基于物聯(lián)網(wǎng)技術的多電機監(jiān)控系統(tǒng)的設計

..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(wǎng)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(chǎn),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(jīng)濟、有效和方便地對多臺電機同時進行監(jiān)控、保護和管理,顯得越來越重要。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術,并結合無線自組織網(wǎng)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(wǎng)的多電機監(jiān)控系統(tǒng)采用SimpliciTI網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡協(xié)議由應用層、網(wǎng)絡層和射頻層組成,支持點對點和星型2種基本網(wǎng)絡拓撲結構[3]。本系統(tǒng)采用的星型網(wǎng)絡拓撲包括數(shù)據(jù)中心<AccessPoint,AP、中繼<RangeExtender,RE節(jié)點、終端<EndDevice,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(wǎng)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(wǎng)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.XX大學,XXXX225002;2.中國移動通信集團XX,XXXX210029;3.XX廣播電視總臺技術傳輸中心,XXXX225009摘要: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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng);自組織網(wǎng)絡技術;S3C2440;SimpliciTI協(xié)議中圖分類號:TN99?34文獻標識碼:A文章編號:1004?373X<201515?0136?03Designofmulti?motormonitoringsystembasedonInternetofThingstechnologyDINGJun1,WANGMaoxiang1,2,LIDuogui3,WANGBin1,ZHUJinrong1<1.YangzhouUniversity,Yangzhou225002,China;2.JiangsuLimitedCompanyofChinaMobileGroup,Nanjing210029;3.TechnologyTransferCenter,YangzhouRadioandTelevisionStation,Yangzhou225009,ChinaAbstract:SinceindustryfieldislackofeffectivemonitoringtoACmotor,multi?motormonitoringsystembasedonInternetofThingswasdesignedtorealizeparameteracquisitionandintelligentcontrolforACmotor.Inthissystem,themotor′srelevantparametersanditssurroundingenvironmentaremeasuredbythesensor.Byusingwirelessself?organizednetworktechnology,dataaretransmittedtocontrolcenter,whichtakesS3C2440ascontrolcore.SimpliciTIprotocolisappliedtoproceedingnetworkcom?munication,andremotedatatransmissionisconductedbyGSMmodule.Theexperimentalresultsshowthatthesystemcanmea?surerelevantparametersaccurately,discovermotor′sblocked?rotor,lackofphaseandthree?phaseimbalanceproblemsintime.Themotorisprotectedeffectively.Keywords:InternetofThings;self?organizednetworktechnology;S3C2440;SimpliciTIprotocol收稿日期:2015?02?02基金項目:XX省教育廳高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進工程項目<JHB2012?43理后通過RS232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(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。圖1監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)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(wǎng)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(jīng)過預處理后發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。本系統(tǒng)中每個終端節(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HS03?25A?NP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(jīng)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U14A和穩(wěn)壓管D7可以有效防止沖擊電壓損壞CC1110芯片,運算放大器U14B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(jīng)濾波和運算放大器U6,U7兩級反向放大后,由out1端口輸出,out2端口輸出為0;當電流為負時,運算放大器U8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RS232通信接口,可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(wǎng)絡組網(wǎng)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(wǎng)程序設計由于SimpliciTI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[7?8]。首先,數(shù)據(jù)中心驗證申請加入的終端節(jié)點的JoinToken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(wǎng)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(wǎng)絡程序流程圖4結論本文從便捷、安全管理電機的角度出發(fā),設計了基于物聯(lián)網(wǎng)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(jīng)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<7:1605?1607.[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<10:139?142.[3]曾哲光.基于TICC1110無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的設計與電路優(yōu)化[D].XX: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<1:31?33.<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y2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=12時的運行結果將z=1,x=1與n=12代入式<4,此時y2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y1和y2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,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XX.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.[6]李建新,劉乃安,劉繼.現(xiàn)代通信系統(tǒng)分析與仿真[M].XX: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].XX:XX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<6:140?144.[10]毛用才,胡奇英.隨機過程[M].XX:XX電子科技大學出版社,2006.作者簡介:王若楠<1989—,女,XXXX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,XXXX人,博士,教授。主要研究方向為衛(wèi)星