基于物聯網的工業(yè)制冷設備遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計

劉書倫 周觀民 胡晨田

(1.濟源職業(yè)技術學院，河南 濟源 459000； 2.河南貝迪工業(yè)特種制冷設備制造公司，河南 濟源 459000)

工業(yè)制冷設備生產廠家在制冷工程實施完畢后，將投入較大的人力對設備進行日常維護以保證其正常運作。工業(yè)制冷設備廠家會建立多個制冷工程，且工程分布于全國各地，維護人員更多時間花費在路途奔波中，實際到現場后處理的可能僅是一個很小的問題，而且工程中發(fā)生的問題查找困難，僅按報警項難于溯源到出問題的設備，例如傳統(tǒng)控制器報警如冷庫溫度過高，最終知道的僅是制冷設備運作后的一個表現，而實際哪個制冷設備器件出問題則依然需要逐個排查。工業(yè)制冷設備廠家需要一種信息化方案解決上述問題。

物聯網技術是互聯網技術的延伸和進一步發(fā)展，其終端延伸和擴展到了任何物品和物品之間進行信息的交流與溝通。因此，物聯網技術的定義是通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、傳感器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議連接到互聯網進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種新興的網絡技術。

近幾年來，物聯網應用技術發(fā)展迅速，移動互聯網應用技術為實現工業(yè)制冷設備遠程監(jiān)測提供了技術支持，采用物聯網和移動互聯網技術的工業(yè)制冷設備遠程監(jiān)測系統(tǒng)方便了設備廠家對制冷工程的管理和維護，極大的降低了維修成本。多個制冷工程管理時不用逐一到現場查看設備數據，在任意一臺可上網的計算機或者智能終端上就可以完成，同樣可以在這臺計算機或者智能終端上完成設備或者設備參數的操作任務。

1 系統(tǒng)總體結構

本文設計的工業(yè)制冷設備遠程監(jiān)測系統(tǒng)主要由遠程監(jiān)測終端、數據傳輸網絡和遠程監(jiān)測服務器組成，遠程監(jiān)測終端主要完成對制冷設備的實時數據采集與處理，執(zhí)行遠程監(jiān)測服務器發(fā)送過來的查詢指令和設備控制指令，遠程監(jiān)測終端集成了移動互聯網通信模塊。遠程監(jiān)測終端正常工作時通過物聯網傳感器采集制冷設備的實時運行數據，移動互聯網通信模塊把設備運行數據通過數據傳輸網絡發(fā)送出去，數據傳輸網絡由3G移動通信網絡和Internet互聯網共同構成，是遠程監(jiān)測終端與遠程監(jiān)測服務器之間的數據傳輸通道，遠程監(jiān)測服務器是工業(yè)制冷設備遠程監(jiān)測系統(tǒng)的中心，負責監(jiān)測系統(tǒng)中所有感知數據的獲取、存儲和查詢，系統(tǒng)結構見圖1[1]。

2 系統(tǒng)各部分設計

2.1 遠程監(jiān)測終端硬件設計

遠程監(jiān)控終端的硬件由嵌入式微處理器、3G移動通信網絡模塊、液晶顯示屏、觸摸屏、串行總線和一些必要的外圍電路組成，遠程監(jiān)測終端主要監(jiān)測制冷設備的工作狀態(tài)、核心部件的電流、蒸發(fā)器溫度、冷凝器溫度、冷庫溫度、各個部件溫度及開關狀態(tài)等。在工業(yè)制冷設備控制板上設置有各類傳感器，通過傳感器、遠程監(jiān)測終端上的串行總線、數模轉換等器件完成現場數據的采集。遠程監(jiān)測終端硬件結構如圖2所示[1]。

圖1 工業(yè)制冷設備遠程監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

圖2 遠程監(jiān)測終端硬件結構圖

2.1.1 Cortex-A8嵌入式微處理器架構

嵌入式微處理器對串口接收現場傳感器采集的數據進行處理后存儲至遠程監(jiān)測終端，需要時可通過移動互聯網通信模塊發(fā)送至遠程監(jiān)測服務器。遠程監(jiān)測終端采用三星公司ARM Cortex-A8內核的S5PV210高性能32位嵌入式微處理。S5PV210處理器是基于ARMv7架構的嵌入式微處理器，是ARM開發(fā)的性能最高、最具功率效率的處理器。S5PV210處理器的速率可以在600 MHz和1GHz之間的范圍內調節(jié)，可滿足功耗在300mW以下的嵌入式設備的要求，在S5PV210處理器中的通用異步收發(fā)器提供了4對獨立的異步串口(UART)I/O端口，供用戶獲取各類傳感器數據，S5PV210嵌入式微處理通用異步收發(fā)器電路圖如圖3所示。

圖3 S5PV210嵌入式微處理通用異步收發(fā)器電路圖

2.1.2 移動互聯網通信模塊

移動互聯網通信模塊的主要功能是將采集的運行數據通過3G移動互聯網絡傳送到遠程監(jiān)測服務器。本系統(tǒng)選用中興通訊生產的MG3732模塊作為3G移動互聯網通信模塊， 該模塊具有語音、短信和數據業(yè)務功能，是一款WCDMA/GSM雙模移動互聯網通信模塊。在移動通信模式下，支持上行鏈路和下行鏈路不對稱的數據傳輸，最高速率達3.6 Mbit/s。該模塊在通信接口上具有比以往無線通信模塊更加靈活的特性，可以支持異步串口(UART) 和通用串行總線接口(USB )，以滿足不同主控設備的特性要求。另外，模塊內部還集成了標準的TCP/IP協(xié)議棧，支持TCP協(xié)議和UDP協(xié)議傳輸，可連接到Internet進行網絡傳輸[4]。

2.2 遠程監(jiān)測終端軟件設計

遠程監(jiān)測終端采用谷歌公司的Android嵌入式操作系統(tǒng)，Android是一種基于Linux的自由、開放源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)，主要用于嵌入式設備。Android操作系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、開放性、所有應用程序平等、應用程序間無界限及快速方便的應用程序開發(fā)等優(yōu)點，是目前使用用戶最多的嵌入式操作系統(tǒng)，因此在Android操作系統(tǒng)上設計Android應用程序具有低成本、方便系統(tǒng)開發(fā)及易于維護等優(yōu)點[2]。

Android應用程序框架主要分為4 個層次：應用層、應用框架層、虛擬機層及Linux 內核層[5]。處于Android應用程序框架最底層的是Linux 內核層，它為Android應用系統(tǒng)提供進程管理、內存管理及設備驅動等基本程序功能；虛擬機包含必須的C語言程序庫文件和Java 程序運行環(huán)境，并且提供對應用框架層的支持；應用框架層是Android應用程序開發(fā)者最關心的部分，是基于應用框架層所提供的基本框架和API進行程序開發(fā)[3]。

針對Android應用開發(fā)，Google 發(fā)布了Android SDK(Software Developing Kits)。其中包括若干開發(fā)工具集和一整套基于Java 開發(fā)的API。其后 Google 公司又針對C/C++ 開發(fā)者提供了NDK(Native Developing Kits)。NDK開發(fā)的程序仍需通過 JNI(Java Native Interface)方式與開發(fā)能在一定程度上加快程序運行的速度，但是會增加程序開發(fā)的復雜度。

遠程監(jiān)測終端實現了對制冷設備的運行數據的采集、運行參數的控制、數據的移動網絡傳輸等功能，通過Android應用開發(fā)平臺編寫遠程監(jiān)測應用程序實現上述功能。

2.3 遠程監(jiān)測服務器設計

遠程監(jiān)測服務器采用基于Web的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需安裝任何插件就可以在任意聯網的計算機、平板電腦和智能手機上運行。遠程監(jiān)測系統(tǒng)分為3個子系統(tǒng)：遠程監(jiān)測與控制子系統(tǒng)；數據存儲子系統(tǒng)；客戶端接收與命令發(fā)送子系統(tǒng)。遠程監(jiān)測與控制子系統(tǒng)負責采集各個制冷設備遠程監(jiān)測終端的運行狀況數據，然后傳遞給數據存儲子系統(tǒng)，客戶端接收與命令發(fā)送子系統(tǒng)是與客戶和維護人員直接交互的系統(tǒng)，它負責接收客戶和維護人員的操作指令，從數據存儲子系統(tǒng)獲取監(jiān)測數據或向其發(fā)送控制命令，遠程監(jiān)測服務器架構圖如圖4所示。

3 結 語

將物聯網技術應用于工業(yè)制冷設備遠程監(jiān)測系統(tǒng)，不僅滿足了工業(yè)制冷設備廠家的遠程監(jiān)測要求，而且具有結構簡單、可靠性高、可擴充性強、建設和使用成本低、實時性強等優(yōu)點，方便客戶和維護人員及時掌握制冷設備的運行情況并做出相應操作控制，該系統(tǒng)為工業(yè)制冷設備實現遠程監(jiān)測提供了良好的技術基礎，達到了制冷設備生產廠家對設備監(jiān)測的預期目的，具有一定的推廣價值。

圖4 遠程監(jiān)測服務器架構圖

[1] 鄔春明，牟曉敏，程亮，等.熱電機組遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計[J].自動化儀表,2013,34(6):42-44.

[2] 詹成國，朱偉，徐敏.基于Android的測控裝置人機界面的設計與開發(fā)[J].電力自動化設備,2012,32(1):119-122.

[3] 彭鑫，譚彰，黃文君，等.基于Android的工業(yè)控制監(jiān)控軟件設計[J].計算機工程，2013，39(7):86-89.

[4] 曹景勝.基于3G技術的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計[D]. 錦州:遼寧工業(yè)大學，2011.

[5] 宋偉強.基于Android的移動巡檢系統(tǒng)開發(fā)[J].硅谷，2013(7):49-50.