基于云的胚芽米機機芯工況遠程監測與診斷系統研究

北京工商大學材料與機械工程學院　沈彬華　鄭龍安　孔祥亮

基于云的胚芽米機機芯工況遠程監測與診斷系統研究

北京工商大學材料與機械工程學院沈彬華鄭龍安孔祥亮

本文主要提出了一種實現對自助式胚芽米機機芯工況遠程監測與診斷的新型研究系統。其采用云服務器平臺作為本系統的遠程端，只要在一個有網絡的地方，人們即可隨時隨地監測到機芯的運行狀況，而不是必須在一臺固定的電腦上實現監測。本研究系統以自助式胚芽米機機芯為研究對象，使用VC++編程語言在云服務器平臺上設計開發機芯遠程監測與診斷界面，并利用信號分析處理技術提取特征信號，采用智能診斷方法判斷機芯工況，以實現對自助式胚芽米機機芯的遠程監測與診斷。

胚芽米機；云服務器；遠程監測；信號分析與診斷

0　引言

隨著人們生活節奏的提高，現代人們越來越重視食物的營養，大米又是人們生活中必不可少的食物，而胚芽米又比普通大米的營養價值高得多，胚芽米就成為大多人的選擇。為便于人們購買新鮮的胚芽米，適應市場的需要，國內已研發出一種將稻谷現場加工為胚芽米的自助式室外實用新型胚芽米機。目前該胚芽米機已經具備供料、加工、自助購買、排料等全自動化功能。為了進一步提升該胚芽米機的性能，本研究提出了一種結合遠程監測診斷和互聯網云服務器技術，針對胚芽米機機芯這一核心部分進行的實時在線監測、診斷和報警系統，以提高胚芽米的加工質量，增強胚芽米機的穩定性和可靠性。隨著自助式胚芽米機的廣泛使用，越來越多的胚芽米機機芯工況信息會通過本文提出的研究系統來進行遠程監測與診斷，本研究系統的實現對于自助式胚芽米機的穩定運行與保證生產出的胚芽米質量有著重要意義和應用價值［1-3］。

1　遠程監測與診斷系統的歷史

基于Internet的遠程協作診斷研究工作最先是從醫學領域開始的。1988年開放式遠程醫療系統的概念在美國提出；1994年9月SYS Optics公司在美國國會山莊向克林頓總統演示了一個基于Internet的全國保健試驗示范系統；1995年1月美國俄克拉荷馬州的遠程醫療系統投入使用。設備故障診斷與人類的疾病診斷是相似的，從技術上說能實現遠程醫療診斷也就能實現遠程設備診斷。1997年1月，首屆基于Internet的遠程監控診斷工作會議由斯坦福大學和麻省理工學院聯合主辦。進入 21 世紀后，隨著 Internet 網絡技術突飛猛進的發展，遠程監測技術取得了很大的進展，該項技術逐步的擴大到整個重要的工業部門。國外將研究成果應用于航天、軍事、工業等核心領域。在國內狀態監測和故障診斷技術也在理論上取得了顯著的進步，而且運用在生產實踐上。國內先后有諸如像清華大學，西安交通大學，華中科技大學等都建立了自己的故障診斷中心，如西安交大研制的“大型旋轉機械計算機狀態監測系統及故障診斷系統RMMD”等［4］。

2　本研究系統的提出及其框架結構

本研究系統提出了一種在云服務器平臺上對自助式胚芽米機機芯的遠程監測界面的設計及其智能診斷。本系統以自助式胚芽米機機芯為研究對象，使用VC++編程語言在云服務器平臺上設計開發機芯遠程監測界面，并利用信號分析處理技術與人工智能算法對實驗測試數據進行處理以判斷機芯的工況，實現對自助式胚芽米機機芯的遠程監測與智能診斷。

2.1胚芽米機機芯

胚芽米碾米機是自助式胚芽米機的核心組成部分，其工作原理描述如下：糙米或者稻谷通過螺旋送料器進入到碾白室之后，由于碾米輥的轉速及碾米米刀的法向作用力，使得稻谷或者糙米產生了一定的速度，使得稻谷或者糙米與米刀產生碰撞，稻谷或糙米之間產生碰撞，稻谷或糙米與機芯之間產生碰撞，正由于這些強烈的碰撞使得稻谷或者糙米表面的米皮去除得到白凈的大米，與此同時，通過風機，迫使谷糠和大米透過機芯分離排出，達到米糠分離的目的。其碾米機芯部分結構簡圖與加工示意圖如圖1所示。

圖1　碾米機芯部分結構簡圖與加工示意圖

其結構中的機芯被谷糠或者碎米粒阻塞，將會影響到其加工出的胚芽米質量，故胚芽米機芯在使用一段時間后需要定期清理或更換，以保證加工出的胚芽米質量。本文通過在云服務器平臺上遠程監測機芯的運行狀態，對其運行過程中的狀態進行分析并診斷，根據診斷結果發出警告，提醒工作人員清理或更換機芯。

2.2 振動傳感器

振動（加速度）傳感器：考慮到機芯振動信號的敏感度和米機系統現場的惡劣環境，振動信號采集采用的傳感器我們決定選擇高性能的加速度傳感器，其測量精度高，電流范圍4—24mA。

2.3通訊模塊（DTU）

自助式胚芽米機機芯的通訊設備選擇的是北科驛唐公司的MD-309G GPRS DTU。其工作原理為：在MD-309G中設置數據中心的IP（或域名）和端口后，MD-309G利用GPRS無線網絡撥號連上Internet，隨后發起對所配的IP和端口（即mServer的監聽端口）的連接，另外，用戶軟件系統通過虛擬串口等接口連接到mServer，進而實現了從用戶設備到用戶軟件系統之間的無線、雙向數據通信。其工作原理如圖2所示。

圖2　驛唐MD-309G GPRS DTU工作原理

2.4云服務器

本研究系統中，在完成對胚芽米機機芯歷史信息的分析處理后，需要對遠程的胚芽米機機芯的工況信息進行實時采集，并與分析處理的結果進行比對，以分析機芯的阻塞程度并報警。而要對機芯的工況信息進行實時采集，我們需要一臺永久在線并聯網的服務器，阿里云的ECS（彈性計算云）很好的滿足了我們的需求。通過它我們能夠保證機芯的信息能夠無丟失的發送到遠程監測界面中，而且ECS服務器不需要我們去維護，我們能夠在云服務器控制端簡單、快速、方便的實現云服務器的升級或者操作系統的變更［5-7］。

2.5遠程監測

本研究的遠程監測界面部分的設計開發需通過VC++編寫程序，利用MFC設計面向對象的遠程監測界面。利用北科驛唐公司的GPRS DTU通過串口或網口實現與PC的連接，而PC又可通過采集卡獲取來自自助式胚芽米機系統機芯的傳感器信息，進而GPRS DTU可獲取自助式胚芽米機機芯的信息數據，然后通過在云服務器平臺上搭建mserver服務器軟件來實現GPRS DTU傳送來的數據的接收，并通過映射虛擬串口或端口號將接收到的數據傳送給所建立的遠程監測界面并加以處理，以實現對機芯的遠程監測，并將所設計的遠程監測界面與數據庫實現連接，從而將接收到的數據存儲到數據庫中，以方便后期查看。流程圖如圖3所示。

圖3　遠程監測流程圖

界面主要實現的功能：（1）實時從GPRS DTU獲得振動傳感器的信息；（2）對獲得的振動傳感器信息的存儲；（3）機芯需要清理或者更換時發出報警信號。

2.6信號分析與診斷

通過做大量實驗，在遠程監測界面上獲取機芯在不同堵塞程度下的大量傳感器信息，對其進行信號分析與處理，通過智能診斷技術將新獲得的傳感器信息與分析處理的結果進行比對，進而來判斷在獲得此種傳感器信息情況下的機芯的堵塞狀況，以實現對機芯工況的診斷。

信號分析方法與診斷技術的選擇：

（1）在信號分析方法上，使用傅立葉分析等傳統信號分析方法對信號進行濾波消噪及信號的模式特征分析具有很大的局限性，而且對于非平穩噪聲信號無能為力，出錯率高，效果不理想。而應用小波變換的時頻特性對信號進行濾波消噪及對信號的模式特征的判斷及提取，不但能較好的濾除非平穩信號中的噪聲部分，還能夠準確的分析有用信號的發展趨勢，抑制信號中的某一頻段等，從而能及時、有效的對系統的工作狀態進行判斷，克服了傅立葉分析在這一領域應用中的不足。

（2）在診斷技術上，傳統診斷技術一般要求技術人員具備豐富的診斷維護經驗，對信號處理技術等各種分析技術要有充分的理解和操作能力，而事實上這類高技術人員較缺乏，并不具備以上技術經驗，這樣往往會導致在診斷中出錯，造成不必要的損失。如借助專家系統的優勢，依靠專家系統的大量專業診斷知識，充份利用診斷資源，對于提高診斷水平有很大優勢，而且借助于簡單易行的專家系統人機界面，操作人員不須具備很高的技術經驗就可實現輕松診斷［8-11］。

3　總結

針對以上情況分析，本研究系統可結合胚芽米機機芯遠程監測與診斷科研課題，作大量細致、深入的研究，借助于云計算技術、小波分析技術、專家系統故障診斷技術等提出一套切實可行的技術方案，研究開發一套基于云服務器的遠程監測和診斷系統，實現對自助式胚芽米機機芯的遠程監測與診斷。該系統基于DTU和云服務器遠程在線實時獲取米機機芯的工況信息，并利用智能診斷技術實現對米機機芯工況的診斷。

［1］周顯青.我國大米加工現狀及展望［J］.糧油食品科技，2012，1.

［2］何毅.我國大米加工業行業發展現狀及展望［J］.糧食與食品工業，2009，6.

［3］白滿英.胚芽米及其加工工藝［J］.糧食加工，1985，1.

［4］曾鋒.遠程設備故障診斷技術研究［D］.鄭州大學，2002.

［5］葛二靈.基于云計算的設備遠程故障診斷中心的設計與實現［D］.南京理工大學，2014.

［6］董曉霞.呂廷杰.云計算研究綜述及未來發展［J］.北京郵電大學學報（社會科學版），2010（5）.

［7］韋小鳳.云存儲技術優勢及其發展趨勢的探討［J］.科學時代，2013（3）.

［8］李克.設備遠程監測與故障診斷系統的研究與實現［D］.武漢理工大學，2005.

［9］王靖.列車輪對故障振動特性及診斷關鍵技術研究［D］.中南大學，2012.

［10］韓冬振.遠程診斷中心的設計與實現［D］.鄭州大學，2010.

［11］李建華.設備狀態監測與故障診斷技術綜述［J］.廣東化工，2009，12：168-169+175.

Research of the remote monitoring and diagnosis system based on the cloud computing for the movement condition of the Germ-Remained Rice Whitener

SHEN Binhua ，ZHENG Longan，KONG Xiangliang
（School of Material and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

This paper presents a new research system to achieve Germ-Remained Rice Whitener movement condition remote monitoring and diagnostics.Choosing the Cloud Computing as the end of the system，as long as there is a network that people can monitor the health of the movement condition anywhere，rather than having to implement monitoring on a stationary computer.In this study，the research object is the Germ-Remained Rice Whitener，using VC ++ programming language design the remote monitoring and diagnostic interface on the Cloud Computing，and using signal analysis techniques to extract characteristic signal，using intelligent diagnosis method to determine the working conditions to achieve the remote monitoring and diagnose.

Germ-Remained Rice Whitener；Cloud Computing；Remote Monitoring；Signal Analysis and Diagnoses

沈彬華（1991—），女，碩士研究生，主要從事測試信號分析方面的研究。

注：2016年研究生科研能力提升計劃項目資助。