基于物聯網的紡紗機監控系統

韓文征 姚曉東 朱超巖 黃煊赫

摘 要：針對傳統紡紗設備需要工作人員現場監控的問題，文中結合物聯網技術，設計了一種可以利用計算機客戶端與手機終端遠程獲取紡紗機工作參數的遠程監控系統，并介紹了系統結構、功能與軟件設計。該系統可實現數據存儲與管理，移動客戶端具有實時查詢功能，對于節省人力，及時發現設備故障，提高紡紗設備自動化與信息化具有重要意義。

關鍵詞：物聯網;紡紗設備;手機終端;數據存儲;遠程監控系統;自動化

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

隨著科學技術的快速發展，物聯網技術已迅速深入到人們日常生活的多個領域[1]。文獻[2]將物聯網技術運用于礦山，提出一種礦井突水預警方法。文獻[3]將物聯網技術應用于農業，提出一種小麥苗情管理系統。文獻[4]將物聯網技術應用于醫學，設計一種血糖監控系統。紡織企業在線監控系統及紡織信息化是我國紡織工業“十一五”規劃的重要內容之一[5]，隨著紡織業的發展與對紡紗技術智能制造的要求，連續化與智能化是紡紗技術發展的趨勢。由于紡紗機分布廣泛、數量眾多，目前主要依靠人工在現場或監控室對紡紗機進行故障監控，而采用人工現場監控的方式費時費力，維護成本高，且事后排查故障存在較大滯后性，故給工作人員帶來不便，容易造成經濟損失。實時監控紡紗機的運行狀態與工況參數，能夠對其進行及時修正，避免不必要的損失。根據紡紗機的運行記錄，可提前預估紡紗機故障，存儲歷史運行數據與報警信息，便于故障分析，提高維修效率。因此，本文將物聯網技術與紡紗機相結合，提出一種紡紗機遠程監控系統，便于對紡紗機進行實時監控，及時發現故障，從而為紡紗機的可靠運行提供技術保證。

1 系統整體結構設計

本文系統主要由現場監控子系統、數據庫子系統與遠程監控子系統構成。現場監控子系統主要由傳感器、ARM STM32F107芯片及現場工控機組成。傳感器將采集到的紡紗機運行數據上傳至ARM STM32F107 芯片進行處理，處理后的數據最終通過CAN總線上傳至工控機，工控機可通過判斷紡紗設備數據實現對現場紡紗設備的控制。通信子系統是連接遠程監控子系統及現場監控子系統的橋梁，無線通信模塊可以實現遠程監控計算機與現場監控計算機的透明數據通信。遠程監控計算機既可通過運行組態王軟件顯示紡紗機運行狀況，又可通過其對紡紗機各參數設置上下限，還可將采集到的數據以報表的形式進行存儲、分析及匯總，便于管理者對數據進行歷史查閱。同時，系統運行過程中的非正常信號可通過手機短消息發送至相關設備維護人員，便于工作人員對設備故障進行及時處理。監控系統總體框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 采集節點設計

數據采集模塊主要以STM32F107為核心完成數據采集及控制功能。STM32F107型微處理器是一款采用ARM Cortex-M3核微處理器的性能較強的產品，能夠滿足高性能、低功耗的要求，被廣泛應用于工業生產。其內核工作頻率為72 MHz，內置256 KB閃存以及64 KB SRAM，其標準外設包括10個定時器、2個12位A/D、2個12位D/A、2個I2C接口、5個USART接口與3個SPI端口，本身集成了CAN 控制器，可提供高達1 Mbit/s的傳輸速率，完全滿足電路設計要求。采集節點硬件框圖如圖2所示。

2.2 CAN節點設計

CAN通信節點電路主要由STM32F107與CTM8251T構成。CTM8251T內部集成了CAN收發器及隔離器，在24 V系統中防止電池對地短路，對電磁干擾具有較強的抗干擾性。另外，其TVS管具有防總線過壓功能。STM32F107與CTM8251T接口簡單，接線方便。CAN通信節點電路圖如圖3所示。

2.3 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用ZWG-20AL，這是一款基于GPRS網絡的無線數據傳輸終端設備，能夠提供全透明數據通道，可方便地實現遠程、無線、網絡化的通信方式。該設備具有網絡覆蓋范圍廣、組網靈活快捷、運行成本低等優點，可應用于工業監控。其內嵌完備可靠的協議棧，數據全透明傳輸，用戶無需了解復雜的 TCP/IP，PPP等協議，通過該設備即可實現遠端監控計算機與現場的透明數據通信。

3 軟件設計

3.1 CAN節點初始化

CAN節點初始化主要包括模式寄存器設置、中斷方式設置、波特率初始化[6]，以及錯誤警告、發送優先級模式寄存器設置等。CAN節點初始化流程如圖4所示。

3.2 DTU模塊設置

DTU的主要功能是把遠端設備的數據通過無線方式傳送回后臺中心。DTU上電后注冊到移動的GPRS網絡，然后和設置在DTU中的數據中心建立Socket連接。以數據中心作為Socket服務端，DTU作為Socket連接的客戶端。建立連接后，前端設備就可通過DTU與數據中心進行無線數據傳輸。 DTU 組網通信過程如圖5所示。

3.3 遠程計算機界面設計

本文系統使用組態王軟件進行界面設計。組態王軟件可運行于Win7系統，開發周期短，工作量小，應用廣泛。

登錄界面如圖6所示。工作人員可通過輸入正確的用戶名與密碼進入監控系統，在用戶名或密碼輸入錯誤3次后，點擊“登錄”按鈕則系統提示“禁止登錄”。點擊“重置”按鈕可將輸入的用戶名及密碼全部刪除。“注銷”按鈕也可刪除用戶名及密碼，同時退出登錄界面。

紡紗機監控系統監控界面如圖7所示，包括紡紗機的運行狀態、閾值設置、根據實時數據生成的實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、報警記錄查詢、生成報表六個模塊。

（1）狀態監控主要對紡紗機運行狀態與運行參數進行監控;

（2）閾值設置對紡紗機正常工作范圍數值進行設定，當超出閾值時自動進行報警操作;

（3）實時趨勢曲線顯示紡紗機的工作速度與張力;

（4）歷史趨勢曲線顯示以往紡紗機的工作狀態;

（5）報警記錄查詢負責記錄實時報警信息及過去的報警信息，有利于對紡紗機進行故障排查;

（6）生成報表可對關鍵參數進行記錄與存儲，并可以打印以便觀看。

3.4 手機APP設計

智能手機已廣泛使用，具有WiFi與移動通信網絡等多種接入網方式，且用戶界面友好、易操作。本文系統利用智能手機客戶端軟件實現數據的監測顯示，采用Qt編寫手機客戶端界面[7]。用戶可通過智能手機APP使用電話號碼注冊用戶賬號，注冊成功并登錄后可通過手機界面對監控數據進行查詢。

4 結 語

針對紡紗機遠程監控的需要，本文研究了紡紗機聯網遠程監控系統的網絡架構，通過DTU模塊實現了數據遠程傳輸，利用組態王軟件對監控界面進行設計，使用手機APP突破了遠程監控的地點限制。實際應用表明，該系統具有成本低、易實現、運行可靠等特點，具有較大的實用價值。

參 考 文 獻

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[2]孟磊，丁恩杰，吳立新.基于礦山物聯網的礦井突水感知關鍵技術研究[J].煤炭學報，2013，38（8）：1397-1403.

[3]夏于，杜克明.基于物聯網的小麥苗情診斷管理系統設計與實現[J].農業工程報，2013，29（5）：117-124.

[4]史玉珍，馬麗.物聯網下的智能血糖監控系統的研究[J].計算機測量與控制，2012 ，20 （2）：89-91.

[5]張得昆，臧衍樂，張星.并條機網絡化監控系統的研制[J].棉紡織技術，2007，35（10）：1-4.

[6]張河新，王曉輝，黃曉東.基于STM32和CAN總線的智能數據采集節點設計[J].化工自動化及儀表，2012，39（1）：78-80.

[7]周云科，張恩迪.基于物聯網技術的礦井安全監控系統設計[J].傳感器與微系統，2014，33（5）：102-105.

[8]吳德平，王曉東.基于ZigBee和Web的機加工車間安全生產監控系統設計[J].物聯網技術，2016，6（11）：44-45，48.

[9]吳雅琴，魯張依嬋，張紅娜，等.智能手機視頻監控系統的設計與實現[J].物聯網技術，2018，8（2）：85-87.

[10]陳振.基于MCGS與.NET的紡紗車間信息監控系統的設計與開發[D].青島：青島大學，2017.