基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁俊+王茂祥+李多貴+王斌+朱金榮

摘 要： 針對(duì)目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)交流電機(jī)缺乏有效監(jiān)控的問題，為實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的參數(shù)采集和智能監(jiān)控，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)傳感器測(cè)量電機(jī)及其所處環(huán)境的相關(guān)參數(shù)，利用無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，并通過(guò)GSM模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)量相關(guān)參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)、缺相、三相不平衡等問題，有效保護(hù)電機(jī)。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)； S3C2440； SimpliciTI 協(xié)議

中圖分類號(hào)： TN99?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）15?0136?03

Design of multi?motor monitoring system based on Internet of Things technology

DING Jun1， WANG Maoxiang1， 2， LI Duogui3， WANG Bin1， ZHU Jinrong1

（1. Yangzhou University， Yangzhou 225002， China； 2. Jiangsu Limited Company of China Mobile Group， Nanjing 210029；

3. Technology Transfer Center， Yangzhou Radio and Television Station， Yangzhou 225009， China）

Abstract： Since industry field is lack of effective monitoring to AC motor， multi?motor monitoring system based on Internet of Things was designed to realize parameter acquisition and intelligent control for AC motor. In this system， the motor′s relevant parameters and its surrounding environment are measured by the sensor. By using wireless self?organized network technology， data are transmitted to control center， which takes S3C2440 as control core. SimpliciTI protocol is applied to proceeding network communication， and remote data transmission is conducted by GSM module. The experimental results show that the system can measure relevant parameters accurately， discover motor′s blocked?rotor， lack of phase and three?phase imbalance problems in time. The motor is protected effectively.

Keywords： Internet of Things； self?organized network technology； S3C2440； SimpliciTI protocol

0 引 言

目前，我國(guó)電機(jī)裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)4億kW以上，年耗電量達(dá)1.2萬(wàn)億kW·h，占全國(guó)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(jī)中多數(shù)為普通交流電機(jī)，在出現(xiàn)異常時(shí)沒有自我保護(hù)能力，而且由于電網(wǎng)質(zhì)量不穩(wěn)定、電機(jī)老化等原因容易導(dǎo)致電機(jī)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)多采用工控機(jī)或者PC機(jī)與上位機(jī)軟件相結(jié)合的方式[1]，雖然其開發(fā)周期短，但是需要占用計(jì)算機(jī)資源，布線繁瑣，價(jià)格昂貴，不便于攜帶。隨著應(yīng)用于傳動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)數(shù)量越來(lái)越多，如何經(jīng)濟(jì)、有效和方便地對(duì)多臺(tái)電機(jī)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控、保護(hù)和管理，顯得越來(lái)越重要。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并結(jié)合無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、全球移動(dòng)通信（GSM）技術(shù)和嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種多電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積小、價(jià)格低、安裝簡(jiǎn)便，并具有遠(yuǎn)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以無(wú)線方式進(jìn)行信息交互，該協(xié)議是TI公司推出的針對(duì)小型RF網(wǎng)絡(luò)的專有低功耗協(xié)議，能夠簡(jiǎn)化實(shí)施工作，降低對(duì)微處理器的資源占用[2]。SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和射頻層組成，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和星型2種基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。本系統(tǒng)采用的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒〝?shù)據(jù)中心（Access Point，AP）、中繼（Range Extender，RE）節(jié)點(diǎn)、終端（End Device，ED）節(jié)點(diǎn)三部分。中繼節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理、發(fā)送和對(duì)電機(jī)的直接控制，中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作。數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理和協(xié)調(diào)，接收所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，處理后通過(guò)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析、顯示等工作，在數(shù)據(jù)異常時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警并采取相應(yīng)措施，同時(shí)通過(guò)GSM模塊提示用戶。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

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(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)三部分。由于中繼節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的硬件電路相同，因此本文只介紹終端節(jié)點(diǎn)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(bào)警模塊，終端節(jié)點(diǎn)部分包括傳感器組及信號(hào)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(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)是直接控制傳感器的網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)中有著相當(dāng)重要的地位[4]。CC1110作為終端節(jié)點(diǎn)的核心，負(fù)責(zé)采集各傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。本系統(tǒng)中每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)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(cè)量電路分別采用型號(hào)為HNV025和HS03?25A?NP的霍爾傳感器，它們利用霍爾效應(yīng)及磁補(bǔ)償原理，被測(cè)回路與測(cè)試回路絕緣度高，可測(cè)量直流、交流、脈動(dòng)信號(hào)。

圖3（a）所示的電壓測(cè)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(yùn)算放大器U14B用于放大電壓信號(hào)，便于采樣。通過(guò)三相電壓值可以有效判斷是否有過(guò)壓、欠壓、缺相等狀況發(fā)生。

圖3（b）所示的電流測(cè)量電路中，三個(gè)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(dāng)電流為正時(shí)，其輸出經(jīng)濾波和運(yùn)算放大器U6，U7兩級(jí)反向放大后，由out1端口輸出，out2端口輸出為0；當(dāng)電流為負(fù)時(shí)，運(yùn)算放大器U8為同相放大，因此信號(hào)由out2端口輸出，out1端口輸出為0，這樣就可以有效的實(shí)時(shí)測(cè)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(fù)載是否平衡。

圖3 電壓、電流測(cè)量電路

2.3 監(jiān)控中心硬件設(shè)計(jì)

微處理器負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)模塊的控制和協(xié)調(diào)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(yīng)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(fù)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(fù)位等功能，并可以手動(dòng)復(fù)位[6]，微處理器電路如圖4所示。

圖4 S3C2440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，可以方便的和微處理器配合，可靠地實(shí)現(xiàn)短消息服務(wù)，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(jìn)行遠(yuǎn)程通信，在電機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，該模塊主動(dòng)發(fā)送短消息到設(shè)定號(hào)碼，詳細(xì)報(bào)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(dá)到查詢參數(shù)和遠(yuǎn)程控制電機(jī)的目的。鍵盤主要用于對(duì)各終端節(jié)點(diǎn)參數(shù)的設(shè)置、查詢和電機(jī)電源通斷的遙控；為了便于用戶實(shí)時(shí)了解電機(jī)狀態(tài)，采用了4線電阻式觸摸LCD，可以實(shí)時(shí)顯示各電機(jī)參數(shù)；報(bào)警模塊主要是在電機(jī)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出信號(hào)，提醒工作人員。

3 系統(tǒng)主要軟件設(shè)計(jì)

3.1 S3C2440程序設(shè)計(jì)

微處理器S3C2440是監(jiān)控中心電路的核心，負(fù)責(zé)控制作為數(shù)據(jù)中心的射頻模塊、GSM模塊、觸摸屏和報(bào)警模塊，獲得和顯示各電機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)接受遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)上電后，S3C2440首先讀取系統(tǒng)設(shè)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(diǎn)自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功后獲取電機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，在觸摸屏上顯示；數(shù)據(jù)異常時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過(guò)GSM模塊發(fā)送異常信息到指定手機(jī)，并向數(shù)據(jù)異常的節(jié)點(diǎn)發(fā)出指令，控制交流接觸器斷開該電機(jī)電源，保護(hù)電機(jī)。微處理器程序流程圖如圖5所示。

3.2 節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)

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(yùn)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(diǎn)的連接請(qǐng)求建立星型連接，多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)加入時(shí)采取“先到先得”的原則[7?8]。首先，數(shù)據(jù)中心驗(yàn)證申請(qǐng)加入的終端節(jié)點(diǎn)的Join Token值，若與其自身保存的值相同，則發(fā)出允許加入應(yīng)答幀；之后，采用相同的方式驗(yàn)證終端節(jié)點(diǎn)的Link Token值，若仍然相同，則該終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功，可以進(jìn)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(diǎn)自組織網(wǎng)絡(luò)程序流程圖

4 結(jié) 論

本文從便捷、安全管理電機(jī)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多電機(jī)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(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)量相關(guān)參數(shù)且通信可靠，能夠有效監(jiān)測(cè)電機(jī)工作狀況，并可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，該系統(tǒng)具有安裝方便、布線簡(jiǎn)單、成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 賀安超，劉衛(wèi)國(guó)，馬珊.基于CAN總線的多電機(jī)嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)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(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013（10）：139?142.

[3] 曾哲光.基于TICC1110無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與電路優(yōu)化[D].武漢：華中師范大學(xué)，2012.

[4] 王偉鋼，朱杰，施火泉.基于AVR的多功能電機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，2014，42（1）：31?33.

[5] 李治斌，鄧小芳，張余明，等.基于ZigBee技術(shù)的智能調(diào)光開關(guān)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（1）：60?63.

[6] 朱延生，蔣泰，佘智.基于ARM的公交優(yōu)先控制器的設(shè)計(jì)[J].廣西科學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，28（1）：55?58.

[7] 陳啟明.基于PIC單片機(jī)的無(wú)線遙控移動(dòng)靶控制系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2008（2）：42?44.

[8] MERENTITIS A， KRANTIS N， PASCHALIS A， et al. Low energy online self?test of embedded processors in dependable WSN nodes [J]. IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing， 2012， 9（1）： 86?100.