基于物聯(lián)網技術的多電機監(jiān)控系統(tǒng)的設計

1、0引 言目前, 我國電機裝機總容量已達 4億 kW 以上, 年耗 電量達 1.2萬億 kW ·h , 占全國總用電量的 60%, 占工業(yè) 用電量的 80%, 數(shù)量如此龐大的電機中多數(shù)為普通交流 電機, 在出現(xiàn)異常時沒有自我保護能力, 而且由于電網 質量不穩(wěn)定、 電機老化等原因容易導致電機故障, 影響 正常生產, 甚至危及工作人員的人身安全。目前的多電機監(jiān)控系統(tǒng)多采用工控機或者 PC 機與 上位機軟件相結合的方式 1, 雖然其開發(fā)周期短, 但是需 要占用計算機資源, 布線繁瑣, 價格昂貴, 不便于攜帶。 隨著應用于傳動系統(tǒng)的電動機數(shù)量越來越多, 如何經 濟、 有效和方便地對多臺電機同時

2、進行監(jiān)控、 保護和管 理, 顯得越來越重要。本文基于物聯(lián)網技術, 并結合無 線自組織網絡技術、 全球移動通信 (GSM 技術和嵌入式 技術, 設計了一種多電機監(jiān)控系統(tǒng), 該系統(tǒng)體積小、 價格 低、 安裝簡便, 并具有遠程控制功能。1監(jiān)控系統(tǒng)組成基于物聯(lián)網的多電機監(jiān)控系統(tǒng)采用 SimpliciTI 網絡 協(xié)議以無線方式進行信息交互, 該協(xié)議是 TI 公司推出 的針對小型 RF 網絡的專有低功耗協(xié)議, 能夠簡化實施 工作, 降低對微處理器的資源占用 2。 SimpliciTI 網絡協(xié) 議由應用層、 網絡層和射頻層組成, 支持點對點和星型2種基本網絡拓撲結構 3。本系統(tǒng)采用的星型網絡拓撲 包括數(shù)據(jù)中

3、心 (Access Point , AP 、 中繼 (Range Extender , RE 節(jié)點、 終端 (End Device , ED 節(jié)點三部分。中繼節(jié) 點和終端節(jié)點負責數(shù)據(jù)的采集、 預處理、 發(fā)送和對電機 的直接控制, 中繼節(jié)點同時還負責數(shù)據(jù)轉發(fā)工作。數(shù)據(jù) 中心負責網絡的管理和協(xié)調, 接收所有節(jié)點的數(shù)據(jù), 處基于物聯(lián)網技術的多電機監(jiān)控系統(tǒng)的設計丁 俊 1,王茂祥 1, 2,李多貴 3,王 斌 1,朱金榮 1(1. 揚州大學,江蘇 揚州 225002; 2. 中國移動通信集團 江蘇有限公司,江蘇 南京 210029;3. 揚州廣播電視總臺 技術傳輸中心,江蘇 揚州 225009摘 要:

4、針對目前工業(yè)現(xiàn)場對交流電機缺乏有效監(jiān)控的問題, 為實現(xiàn)對交流電機的參數(shù)采集和智能監(jiān)控, 設計了基于 物聯(lián)網技術的多電機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器測量電機及其所處環(huán)境的相關參數(shù), 利用無線自組織網絡技術將數(shù)據(jù)傳 輸至以 S3C2440為核心的控制中心, 采用 SimpliciTI 協(xié)議進行網絡通信, 并通過 GSM 模塊進行遠程數(shù)據(jù)傳輸。實驗表明, 該 系統(tǒng)能夠準確測量相關參數(shù), 及時發(fā)現(xiàn)電機的堵轉、 缺相、 三相不平衡等問題, 有效保護電機。關鍵詞:物聯(lián)網; 自組織網絡技術; S3C2440; SimpliciTI 協(xié)議中圖分類號:TN9934文獻標識碼:A 文章編號:1004373X (20

5、15 15013603 Design of multi motor monitoring system based on Internet of Things technology DING Jun 1, WANG Maoxiang 1, 2, LI Duogui 3, WANG Bin 1, ZHU Jinrong 1(1. Yangzhou University , Yangzhou 225002, China ; 2. Jiangsu Limited Company of China Mobile Group , Nanjing 210029;3. Technology Transfer

6、 Center , Yangzhou Radio and Television Station , Yangzhou 225009, China Abstract :Since industry field is lack of effective monitoring to AC motor , multimotor monitoring system based on Internet of Things was designed to realize parameter acquisition and intelligent control for AC motor. In this s

7、ystem , the motors relevant parameters and its surrounding environment are measured by the sensor. By using wireless selforganized network technology , data are transmitted to control center , which takes S3C2440as control core. SimpliciTI protocol is applied to proceeding network com munication , a

8、nd remote data transmission is conducted by GSM module. The experimental results show that the system can mea sure relevant parameters accurately , discover motors blockedrotor , lack of phase and threephase imbalance problems in time. The motor is protected effectively.Keywords :Internet of Things

9、; selforganized network technology ; S3C2440; SimpliciTI protocol收稿日期:20150202基金項目:江蘇省教育廳高?？蒲谐晒a業(yè)化推進工程項目 (JHB201243理 后 通 過 RS 232接 口 發(fā) 送 至 監(jiān) 控 中 心 。 監(jiān) 控 中 心 以 ARM9系 列 微 處 理 器 S3C2440為 核 心 , 負 責 數(shù) 據(jù) 的 分 析、 顯示等工作, 在數(shù)據(jù)異常時進行聲光報警并采取相應措施, 同時通過 GSM 模塊提示用戶。系統(tǒng)網絡拓撲 結構如圖 1所示。 圖 1監(jiān)控系統(tǒng)網絡拓撲結構2系統(tǒng)硬件電路設計2.1硬件電路總體方案系

10、統(tǒng)硬件電路主要分為監(jiān)控中心、 中繼節(jié)點和終端 節(jié)點三部分。由于中繼節(jié)點和終端節(jié)點的硬件電路相 同, 因此本文只介紹終端節(jié)點電路。圖 2給出了系統(tǒng)硬 件電路, 其中, 監(jiān)控中心部分包括微處理器 S3C2440、 射 頻模塊 CC1110、 顯示模塊、 鍵盤、 GSM 模塊和報警模塊, 終端節(jié)點部分包括傳感器組及信號處理電路、 射頻模 塊、 電源模塊、繼電器和交流接觸器。 圖 2系統(tǒng)硬件電路示意圖2.2終端節(jié)點硬件設計終端節(jié)點是直接控制傳感器的網絡子節(jié)點, 在系統(tǒng)中有著相當重要的地位 4。 CC1110作為終端節(jié)點的核心, 負責采集各傳感器的輸出信號, 經過預處理后發(fā)送 至數(shù)據(jù)中心。本系統(tǒng)中每個終

11、端節(jié)點包含四種傳感器:電壓傳感器、 電流傳感器、 溫濕度傳感器和熱敏電阻。如圖 3所示, 電壓、 電流測量電路分別采用型號為 HNV025和 HS0325ANP 的霍爾傳感器, 它們利用霍爾效應及磁補償原理, 被測回路與測試回路絕緣度高, 可 測量直流、 交流、 脈動信號。圖 3(a 所示的電壓測量電路中, 交流電壓經全橋 整流后輸入傳感器, Uout 端輸出和該交流電壓有效值成 比例的直流電壓。電壓跟隨器 U 14A 和穩(wěn)壓管 D 7可以有 效防止沖擊電壓損壞 CC1110芯片, 運算放大器 U 14B 用 于放大電壓信號, 便于采樣。通過三相電壓值可以有效判斷是否有過壓、 欠壓、 缺相等狀

12、況發(fā)生。圖 3(b 所示的電流測量電路中, 三個電流傳感器 分別串聯(lián)在三相電路中, 規(guī)定電流由 IN 端口流向 OUT 端口為電流正方向。當電流為正時, 其輸出經濾波和運 算放大器 U 6, U 7兩級反向放大后, 由 out1端口輸出, out2端口輸出為 0; 當電流為負時, 運算放大器 U 8為同相放大, 因此信號由 out2端口輸出, out1端口輸出為 0, 這樣 就可以有效的實時測量交流電流大小, 并有效區(qū)分電流 流向, 即可判斷相序是否正常,三相負載是否平衡。 圖 3電壓、 電流測量電路2.3監(jiān)控中心硬件設計微處理器負責對各個模塊的控制和協(xié)調工作 5, 考慮到功耗、 體積和易用性

13、等因素, 本系統(tǒng)選用 ARM9系 列的 S3C2440芯片, 該芯片具有豐富的片上資源, 體積 小、 功耗低, 為嵌入式應用提供了低功耗、 低成本、 高性能的微控制器解決方案。為了保證系統(tǒng)工作的可靠性, 復 位 電 路 選 用 專 用 電 壓 監(jiān) 視 芯 片 MAX811, 它 穩(wěn) 定 性 高, 功耗低, 集成了上電、 掉電復位等功能, 并可以手動 復位 6,微處理器電路如圖 4 所示。 圖 4S3C2440微處理器電路GSM 模塊包含 GSM 基帶處理器、 GSM 射頻模塊、 供電模塊 (ASIC 、 閃存、 ZIF 連接器和天線接口的 TC35模 塊。該模塊自帶 RS 232通信接口, 可

14、以方便的和微處理器配合, 可靠地實現(xiàn)短消息服務, 模塊有 AT 命令集接 口, 支持文本和 PDU 模式的短消息。本系統(tǒng)中主要采用文本方式進行遠程通信, 在電機出現(xiàn)異常時, 該模塊 主動發(fā)送短消息到設定號碼, 詳細報告異常情況; 若用 戶向 TC35模塊中的 SIM 卡發(fā)送短消息, 也可達到查詢 參數(shù)和遠程控制電機的目的。鍵盤主要用于對各終端 節(jié)點參數(shù)的設置、 查詢和電機電源通斷的遙控; 為了便 于用戶實時了解電機狀態(tài), 采用了 4線電阻式觸摸 LCD , 可以實時顯示各電機參數(shù); 報警模塊主要是在電機參數(shù) 出現(xiàn)異常時發(fā)出信號, 提醒工作人員。3系統(tǒng)主要軟件設計3.1S3C2440程序設計微處

15、理器 S3C2440是監(jiān)控中心電路的核心, 負責控 制作為數(shù)據(jù)中心的射頻模塊、 GSM 模塊、 觸摸屏和報警 模 塊 , 獲 得 和 顯 示 各 電 機 相 關 數(shù) 據(jù) , 同 時 接 受 遠 程 控 制。系統(tǒng)上電后, S3C2440首先讀取系統(tǒng)設置信息, 之 后向數(shù)據(jù)中心發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令, 等待各節(jié)點自組織網 絡組網成功后獲取電機相關數(shù)據(jù), 在觸摸屏上顯示; 數(shù) 據(jù)異常時, 發(fā)出報警信號, 通過 GSM 模塊發(fā)送異常信息 到指定手機, 并向數(shù)據(jù)異常的節(jié)點發(fā)出指令, 控制交流 接觸器斷開該電機電源, 保護電機。微處理器程序流程 圖如圖 5所示。3.2節(jié)點組網程序設計由于 SimpliciTI

16、協(xié)議能直接在 TI 公司出品的 CC 系列 RF 芯片 SoC 上直接運行, 因此開發(fā)成本低、 周期短。 在 SimpliciTI 協(xié)議下, 數(shù)據(jù)中心等待終端節(jié)點的連接請 求建立星型連接, 多個終端節(jié)點加入時采取 “先到先得” 的原則78。首先, 數(shù)據(jù)中心驗證申請加入的終端節(jié)點的Join Token 值, 若與其自身保存的值相同, 則發(fā)出允許加入應答幀; 之后, 采用相同的方式驗證終端節(jié)點的 LinkToken 值, 若仍然相同, 則該終端節(jié)點加入網絡成功, 可以進行信息交互。程序流程圖如圖 6 所示。圖 5 微處理器程序流程圖圖 6節(jié)點自組織網絡程序流程圖4結 論本文從便捷、 安全管理電機的

17、角度出發(fā), 設計了基 于物聯(lián)網技術的多電機監(jiān)控系統(tǒng), 分析了系統(tǒng)的基本原 理和軟硬件開發(fā)流程, 并進行了系統(tǒng)測試。經測試, 本 系統(tǒng)能準確測量相關參數(shù)且通信可靠, 能夠有效監(jiān)測電 機工作狀況, 并可以進行遠程控制。同時, 該系統(tǒng)具有 安裝方便、 布線簡單、 成本低、 可擴展性強等優(yōu)點, 具有 較好的應用價值。參考文獻1賀安超, 劉衛(wèi)國, 馬珊 . 基于 CAN 總線的多電機嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設計 J.計算機測量與控制, 2011, 19(7 :16051607. 2王斌, 趙卉, 朱金榮 . 基于 SimpliciTI 協(xié)議的智能窗系統(tǒng)的設計 J.電子設計工程, 2013(10 :139142.3

18、曾哲光 . 基于 TICC1110無線傳感網絡節(jié)點的設計與電路優(yōu)化 D.武漢:華中師范大學, 2012. 4王偉鋼, 朱杰, 施火泉 . 基于 AVR 的多功能電機保護器設計 J.微特電機, 2014, 42(1 :3133.(下轉第 141頁 圖 10n =11時的運行結果將 z =1, x =1與 n =11代入式 (4 , 得出此時 y 2的累 加結果如圖 11 所示。圖 11n =11時的計算結果此 結 果 與 上 述 程 序 運 行 結 果 相 符 , 繼 續(xù) 測 試 當 n =12 時的運行結果。點擊繼續(xù)程序的運行, 當?shù)诙芜\行完時, 各參數(shù)運行結果如圖 12 所示。圖 12n

19、=12時的運行結果將 z =1, x =1與 n =12代入式 (4 , 此時 y 2的累加 結果如圖 13 所示。圖 13n =12時的計算結果此結果與上述程序運行結果相符, 可以表明該主程 序的第二部分是正確的。綜合上述的分析, 該程序的第一部分及第二部分對 于每次累加后 y 1和 y 2的結果都是正確的,所以, 其編寫 是正確的。因此, 該樣例成功運用單步調試法完成了本 程序的測試, 為后續(xù)大數(shù)量數(shù)據(jù)的運行提供了基礎。3結 論通過以上實例的分析, 驗證了單步調試法在程序測 試中的重要作用。通過此方法, 程序員可以通過 Matlab 搭建系統(tǒng)模型, 利用 Matlab 軟件本身的計算優(yōu)勢,

20、 在程序 編譯過程中快速找到錯誤所在, 提高編寫程序的效率, 還 可以應用于復雜的算法測控中, 具有很強的實用價值。注:本文通訊作者為田野。參考文獻1許波, 劉征 .Matlab 工程數(shù)學應用 M.北京:清華大學出版社, 2000.2王向東, 戎海武, 文翰 . 數(shù)學實驗 M.北京:高等教育出版社, 2004. 3薛定宇, 陳陽泉 . 高等應用數(shù)學問題的 Matlab 求解 M.北京:清華大學出版社, 2004. 4黃忠霖 . 控制系統(tǒng) Matlab 計算機仿真 M.北京:國防工業(yè)出版 社, 2004. 5姜啟源, 邢文訓, 謝金星, 等 . 大學數(shù)學實驗 M.北京:清華大學出版社, 2005

21、.6李建新, 劉乃安, 劉繼 . 現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真 M.西安:西安電子科技大學出版社, 2001.7劉志儉 .Matlab 應用接口用戶指南 M.北京:科學出版社, 2000.8劉春 . 偽碼調相中斷連續(xù)波雷達信號處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) D.南京:南京理工大學, 2010.9朱寧, 吳崇昊, 李志堅, 等 . 一種繼電保護應用軟件仿真驗證系統(tǒng)的設計 J.電力自動化設備, 2012, 32(6 :140144. 10毛用才, 胡奇英 . 隨機過程 M.西安:西安電子科技大學出版社, 2006.作者簡介:王若楠 (1989 , 女, 山東德州人, 研究生。主要研究方向為高速移動無線信號處理。田野 (1977 , 男, 遼寧沈陽人