智能儀表的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

楊英翠

摘 要 針對(duì)傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在銷售過(guò)程中出現(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)報(bào)修和服務(wù)響應(yīng)模式落后、儀表運(yùn)行記錄和故障記錄難以及時(shí)發(fā)送給診斷專家、無(wú)法實(shí)現(xiàn)專家遠(yuǎn)程同屏可視化監(jiān)控和調(diào)整參數(shù)等缺點(diǎn)，提出了一種智能儀表的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控芯片，同時(shí)配有藍(lán)牙透?jìng)髂K、數(shù)據(jù)管理模塊和手機(jī)APP客戶端;該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的歷史數(shù)據(jù)管理、可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控、在線故障診斷以及預(yù)防性維護(hù)等功能;該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 STM32;數(shù)據(jù)管理;故障診斷;預(yù)防性維護(hù);藍(lán)牙透?jìng)?手機(jī)APP

Design of intelligent instrument remote diagnosis system

Yang Yingcui

Shanghai automatic instrument co.， LTD.， Shanghai 200072， China

Abstract In view of the traditional electric actuators at the scene of the sales in the process of the repair and backward service response mode， instrument operation records and the records to timely sent to the fault diagnosis expert， unable to realize remote with expert panel visual monitoring and adjusting parameters such as faults， puts forward a kind of intelligent instrument remote diagnosis system， the system the STM32 microcontroller as the main control chip， at the same time equipped with bluetooth passthrough module， data management module and mobile phone APP client;The system can realize the functions of historical data management， visual remote monitoring， online fault diagnosis and preventive maintenance.The system has the advantages of simple operation， stable performance and advanced technology.

Key words STM32; Data management; Fault diagnosis; Preventive maintenance; Bluetooth passthrough; The phone APP

引言

智能儀表涉及數(shù)據(jù)采樣和設(shè)備執(zhí)行，一旦發(fā)生故障，會(huì)對(duì)工廠生產(chǎn)過(guò)程造成較大的影響，所以工廠希望在儀表發(fā)生故障時(shí)，能快速地解決存在的問(wèn)題。由于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性，用戶往往對(duì)儀表不熟悉，無(wú)法快速排除，而在尋求儀表廠家?guī)椭鷷r(shí)，很多時(shí)候信息交流不順暢，廠家無(wú)法得到真實(shí)的使用情況，造成維修時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)生產(chǎn)造成較大影響。特別是在一些化工、電力、核工業(yè)設(shè)施等大型工程中更明顯，這些部門都要求生產(chǎn)的穩(wěn)定性，一旦故障長(zhǎng)時(shí)間不能排除，將導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。相比之下，通過(guò)智能能儀表的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，將儀表生產(chǎn)廠家和應(yīng)用廠家之間建立了一個(gè)充分溝通的渠道，為新型智能儀表的選型指導(dǎo)、現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互、可視化監(jiān)控、遠(yuǎn)程專家協(xié)同故障診斷、基于大數(shù)據(jù)的預(yù)防性維護(hù)等提供了新的技術(shù)手段， 實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)用戶APP、遠(yuǎn)程專家APP多屏同步、遠(yuǎn)程設(shè)置、快速解決儀表使用過(guò)程中突發(fā)問(wèn)題，提升售后服務(wù)效率，監(jiān)測(cè)產(chǎn)品全生命周期，降低產(chǎn)品運(yùn)行維護(hù)成本、促進(jìn)企業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該智能儀表的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)主要由新型智能儀表研制和綜合服務(wù)APP兩部分組成。①新型智能儀表研制。針對(duì)公司現(xiàn)有電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和流量計(jì)等新型智能儀表系列產(chǎn)品，采用藍(lán)牙4.0高速通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能儀表與手機(jī)APP數(shù)據(jù)交互。開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用軟件，擴(kuò)展儀表自診斷和遠(yuǎn)程專家協(xié)同診斷技術(shù);②綜合服務(wù)APP開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)基于云平臺(tái)的工業(yè)自動(dòng)化儀表綜合服務(wù)手機(jī)APP，涵蓋技術(shù)咨詢、安裝指導(dǎo)、可視化監(jiān)控、運(yùn)行優(yōu)化、服務(wù)報(bào)修、實(shí)時(shí)故障診斷、產(chǎn)品健康評(píng)估、預(yù)防性維護(hù)等應(yīng)用模塊[1]。

2智能手機(jī)APP設(shè)計(jì)

智能手機(jī)APP使用成熟的商用操作系統(tǒng)Android/IOS開(kāi)發(fā)，集成了藍(lán)牙技術(shù)、云技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)層、存儲(chǔ)層和感知層的智能互聯(lián)。普通市售智能手機(jī)或者平板電腦即可安裝運(yùn)行，大大提高了用戶的適用性。

基于云平臺(tái)的智能手機(jī)APP 服務(wù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)視圖涵蓋八項(xiàng)主要業(yè)務(wù)：技術(shù)咨詢、安裝指導(dǎo)、可視化監(jiān)控、運(yùn)行優(yōu)化、服務(wù)報(bào)修、實(shí)時(shí)故障診斷、產(chǎn)品健康監(jiān)測(cè)和預(yù)防性維護(hù)。其中，可視化監(jiān)控指導(dǎo)其他五項(xiàng)業(yè)務(wù)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。通過(guò)技術(shù)咨詢、安裝指導(dǎo)、可視化監(jiān)控、運(yùn)行優(yōu)化、服務(wù)報(bào)修、實(shí)時(shí)故障診斷提供的儀表設(shè)備保障、人員保障及應(yīng)急保障，保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作模塊的正確運(yùn)行。產(chǎn)品健康監(jiān)測(cè)和預(yù)防性維護(hù)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供預(yù)防方案和策略，實(shí)現(xiàn)一次性產(chǎn)品銷售模式轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)期性維護(hù)服務(wù)模式。

其中，技術(shù)咨詢包括發(fā)起咨詢、服務(wù)響應(yīng)、專家匹配及選型指導(dǎo);安裝指導(dǎo)包括發(fā)起請(qǐng)求、服務(wù)響應(yīng)、專家匹配及在線指導(dǎo);售后可視化監(jiān)控包括設(shè)備連接、監(jiān)控授權(quán)、多屏同步、狀態(tài)監(jiān)控、故障報(bào)警記錄及維護(hù)記錄;運(yùn)行優(yōu)化包括參數(shù)設(shè)置、優(yōu)化模型加載、動(dòng)態(tài)優(yōu)化及可視化;服務(wù)報(bào)修包括發(fā)起報(bào)修、設(shè)置授權(quán)碼、服務(wù)響應(yīng)、專家匹配、在線服務(wù)及服務(wù)評(píng)價(jià);實(shí)時(shí)故障診斷包括現(xiàn)場(chǎng)通信、設(shè)置授權(quán)碼、專家匹配、在線診斷、遠(yuǎn)程授權(quán)控制及案例入庫(kù);預(yù)防性維護(hù)包括歷史數(shù)據(jù)加載、模型選擇、數(shù)據(jù)挖掘、維護(hù)預(yù)測(cè)及預(yù)防性維護(hù)報(bào)告。

當(dāng)智能儀表用戶在使用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品故障時(shí)，可以通過(guò)遠(yuǎn)程手機(jī)APP申請(qǐng)遠(yuǎn)程專家實(shí)時(shí)故障診斷。儀表用戶在遠(yuǎn)程手機(jī)APP的對(duì)應(yīng)界面發(fā)出遠(yuǎn)程申請(qǐng)并填寫申請(qǐng)訂單信息，儀表生產(chǎn)廠家通過(guò)本地手機(jī)APP收到該遠(yuǎn)程診斷申請(qǐng)后進(jìn)行專家分配并設(shè)置授權(quán)碼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接。指定專家和用戶在遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)界面可通過(guò)視頻聊天、信息或圖片傳輸?shù)男问竭M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)通信。指定專家通過(guò)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)快速的在線故障診斷和可視化參數(shù)設(shè)置，指導(dǎo)用戶解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題[2]。

3智能儀表內(nèi)部的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

新型智能儀表系統(tǒng)的主控制器采用基于Cortex-M3內(nèi)核的嵌入式處理器STM32F107為，其具有72MHz主頻，五個(gè)USART接口，集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，且STM32不同型號(hào)產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應(yīng)更多的應(yīng)用，能夠高效的實(shí)現(xiàn)高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

3.1 本地設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)

建立本地設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)，支持通過(guò)藍(lán)牙MAC，設(shè)備標(biāo)簽，序列號(hào)等方式檢索及數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)。完善的設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)可以為智能儀表故障診斷和預(yù)防性維護(hù)提供有效依據(jù)，快速響應(yīng)售后服務(wù)，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

由于智能儀表系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)量很龐大導(dǎo)致主處理器內(nèi)存空間不足，需要外擴(kuò)一個(gè)鐵電存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)掉電后需要保存的歷史數(shù)據(jù)?？紤]到存儲(chǔ)容量大和使用壽命長(zhǎng)的需求，選用鐵電存儲(chǔ)器MB85RS256A。MB85RS256采用串行外圍設(shè)備接口，無(wú)須備用電池即可保存數(shù)據(jù)，它使用的存儲(chǔ)單元可用于10^12次讀/寫操作，不需要等待時(shí)間。

本地設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)記錄智能儀表的運(yùn)行數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄采用結(jié)構(gòu)體形式進(jìn)行分類存儲(chǔ)，其中智能儀表的運(yùn)行方式、故障狀態(tài)和控制方式等組成了運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，當(dāng)且僅當(dāng)這些參數(shù)的數(shù)據(jù)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)才執(zhí)行一次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作，此部分?jǐn)?shù)據(jù)采用分頁(yè)顯示，最大運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄數(shù)為2000條，分成10頁(yè)，最新的數(shù)據(jù)記錄在第一頁(yè)第一條。當(dāng)被記錄的數(shù)據(jù)量達(dá)到2000時(shí)，地址重新回到起始地址處開(kāi)始計(jì)數(shù)，采用幀覆蓋的方法依次進(jìn)行記錄刷新。

鐵電存儲(chǔ)器總記錄條數(shù)、電機(jī)總運(yùn)行時(shí)間、產(chǎn)品總上電時(shí)間、開(kāi)/關(guān)方向電機(jī)總啟動(dòng)次數(shù)和電機(jī)每小時(shí)最大啟動(dòng)次數(shù)等組成了統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，此部分?jǐn)?shù)據(jù)采用一次性存儲(chǔ)模式[3]。本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的程序框圖如下：

3.2 藍(lán)牙透?jìng)飨到y(tǒng)

智能儀表和手機(jī)APP之間通過(guò)藍(lán)牙透?jìng)骷夹g(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)傳輸格式采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信方式，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保持一致方便擴(kuò)展。數(shù)據(jù)管理過(guò)程中采用了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)保護(hù)手段，為了防止通信過(guò)程中數(shù)據(jù)被沖掉采用了三重保護(hù)：軟件保護(hù)、硬件保護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)MODBUS的CRC校驗(yàn)。

藍(lán)牙透?jìng)飨到y(tǒng)由無(wú)線藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)，用串口進(jìn)行控制，直接控制模塊芯片寄存器就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)，且滿足標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線藍(lán)牙協(xié)議4.0，它具有簡(jiǎn)單，易用，開(kāi)發(fā)速度快，且可以用智能手機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，藍(lán)牙4.0最重要的特性是省電，極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗可以使一粒紐扣電池連續(xù)工作數(shù)年之久，此外，還有低成本和跨廠商互操作性，3毫秒低延遲、AES-128加密等諸多特色。

藍(lán)牙手機(jī)客戶端為主站，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為從站。用戶產(chǎn)品通過(guò)藍(lán)牙透?jìng)髂K與手機(jī)APP進(jìn)行雙向通信，也就是藍(lán)牙透?jìng)髂K把從用戶產(chǎn)品那里接收到的數(shù)據(jù)或命令原封不動(dòng)地傳給手機(jī)APP，同樣藍(lán)牙透?jìng)髂K把從手機(jī)APP那里接收到的數(shù)據(jù)或命令原封不動(dòng)地傳給用戶產(chǎn)品，從而通過(guò)藍(lán)牙模塊這個(gè)中介實(shí)現(xiàn)了用戶產(chǎn)品和手機(jī)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)可通過(guò)藍(lán)牙透?jìng)骷夹g(shù)與智能手機(jī)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，記錄的數(shù)據(jù)可在手機(jī)APP顯示界面上顯示，并可記錄下載，在產(chǎn)品出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)事件記錄了解產(chǎn)品在故障發(fā)生時(shí)以及故障發(fā)生前的產(chǎn)品運(yùn)行情況，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的預(yù)防性維護(hù)與故障診斷提供全面的數(shù)據(jù)采集和分析[4]。

4結(jié)束語(yǔ)

智能儀表的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)均會(huì)集成先進(jìn)的數(shù)據(jù)記錄器。它可記錄各種環(huán)境下的產(chǎn)品運(yùn)行情況，記錄應(yīng)用環(huán)境的工藝參數(shù)及其對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行的影響;所有關(guān)鍵的運(yùn)行數(shù)據(jù)都被監(jiān)控并保存，例如動(dòng)作次數(shù)、報(bào)警記錄、操作記錄等，至少可保存1周，記錄在帶時(shí)間戳記的事件報(bào)告中。此外，可以記錄和監(jiān)控力矩曲線，以便檢查智能特性是否發(fā)生改變，可根據(jù)變化提示是否要進(jìn)行預(yù)防性的維護(hù)。

智能儀表還可通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)與智能手機(jī)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可全局檢查設(shè)備的組態(tài)參數(shù)，包括各種數(shù)據(jù)處理及圖形的繪制，并可記錄下載，記錄的數(shù)據(jù)可在顯示屏上顯示，同時(shí)手機(jī)APP 可通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部數(shù)據(jù)讀取，并進(jìn)行故障診斷，或?qū)⑹謾C(jī)APP上的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給技術(shù)部門，技術(shù)人員用專用的軟件來(lái)進(jìn)行分析，遠(yuǎn)程提供技術(shù)支持。在產(chǎn)品出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)事件記錄了解產(chǎn)品在故障發(fā)生時(shí)以及故障發(fā)生前的產(chǎn)品運(yùn)行情況，可為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的計(jì)劃保養(yǎng)與故障排除問(wèn)題提供全面的數(shù)據(jù)采集和分析[5]。

智能儀表的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的使用，將儀表生產(chǎn)廠家和應(yīng)用廠家之間建立了一個(gè)充分溝通的渠道，使兩者之間的信息交流更為全面和快捷，能快速診斷自動(dòng)化儀表現(xiàn)場(chǎng)故障，并提供解決方案，提升了企業(yè)售后服務(wù)效率，實(shí)現(xiàn)了快速的售后服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙培宇，李其華.FRAM鐵電存儲(chǔ)器的應(yīng)用[J].江漢大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（3）：52-55.

[2] 佚名.Modbus的使用說(shuō)明詳解[ED/OL]. https：//wenku.baidu.com/view/256de978974bcf84b9d528ea81c758f5f61f29d1.html，2017-11-10.

[3] 周琛暉.藍(lán)牙技術(shù)及應(yīng)用簡(jiǎn)析[J].中國(guó)新通信，2008（21）：68-70.

[4] 佚名.走進(jìn)藍(lán)牙4.0[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2013（5）：97-99.

[5] 葛二靈.基于云計(jì)算的設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷中心的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2014.