基于ZigBee和安卓的数字化焊机监控系统设计

董昌文 ，金 礼，薛家祥，张俊红

（1.贵州民族大学 机械电子工程学院，贵阳 550025；2.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510640）

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，传统的模拟焊机逐渐被新型的数字化焊机所取代，焊接工艺快速向多功能化、自动化、网络化方面发展[1-3]。在焊接过程中，各种焊接工艺参数的监控是关系到焊接质量的重要因素。实时测量和处理焊接过程中的参数，在焊接过程中占据重要的地位[4]。由于传统有线通讯多焊机监控系统在焊接过程中还存在以下不足[5-6]：①焊接现场焊机数量众多，且所处位置不同，较为分散，不利于焊机数据实时监测及设备调度；②多台焊机同时进行焊接操作，各台焊机中电流、电压相互耦合和干扰，容易造成焊接缺陷，影响焊缝成形质量；③有线通信时布线复杂，焊接信号容易受到外界信号干扰，因而系统监控的实时性和准确性有待提高。因此，采用ZigBee技术和安卓系统设计的多焊机群控系统，可对焊接电流和电压实时监控，实现多焊机系统的信息化和网络化。

1 数字化焊机群控系统总体框架

图1所示为基于ZigBee和安卓的数字化焊机集群控制网络示意图，其工作原理为采用网状拓扑设计焊机监控平台，节点之间的信息传输路径具有多种可能，当通信系统中某一路由节点出现故障时，仍可保证数据可传送到目标节点，具有较好的自愈能力和更好的可靠性，同时，可保证数据在最短路径下传输，使数据传输可保持较低的时延。在基于安卓的监控端上，ZigBee模块通过串口与安卓的USB接口相连接，通过安卓底层软件编码，实现ZigBee硬件模块与安卓智能设备的通信连接。

图1 基于ZigBee和安卓的数字化焊机集群控制网络示意图Fig.1 Schematic diagram of digital welding machine cluster control network based on ZigBee and Android

2 硬件设计

基于ZigBee和安卓的数字化多焊机监控系统的硬件模块主要由人机交互模块、CPU模块、ZigBee模块组成，如图2所示。

图2 硬件模块示意图Fig.2 Schematic diagram of hardware module

2.1 人机交互模块

人机交互模块采用了STM32F103C4嵌入式微型处理器控制芯片，该芯片具有较好的控制性能，对于数字化焊机控制面板的焊接参数控制以及对和数字化焊机CPU模块的通信主要通过它来实现。电源供电和I/O接口的驱动电压为2.0～3.6 V。人机交互模块有串行模式和JTAG接口2种调试模式，STM32F103C4芯片是一种性能高、成本低、功耗少的专为嵌入式应用设计的产品。

图3 人机交互模块结构框图Fig.3 Diagram of human-computer interaction module

控制面板的功能设计涉及到大量的外部控制电路，要求主控芯片具备大量的I/O管脚。由于STM32的管脚数量无法满足设计要求，因而在所设计人机交互模块时，采用复杂可编程逻辑器件CPLD（complex programmable logic device）设计辅助控制器，协助STM32完成LED的状态显示以及编码器输入功能。基于辅助控制CPLD芯片要求性能优越，功耗低，综合考虑性能以及价格等因素，选用了Altera公司的MAX II系列CPLD的EPM240T100。

2.2 CPU模块

选用TI公司的TMS320F2808作为CPU模块室温主控芯片。TMS320F2808采用高性能的静态CMOS技术，主频可以工作在100 MHz；具有内存储器容量64 K×16 b的 Flash，18 K×16 b的 SARAM和1 K×16 b的一次性可编程存储器，具有时钟和系统控制，支持锁相环（PLL）模块，看门狗定时器模块；同时拥有具有12 b的ADC，具有16个通道，包括2个8通道的多路输入器，2个采样保持电路，可单独或同时转换，且具有快速转换速率，可选择内部触发和外部触发。

2.3 ZigBee模块

ZigBee模块选用广州致远电子有限公司的ZM5168模块。在实际测试中，该模块通信丢包率低于3%，具有良好的性能。设计ZM5168与焊机主控板的电路连接如图4所示。其中，TXD、RXD管脚分别与主控芯片DSP的RXD、TXD管脚相连接。State管脚与LED电路相连接，通过LED展示模块工作状态。RESETN管脚与按键复位电路相连接。LINK管脚与主控芯片I/O管脚相连接，以方便主控芯片识别通信连接状态。

图4 ZigBee模块外围电路Fig.4 Peripheral circuit of ZigBee module

同样地，在基于安卓的监控端上，ZigBee模块通过串口与安卓的USB接口相连接，通过安卓底层软件编码，实现ZigBee模块与安卓智能设备的通信连接。

3 监控终端及验证试验

基于安卓的监控终端无法与ZigBee模块接口直接通信，因此设计基于监控终端USB接口的通信模块电路。采用CH340G实现监控终端的USB信号转串口信号，设计电路如图5所示。其中，P3与DSP串口连接。

图5 USB转串口电路Fig.5 USB interface to serial interface circuit

基于安卓平台，设计数字化多焊机监控系统的监控终端。监控终端软件APP包含了网络通信功能、数据库功能及页面显示等功能。基于Android6.0系统的平板电脑，采用IDE软件Android Studio开发数字化多焊机监控系统的本地监控APP软件。综合考虑数据通信、数据处理和存储等需求，开发具有多个显示界面的Android应用，实现对多台数字化焊机的监控。在Android软件开发中，可采用Activity或Fragment组件进行UI设计。相对于Activity组件，Fragment所占用的系统资源相对更少，UI显示的实现过程也更便捷和灵活。因而，采用Activity内嵌套Fragment的方式开发数字化多焊机监控系统监控APP的UI界面。

数字化焊机监控终端APP的软件工作流程如图6所示，APP启动时，首先启动主线程，用户登录后，初始化参数和UI界面，然后启动网络通信线程，获取数字化焊机运行状态数据并显示在相应的Fragment界面中。

图6 监控终端APP的软件工作流程Fig.6 Software flow chart of monitoring terminal APP

数字化焊机监控系统平台采集焊机运行状态数据，并通过监控界面显示给用户，方便用户对焊机进行控制。在所设计数字化焊机监控系统平台中，主要包括以下功能：

（1）运行状态数据采集：主要包括数字化焊机在运行过程中的电压、电流等电气数据，外界环境温度、湿度等环境状态数据以及焊机运行过程中所产生的故障信息数据；

（2）焊接参数修改：可通过手持终端控制软件或控制PC对焊接参数进行修改；

（3）界面显示：可在终端控制软件上显示焊接参数、实时运行状态数据以及环境参数；

（4）数据存储：在数据库系统中存储焊接状态参数，焊接参数历史数据库和焊接状态参数数据库为焊机的操作和维修提供重要参考；

（5）智慧决策：通过对历史状态数据库中的数据进行分析，为即将进行焊接的材料提供合适的焊接参数方案。

（6）故障检测及分析：通过采集焊机运行状态数据，并结合历史数据库，对焊机的运行状态进行分析及预测，并将分析结果通过界面展示给用户。

所设计的数字化焊机监控系统进行焊接验证试验，对应的监控终端APP主要界面如图7所示，控制焊接的实际过程，有设备监控、报警管理、生产管理、质量分析、统计报表、工艺规格和焊接参数7个分界面。由图7（c）可以得到焊接监控试验的验证结果，由图中的0001号数字化焊机的参数设置信息和电流电压实际监控曲线可知，焊接监控验证试验采用的是双脉冲熔化极气保焊，设定的焊接电流和焊接电压分别为90.0 A和22.0 V，监控得到的焊接电流和焊接电压分别为90.1 A和22.2 V，与设定值十分接近，误差很小。说明该数字化焊机监控系统的抗干扰能力较强，可以稳定地表征实际焊接过程，实现多台数字化焊机的监控和管理。

图7 基于ZigBee和安卓的数字化焊机监控系统Fig.7 Digital welding machine monitoring system based on ZigBee and Android

4 结语

本文采用ZigBee技术和安卓系统，设计了一种数字化焊机监控系统。该系统以TMS320F2808芯片和安卓平板电脑为硬件基础，通过IDE软件Android Studio开发的本地监控APP软件，使得数字化多焊机监控系统具有设备监控、报警管理、生产管理等多种功能。焊接验证试验表明，该数字化焊机监控系统抗干扰能力较强，可较好地适应数字化弧焊电源经常变动生产工序的生产情况，在复杂焊接生产环境下具有良好的应用前景。