基于物联网技术的多电机监控系统的设计.docx

1、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

2、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

3、星型网络拓扑 包括数据中心 (Access Point , AP 、 中继 (Range Extender , RE 节点、 终端 (End Device , 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

4、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:TN9934文献标识码:A 文章编号:

5、1004373X (2015 15013603 Design of multi motor monitoring system based on Internet of Things technology DING Jun 1, WANG Maoxiang 1, 2, LI Duogui 3, WANG Bin 1, ZHU Jinrong 1(1. Yangzhou University , Yangzhou 225002, China ; 2. Jiangsu Limited Company of China Mobile Group , Nanjing 210029;3. Technol

6、ogy Transfer Center , Yangzhou Radio and Television Station , Yangzhou 225009, China Abstract :Since industry field is lack of effective monitoring to AC motor , multimotor monitoring system based on Internet of Things was designed to realize parameter acquisition and intelligent control for AC moto

7、r. In this system , the motors relevant parameters and its surrounding environment are measured by the sensor. By using wireless selforganized network technology , data are transmitted to control center , which takes S3C2440as control core. SimpliciTI protocol is applied to proceeding network com mu

8、nication , and remote data transmission is conducted by GSM module. The experimental results show that the system can mea sure relevant parameters accurately , discover motors blockedrotor , lack of phase and threephase imbalance problems in time. The motor is protected effectively.Keywords :Interne

9、t of Things ; selforganized network technology ; S3C2440; SimpliciTI protocol收稿日期:20150202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 (JHB201243理 后 通 过 RS 232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

10、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

11、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 HS0325ANP 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 U 14A 和稳压管 D 7可以有 效防止冲击电压损坏 CC1110芯片, 运算放大器 U 14B 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

12、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 U 6, U 7两级反向放大后, 由 out1端口输出, out2端口输出为 0; 当电流为负时, 运算放大器 U 8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

13、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 R

14、S 232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3.1S

15、3C2440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

16、 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78。首先, 数据中心验证申请加入的终端节点的Join Token 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 LinkToken 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

17、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 :16051607. 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(

18、10 :139142.3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 :3133.(下转第 141页 图 10n =11时的运行结果将 z =1, x =1与 n =11代入式 (4 , 得出此时 y 2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

19、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 y 2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 y 1和 y 2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 Matla

20、b 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

21、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 :140144. 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

22、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 :6063.6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 :5558.7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, 2

23、008(2 :4244.8MERENTITIS 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 :86100.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