的运行状态，有效采集液压泵的特定状态信息，这样才能为后期数据融合与处理奠定坚实的基础，提高液压泵的寿命和工程机械的工作效率。
文献[3] 采用DSP的有线数据采集方式，但是布线繁琐，干扰较多，采集方式繁琐，不适合在恶劣环境中作业。文献[4] 采用基于wifi的无线数据采集方式，但是能耗比较大，而且wifi只能点对点传输，当有多路数据需要同时传输到终端上时，丢包严重。本文研究并设计了一套基于ZigBee的液压泵数据采集系统，用来精确的大量的采集液压泵运行数据和周围环境数据，保障后期故障诊断与预测的精确性。本系统与以往监测方法相比，引入自组网思想，将静态的无线传感器网络节点放到动态的工程车辆上去，在采集数据的量和度上，都提升了一个档次，同时加入环境数据的采集，使数据更加真实，有效，实用。
2. 系统总体结构设计
本系统以ARM处理器s3c6410为核心，采用低功耗ZigBee模块CC2530作为协调器组建无线网络，配合各类数据采集传感器采集液压泵温度，压力，流量数据和车辆周围空气温湿度，海拔等环境数据，通过串口传入ARM处理器并显示出来。系统总体设计如图1所示。
如图2所示，为便于系统后期维护和功能扩展，将整个系统分为处理层，中间层和终端层。处理层为系统上层，实现整个系统的数据存储，处理与显示，供用户调取。ZigBee无线网络作为中间层，由协调器节点和终端节点构成，运行Zstack，实现网络组建与数据的传输。传感器与ZigBee的终端节点为终端层，实现对液压泵各种运行数据的采集和传输。
3. 系统硬件设计
3.1. 节点设计与传感器选择
一个液压泵上布置了若干个采集节点，分别采集液压泵的温度，压力，流量数据。同时在泵车边缘
Figure 1. The overall design diagram of the system
图1. 系统总体设计图
Figure 2. The hierarchical system structure diagram
图2. 系统分层结构图
安装温湿度传感器用来采集环境数据。经纬度海拔数据直接从车载gps采集。每一个采集节点对应一个采集模块，采集模块由ZigBee终端和传感器组成。本系统采用星形网络作为ZigBee网络的拓扑结构。由一个协调器与多个终端设备组成。设备选取TI公司的低功耗ZigBee模块CC2530，协调器与ARM处理器采用USB通信。协调器硬件电路中选用PL2303芯片，它是Profile公司生产的一种高度集成的RS232-USB转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利连接的解决方案。终端设备的硬件电路结构与协调器基本相同，不同之处是接有各种数据采集传感器。图3为液压泵数据采集终端硬件原理图。
在液压泵的吸油口和排油口各安装一个液压压力传感器，用来测量不同工作负载下泵的油液压力。本系统采用杭州美控自动化技术有限公司的MIK-P300型压力传感器。该传感器量程为0到100 MPa，电源电压选择24 V，输出信号选择4到20 mA，接口螺纹M20*1.5，量程精度为%0.1，输出电流可直接转换成实际压力P/MPa。设输出电流为N1~N2，量程为T，输出电流为N，则P = (N − N1)*T\(N2 − N1)。
Figure 3. Hydraulic pump data acquisition terminal hardware principle diagram
图3. 液压泵数据采集终端硬件原理图
在泵体四壁上放置若干个温度传感器DS18b20用来测量泵体的温度，同时可将数据进行对比，可预测液压泵受热不均，气路系统故障等情况。DS18b20由美国DALLAS半导体公司推出，测温范围−55℃~+125℃，测温误差1℃。工作电源3.0~5.5 V/DC，可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温，如图4所示为DS18b20温度值格式表。
二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，−25.0625℃的数字输出为FE6FH，−55℃的数字输出为FC90H。
流量传感器采用杭州美控自动化技术有限公司的LWGY9012型液体涡轮流量计，用来测量泵液进出口流量。输出信号为脉冲输出4~20 mA，介质温度−20℃~+120℃，环境温度为−20℃~+60℃，误差为%1，供电电源为DC24V，正常流量范围为0.5~10 m³/H。设输出电流为N，输出电流可直接转换成实际流量F = (N − 4)*9.5\16 + 0.5。
温湿度传感器选择具有标准数字信号输出的DHT11。供电电压3.3~5 V，测量范围：湿度20%~90% RH，温度0℃~50℃。测量精度：湿度±5%RH，温度±2℃。分辨率：湿度1% RH，温度1℃。输出为单总线数字信号。
3.2. 网关设计
网关是ZigBee网络与外界交互的桥梁,它的主要工作就是存储和处理收到的数据，同时转换成另一种格式发送出去。本系统采用ARM处理器s3c6410。网关工作流程图如图5所示。
4. 系统软件设计
本系统软件设计主要包含协调器设计，终端设计，采集设备及数据传输协议4部分。
4.1. 协调器软件设计
在TI官方的Zstack协议栈基础上修改AF层与调用HAL层代码来实现[5] 。协调器程序主要负责接收终端发送来的数据，判断帧类型，组建星形网络，建立物理地址和逻辑地址的映射表，同时通过串口发送给处理层。程序流程图如图6所示。
4.2. 终端软件设计
终端主要负责将采集到的传感器数据发送给协调器，加入星形网络[6] 。设备上电后，节点从休眠模
Figure 4. The temperature value format of DS18b20
图4. DS18b20温度值格式表
Figure 6. The ZigBee coordinator work flow chart
图6. ZigBee协调器工作流程图
式中醒来，扫描信道，看是否收到周围节点传来信标帧，没有则等待，收到信标帧之后，监听信标帧，选择父节点加入网络，发送入网请求，收到入网请求响应，则加入网络成功，没收到说明父节点的短地址满了，寻找尚未申请的父节点，没有则入网失败，进入休眠模式，有则重新加入网络。入网成功后，看是否有无线数据，地址是否为本机短地址，如果不是则丢弃数据包，重新等待接收无线数据包，如果是，则解析数据命令帧，获取温度，温湿度，流量，压力，环境数据传感器数值，压力和流量数据经过AD转换成ZigBee协议的数据帧格式，P07口接收温度数据，P06口接收温湿度数据，P05口接收环境数据，发送到协调器。继续等待无线数据包发送。流程图如图7所示。
4.3. 采集设备软件实现
设备上电后，初始化传感器，进入循环。对于DS18b20和DHT11，采集的是数字量。获取任务ID后进行串口初始化，将传感器的输出数据IO口初始化为CC2530的P07和P06口，在数据发送结构体函数中加入读取语句，将采集的数字量转换之后存放到设置好的字符串中。设置AF_DataRequest()数据发送函数，将数据包发送给目的地址协调器。对于输出是模拟量的传感器，先进行采样，然后进行AD转换和滤波，转换为数字量，进行数据传输。流程图如图8、图9所示。
4.4. 数据传输协议设计
本系统将若干个传感器置于泵车上，组建星形网络，将数据统一传至协调器。每一个传感器对应一个数据采集终端。数据传输协议采用MSG (报文)帧结构，使用APSDE-DATA.request原语发送，通过APSDE-DATA.request原语接收[6] 。MSG事务帧结构如图10所示。
在数据包格式中启始位占一个字节，扩展字节也占一个字节，保留为以后扩展功能所用。数据包长度(Length)占两个字节。帧控制域占两个字节，包括帧类型(CMD，DATA，ACK)，帧属性(广播，组播，点播)，请求应答，加密控制等。数据包序列号占两个字节，每发送一次数据，次数加1。地址域包括目
Figure 8. Acquisition of digital work flow sensor
图8. 采集数字量传感器工作流程图
Figure 9. The acquisition of analog sensor work flow chart
图9. 采集模拟量传感器工作流程图
的地址协调器，源地址采集终端。数据包帧负载为包体，本系统将其字节定义为温湿度，流量，压力数据。校检占两个字节，为包尾。采集的模拟量数据经过AD转换以16进制数字量形式传输。数据包格式如图11所示。
5. 实验测试及结论
为验证本系统工作性能，现在进行实际测试实验，对整个系统进行测试。
测试环境：选用一个协调器节点，9个终端节点，编号为1到9，每个节点各控制一个传感器，组成星型拓扑网络，对液压实验室教学用液压泵进行模拟数据采集。编号为1到4的四个节点采集泵体温度，编号为5和6的两个节点采集进出口流量，编号为7和8的两个节点采集油液压力，9号节点采集环境数据[7] 。终端节点携带传感器安置在泵上，协调器与终端节点距离5米，ARM处理器与协调器通过串口连接。采集到的数据显示在ARM中。测试场景节点图如图12所示。
通过Packet Sniffer抓包工具对抓取的数据包进行分析。EBID为0050，Chip type为CC2530，EB type为SmartRF04EB。如图13所示。
截图的这个数据包是一个数据帧，节点16位短地址为0XB85A的终端将采集的数据向目的地址为0X0000的协调器传送。目的PANID为0XFFF1。MAC数据包有效载荷为48 00 00 00 5A B8 1E A9 00 14 03 00 08 0F 14 04 33 31 20 43，数据包序列号为0X4F。节点的64位IEEE地址为0X00124B000550477D。温度数据为31度。此时相关值：106，RSSI值为：−99 dBm。
Figure 11. The format of the data packet structure diagram
图11. 数据包格式结构图
通过抓包工具，监测开始一段时间的工作数据，可以看出：系统上电后，协调器自动开始扫描信道，获取PANID，然后终端加入网络，先发送信标帧，之后是命令帧，收到协调器回复后，获得短地址，加入网络成功，进行数据传输。整个过程自动完成，只需要几帧数据，速度很快，体现出无线自组网的优势。且一个协调器可同时允许大量子节点加入，可连接不同的传感器，具有很强的扩展性。
终端设备向协调器发送单播数据测试丢包率如表1所示。
由表1可知，经过四天数据采集测试，单播数据丢包率平均值为0.53%，峰值小于1%，表明系统具有良好的稳定性，故障发生概率极低，满足数据采集传输的基本要求。
6. 结论
基于ZigBee的液压泵数据采集系统，有效的解决了工程车辆数据采集过程中有线网络布线复杂，采
Figure 13. Analysis of packet sniffer capture
图13. Packet sniffer抓包分析
Table 1. System resulting data of standard experiment
表1. 标准试验系统结果数据
集方式繁琐，故障率高的问题，同时具有很强的扩展性，将无线网络的自组网特性，用于移动终端的数据采集上，成本低，数据传输稳定，速度快，具有一定的应用价值。