基于物联网技术的多电机监控系统的设计.docx
《基于物联网技术的多电机监控系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于物联网技术的多电机监控系统的设计.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于物联网技术的多电机监控系统的设计
0引言
目前,我国电机装机总容量已达4亿kW以上,年耗电量达1.2万亿kW·h,占全国总用电量的60%,占工业用电量的80%,数量如此庞大的电机中多数为普通交流电机,在出现异常时没有自我保护能力,而且由于电网质量不稳定、电机老化等原因容易导致电机故障,影响正常生产,甚至危及工作人员的人身安全。
目前的多电机监控系统多采用工控机或者PC机与上位机软件相结合的方式[1],虽然其开发周期短,但是需要占用计算机资源,布线繁琐,价格昂贵,不便于携带。
随着应用于传动系统的电动机数量越来越多,如何经济、有效和方便地对多台电机同时进行监控、保护和管理,显得越来越重要。
本文基于物联网技术,并结合无线自组织网络技术、全球移动通信（GSM技术和嵌入式技术,设计了一种多电机监控系统,该系统体积小、价格低、安装简便,并具有远程控制功能。
1监控系统组成
基于物联网的多电机监控系统采用SimpliciTI网络协议以无线方式进行信息交互,该协议是TI公司推出的针对小型RF网络的专有低功耗协议,能够简化实施工作,降低对微处理器的资源占用[2]。
SimpliciTI网络协议由应用层、网络层和射频层组成,支持点对点和星型
2种基本网络拓扑结构[3]。
本系统采用的星型网络拓扑包括数据中心（AccessPoint,AP、中继（RangeExtender,RE节点、终端（EndDevice,ED节点三部分。
中继节点和终端节点负责数据的采集、预处理、发送和对电机的直接控制,中继节点同时还负责数据转发工作。
数据中心负责网络的管理和协调,接收所有节点的数据,处
基于物联网技术的多电机监控系统的设计
丁俊1,王茂祥1,2,李多贵3,王斌1,朱金荣1
（1.扬州大学,江苏扬州225002;2.中国移动通信集团江苏有限公司,江苏南京210029;
3.扬州广播电视总台技术传输中心,江苏扬州225009
摘要:
针对目前工业现场对交流电机缺乏有效监控的问题,为实现对交流电机的参数采集和智能监控,设计了基于物联网技术的多电机监控系统。
该系统通过传感器测量电机及其所处环境的相关参数,利用无线自组织网络技术将数据传输至以S3C2440为核心的控制中心,采用SimpliciTI协议进行网络通信,并通过GSM模块进行远程数据传输。
实验表明,该系统能够准确测量相关参数,及时发现电机的堵转、缺相、三相不平衡等问题,有效保护电机。
关键词:
物联网;自组织网络技术;S3C2440;SimpliciTI协议
中图分类号:
TN99⁃34文献标识码:
A文章编号:
1004⁃373X（201515⁃0136⁃03Designofmulti⁃motormonitoringsystembasedonInternetofThingstechnologyDINGJun1,WANGMaoxiang1,2,LIDuogui3,WANGBin1,ZHUJinrong1
（1.YangzhouUniversity,Yangzhou225002,China;2.JiangsuLimitedCompanyofChinaMobileGroup,Nanjing210029;
3.TechnologyTransferCenter,YangzhouRadioandTelevisionStation,Yangzhou225009,China
Abstract:
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
基金项目:
江苏省教育厅高校科研成果产业化推进工程
项目（JHB2012⁃43
理后通过RS232接口发送至监控中心。
监控中心以ARM9系列微处理器S3C2440为核心,负责数据的分析、显示等工作,在数据异常时进行声光报警并采取相
应措施,同时通过GSM模块提示用户。
系统网络拓扑结构如图1
所示。
图1
监控系统网络拓扑结构
2
系统硬件电路设计
2.1
硬件电路总体方案
系统硬件电路主要分为监控中心、中继节点和终端节点三部分。
由于中继节点和终端节点的硬件电路相同,因此本文只介绍终端节点电路。
图2给出了系统硬件电路,其中,监控中心部分包括微处理器S3C2440、射频模块CC1110、显示模块、键盘、GSM模块和报警模块,终端节点部分包括传感器组及信号处理电路、射频模块、电源模块、
继电器和交流接触器。
图2系统硬件电路示意图
2.2
终端节点硬件设计
终端节点是直接控制传感器的网络子节点,在系统
中有着相当重要的地位[4]。
CC1110作为终端节点的核
心,负责采集各传感器的输出信号,经过预处理后发送至数据中心。
本系统中每个终端节点包含四种传感器:
电压传感器、电流传感器、温湿度传感器和热敏电阻。
如图3所示,电压、电流测量电路分别采用型号为HNV025和HS03⁃25A⁃NP的霍尔传感器,它们利用霍尔
效应及磁补偿原理,被测回路与测试回路绝缘度高,可测量直流、交流、脉动信号。
图3（a所示的电压测量电路中,交流电压经全桥整流后输入传感器,Uout端输出和该交流电压有效值成比例的直流电压。
电压跟随器U14A和稳压管D7可以有效防止冲击电压损坏CC1110芯片,运算放大器U14B用于放大电压信号,便于采样。
通过三相电压值可以有效
判断是否有过压、欠压、缺相等状况发生。
图3（b所示的电流测量电路中,三个电流传感器分别串联在三相电路中,规定电流由IN端口流向OUT端口为电流正方向。
当电流为正时,其输出经滤波和运算放大器U6,U7两级反向放大后,由out1端口输出,out2端口输出为0;当电流为负时,运算放大器U8为同相放
大,因此信号由out2端口输出,out1端口输出为0,这样就可以有效的实时测量交流电流大小,并有效区分电流流向,即可判断相序是否正常,
三相负载是否平衡。
图3电压、电流测量电路
2.3
监控中心硬件设计
微处理器负责对各个模块的控制和协调工作[5],考
虑到功耗、体积和易用性等因素,本系统选用ARM9系列的S3C2440芯片,该芯片具有丰富的片上资源,体积小、功耗低,为嵌入式应用提供了低功耗、低成本、高性
能的微控制器解决方案。
为了保证系统工作的可靠性,复位电路选用专用电压监视芯片MAX811,它稳定性高,功耗低,集成了上电、掉电复位等功能,并可以手动复位[6],
微处理器电路如图4
所示。
图4S3C2440微处理器电路
GSM模块包含GSM基带处理器、GSM射频模块、供
电模块（ASIC、闪存、ZIF连接器和天线接口的TC35模块。
该模块自带RS232通信接口,可以方便的和微处
理器配合,可靠地实现短消息服务,模块有AT命令集接口,支持文本和PDU模式的短消息。
本系统中主要采
用文本方式进行远程通信,在电机出现异常时,该模块主动发送短消息到设定号码,详细报告异常情况;若用户向TC35模块中的SIM卡发送短消息,也可达到查询参数和远程控制电机的目的。
键盘主要用于对各终端节点参数的设置、查询和电机电源通断的遥控;为了便于用户实时了解电机状态,采用了4线电阻式触摸LCD,可以实时显示各电机参数;报警模块主要是在电机参数出现异常时发出信号,提醒工作人员。
3
系统主要软件设计
3.1
S3C2440程序设计
微处理器S3C2440是监控中心电路的核心,负责控制作为数据中心的射频模块、GSM模块、触摸屏和报警模块,获得和显示各电机相关数据,同时接受远程控制。
系统上电后,S3C2440首先读取系统设置信息,之后向数据中心发出数据采集指令,等待各节点自组织网络组网成功后获取电机相关数据,在触摸屏上显示;数据异常时,发出报警信号,通过GSM模块发送异常信息到指定手机,并向数据异常的节点发出指令,控制交流接触器断开该电机电源,保护电机。
微处理器程序流程图如图5所示。
3.2
节点组网程序设计
由于SimpliciTI协议能直接在TI公司出品的CC系
列RF芯片SoC上直接运行,因此开发成本低、周期短。
在SimpliciTI协议下,数据中心等待终端节点的连接请求建立星型连接,多个终端节点加入时采取“先到先得”的原则
[7⁃8]
。
首先,数据中心验证申请加入的终端节点的
JoinToken值,若与其自身保存的值相同,则发出允许加
入应答帧;之后,采用相同的方式验证终端节点的Link
Token值,若仍然相同,则该终端节点加入网络成功,可
以进行信息交互。
程序流程图如图6
所示。
图5
微处理器程序流程图
图6节点自组织网络程序流程图
4结论
本文从便捷、安全管理电机的角度出发,设计了基于物联网技术的多电机监控系统,分析了系统的基本原理和软硬件开发流程,并进行了系统测试。
经测试,本系统能准确测量相关参数且通信可靠,能够有效监测电机工作状况,并可以进行远程控制。
同时,该系统具有安装方便、布线简单、成本低、可扩展性强等优点,具有较好的应用价值。
参
考
文
献
[1]贺安超,刘卫国,马珊.基于CAN总线的多电机嵌入式监控系
统设计[J].计算机测量与控制,2011,19（7:
1605⁃1607.[2]王斌,赵卉,朱金荣.基于SimpliciTI协议的智能窗系统的设计[J].电子设计工程,2013（10:
139⁃142.
[3]曾哲光.基于TICC1110无线传感网络节点的设计与电路优化[D].武汉:
华中师范大学,2012.[4]王伟钢,朱杰,施火泉.基于AVR的多功能电机保护器设计[J].
微特电机,2014,42（1:
31⁃33.
（下转第141页
图10
n=11时的运行结果
将z=1,x=1与n=11代入式（4,得出此时y2的累加结果如图11
所示。
图11n=11时的计算结果
此结果与上述程序运行结果相符,继续测试当n=12
时的运行结果。
点击
继续程序的运行,当第二
次运行完时,各参数运行结果如图12
所示。
图12n=12时的运行结果
将z=1,x=1与n=12代入式（4,此时y2的累加结果如图13
所示。
图13n=12时的计算结果
此结果与上述程序运行结果相符,可以表明该主程序的第二部分是正确的。
综合上述的分析,该程序的第一部分及第二部分对于每次累加后y1和y2的结果都是正确的,
所以,其编写是正确的。
因此,该样例成功运用单步调试法完成了本程序的测试,为后续大数量数据的运行提供了基础。
3结论
通过以上实例的分析,验证了单步调试法在程序测试中的重要作用。
通过此方法,程序员可以通过Matlab搭建系统模型,利用Matlab软件本身的计算优势,在程序编译过程中快速找到错误所在,提高编写程序的效率,还可以应用于复杂的算法测控中,具有很强的实用价值。
注:
本文通讯作者为田野。
参
考
文
献
[1]许波,刘征.Matlab工程数学应用[M].北京:
清华大学出版社,2000.
[2]王向东,戎海武,文翰.数学实验[M].北京:
高等教育出版社,2004.[3]薛定宇,陈阳泉.高等应用数学问题的Matlab求解[M].北京:
清华大学出版社,2004.[4]黄忠霖.控制系统Matlab计算机仿真[M].北京:
国防工业出版社,2004.[5]姜启源,邢文训,谢金星,等.大学数学实验[M].北京:
清华大学
出版社,2005.
[6]李建新,刘乃安,刘继.现代通信系统分析与仿真[M].西安:
西
安电子科技大学出版社,2001.
[7]刘志俭.Matlab应用接口用户指南[M].北京:
科学出版社,2000.
[8]刘春.伪码调相中断连续波雷达信号处理系统的设计与实现[D].南京:
南京理工大学,2010.
[9]朱宁,吴崇昊,李志坚,等.一种继电保护应用软件仿真验证系
统的设计[J].电力自动化设备,2012,32（6:
140⁃144.[10]毛用才,胡奇英.随机过程[M].西安:
西安电子科技大学出版
社,2006.
作者简介:
王若楠（1989—,女,山东德州人,研究生。
主要研究方向为高速移动无线信号处理。
田
野（1977—,男,辽宁沈阳人,博士,教授。
主要研究方向为卫星通信技术与信号处理、无线通信技术与信号处理。
马玉峰（1980—,女,山东莱芜人,硕士,讲师。
主要研究方向为卫星通信技术、无线通信技术。
[5]李治斌,邓小芳,张余明,等.基于ZigBee技术的智能调光开关
设计[J].传感器与微系统,2014,33（1:
60⁃63.
[6]朱延生,蒋泰,佘智.基于ARM的公交优先控制器的设计[J].广
西科学院学报,2012,28（1:
55⁃58.
[7]陈启明.基于PIC单片机的无线遥控移动靶控制系统[J].工业
仪表与自动化装置,2008（2:
42⁃44.
[8]MERENTITISA,KRANTISN,PASCHALISA,etal.Lowen⁃
ergyonlineself⁃testofembeddedprocessorsindependableWSNnodes[J].IEEETransactionsonDependableandSecureComputing,2012,9（1:
86⁃100.
作者简介:
丁
俊（1974—,男,江苏扬州人。
研究方向为电子技术。
王茂祥（1967—,男,江苏句容人,中国移动江苏公司研究员级高级工程师,博士,扬州大学兼职硕士生导师。
研究方向为光电技术。
李多贵（1967—,男,江苏扬州人。
研究方向为电子技术。
王
斌（1988—,男,江苏徐州人,硕士。
研究方向为嵌入式系统。
朱金荣（1968—,男,江苏靖江人,副教授。
研究方向为光电技术、自动控制。
（上接第138页
升级会员 