基于4G技術(shù)的工業(yè)設(shè)備遠程感知監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計

楊 旭

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學院 信息工程學院，安徽 蚌埠 233000)

傳統(tǒng)工業(yè)中，自動化生產(chǎn)設(shè)備的管理和運營主要靠人工經(jīng)驗來判斷和維護，該模式消耗了大量的人力和物力，直接導致工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的成本居高不下，降低了工業(yè)產(chǎn)品的社會競爭力.隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備運行狀態(tài)的智能感知和智能管理成為智能制造的新趨勢[1].

基于ZigBee協(xié)調(diào)器和4G無線模塊SIM900A的工業(yè)設(shè)備遠程感知與監(jiān)控系統(tǒng)采用了核心控制單片機、零磁通式電流傳感器和無線通信模塊，實現(xiàn)了工業(yè)設(shè)備的狀態(tài)信息遠程采集與感知，大大降低了人力成本和工業(yè)生產(chǎn)成本，提高了工業(yè)設(shè)備的智能化管理水平和管理效率[2].

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

工業(yè)設(shè)備遠程感知與監(jiān)控系統(tǒng)主要通過隨機采集工業(yè)設(shè)備電源電流工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的異常檢測[3].

該系統(tǒng)主要包括了：①零磁通式電流傳感器.實現(xiàn)對電源線中隨機電流的數(shù)據(jù)采集，傳感器類型主要分為輸出4～20 mA或0～5 V兩種類型；②信號預(yù)處理.傳感采集的模擬數(shù)據(jù)通過預(yù)處理轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號；③STM32F103R6T6核心芯片.數(shù)據(jù)存儲與電信號A/D狀態(tài)轉(zhuǎn)換核心功能，并同時實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備工作狀態(tài)的電子屏實時顯示;④5G通訊模塊.工業(yè)設(shè)備用戶可以通過客戶端軟件界面，利用無線通訊技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的遠程操作命令下發(fā).

該模塊打通了工業(yè)設(shè)備與客戶端之間的實時交流數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)了工業(yè)設(shè)備遠程感知與監(jiān)控系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)傳輸.工業(yè)設(shè)備遠程感知與監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 工業(yè)設(shè)備遠程感知與監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 主控芯片模塊

STM32F103R6T6主控芯片通過雙信息通道完成對數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊上傳的隨機電流信號，通過ADC接口實現(xiàn)模擬信號的采集與數(shù)模轉(zhuǎn)換.引腳VDD可以與5G通訊模塊的數(shù)據(jù)傳輸接口進行互聯(lián)，并實現(xiàn)遠程客戶端下發(fā)的操作命令解析與信息交互.VSS接口主要實現(xiàn)了多屏幕液晶LCD的界面顯示，將工業(yè)設(shè)備運行狀態(tài)在監(jiān)控中心實時顯示.同時，STM32F103R6T6芯片高度集成了Flash運算功能，可以實現(xiàn)設(shè)備控制主程序和工業(yè)設(shè)備監(jiān)測狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲[4].STM32F103R6T6芯片硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 STM32F103R6T6芯片硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 零磁通式電流傳感器技術(shù)

一般情況下，傳感器的電流轉(zhuǎn)換電路被集成在傳感器內(nèi)部，直接用于采集直流或者交流電數(shù)據(jù)[5].零磁通式電流傳感器使用了閉合結(jié)構(gòu)的磁條芯片，零磁通式傳感器件設(shè)計在磁片正中心.當隨機電流經(jīng)過張合磁片后，直流或交流電的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)被傳感器感知采集.零磁通式電流傳感器的主要功能就是實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備工作時隨機電流異常數(shù)據(jù)的采集.零磁通式電流傳感器技術(shù)連接方法如圖3所示.

圖3 零磁通式電流傳感器技術(shù)連接方式

2.3 信號預(yù)處理電路設(shè)計

為了盡量實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的準確度，信號預(yù)設(shè)處理系統(tǒng)選用了lm358雙功能放大芯片作為電流放大器.另一電路是電壓工作放大器，雙工作放大器前級電路可實現(xiàn)4～20 mA或0～5 V信號輸入的兼容性.在這個系統(tǒng)中，M-I、M-V分別為零磁通式電流傳感器信號輸出的正極和電壓輸出[6]，G為傳感器信號輸出的負極，AD0、AD1為放大器工作后電流信號和電壓信號的監(jiān)測點.信號預(yù)處理電路的設(shè)計如圖4所示.

圖4 信號預(yù)處理電路設(shè)計圖

2.4 4G無線通訊模塊

本系統(tǒng)采用4G模塊的網(wǎng)絡(luò)透傳模式完成客戶端遠程配置指令的接收與應(yīng)答數(shù)據(jù)上傳,實現(xiàn)感知前端與遠程客戶端之間的端到端無線通信[7].ZigBee協(xié)調(diào)器和4G模塊SIM900A結(jié)合成網(wǎng)關(guān)一起工作，SIM900A 硬件圖和遠程發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖5所示.

圖5 SIM900A 硬件圖和遠程發(fā)送數(shù)據(jù)流程

3 主控軟件程序設(shè)計

主控程序設(shè)計包括主函數(shù)、定時器轉(zhuǎn)換、串口收發(fā)器、LCD屏顯、閃存寫入、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換和指令分析等.以高污染工業(yè)空氣凈化設(shè)備濾芯的使用壽命監(jiān)測為例[8]，系統(tǒng)通電后執(zhí)行初始化和全局中斷功能，以確定閃存是否第一次運行.如果執(zhí)行第一次操作，默認設(shè)置將寫入系統(tǒng)配置功能；否則將讀取上次使用時存儲的閃存設(shè)置.當系統(tǒng)檢測到過濾器組件處于工作狀態(tài)時，系統(tǒng)將進入倒計時模式，實時過濾器數(shù)據(jù)的壽命將存儲預(yù)設(shè)過濾器的初始壽命.遠程客戶端發(fā)送指令和接收到指令后，系統(tǒng)識別分析指令并實時顯示在顯示屏上[8].如果讀取閃存剩余時間，則下載閃存數(shù)據(jù).如果更換閃存后設(shè)置了指令剩余工作時間，則刪除存儲閃存.微控制器讀取新數(shù)據(jù)后，顯示屏在LCD上顯示兩通道濾芯設(shè)備的工作狀態(tài)和剩余可用時間.軟件流程主結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示.

圖6 軟件流程主結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 A/D采集轉(zhuǎn)換程序設(shè)計

零磁通式電流傳感器輸出的模擬信號由于電壓范圍的原因，設(shè)計了兩路輸出模擬信號.該信號經(jīng)過電流預(yù)處理模塊的轉(zhuǎn)換后，仍然為兩路互不干擾的電壓信號.STM32F103R6T6主芯片提供了8路電流輸入與輸出通道，在A/D采集轉(zhuǎn)換中使用了多通道并行模式，傳感器的雙路電流信號系統(tǒng)完全滿足數(shù)據(jù)傳輸與采集要求.數(shù)據(jù)采集之后A/D轉(zhuǎn)換程序為：

ADC12CTL0=ADC12ON+SHT0 _ 15+MSC ;

ADC12CTL1=SHP+CONSEQ _ 1 ;

ADC12MCTL0|=INCH _ 0 ;

ADC12MCTL1|=INCH _ 1+EOS ;

零磁通式電流傳感器的雙路數(shù)模轉(zhuǎn)換電流數(shù)

據(jù)與系統(tǒng)正常電流設(shè)置閾值對比，可準確判斷工業(yè)設(shè)備運行狀態(tài)異常與否.判斷對比程序如下：

value0=ADC12MEM0 ;

if ( value0>ADValue )

RunInfo.Dev1 _ State=DEV1 _ ON ;

else

RunInfo.Dev1 _ State=DEV1 _ OFF

3.2 串口接收程序設(shè)計

為了實現(xiàn)系統(tǒng)遠程感知和監(jiān)管功能，4G數(shù)據(jù)透傳與STM32F103R6T6主芯片串口數(shù)據(jù)接收與發(fā)送程序指令的下發(fā)與應(yīng)答是保障無線傳輸功能的關(guān)鍵.在指定波特率條件下，利用STM32F103R6T6定時器設(shè)計了數(shù)據(jù)幀接收時長和時隙的接收判定機制,串口通信數(shù)據(jù)接收判定機制如圖7所示.

圖7 串口通信數(shù)據(jù)接收判定機制

串口通信的初始化函數(shù)實現(xiàn)了時鐘初始化、計時模式初始化和中斷響應(yīng)初始化的設(shè)置，其中電流閾值為CCR0=200 Ah.當傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理之后進入單片機主芯片，系統(tǒng)啟動數(shù)據(jù)接收機制并同時啟動計時器.當電流CCR0增至設(shè)定值時，定時器啟動中斷響應(yīng)并置0.讓RecOK=1時，表明傳感器采集預(yù)處理數(shù)據(jù)接收完畢，定時器關(guān)閉并重置CCR0為初始值.串口通訊定時器機制程序如下：

RecOK=1 ;

TACTL&= ( MC0+MC1 );

CCR0=200

4 客戶端軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)傳感器采集工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)的參數(shù)配置和設(shè)備運行狀態(tài)的可視化，設(shè)計了基于零磁通式電流傳感器的工業(yè)設(shè)備遠程感知與監(jiān)控系統(tǒng)的客戶端軟件.該軟件的功能涵蓋了交互UI界面、服務(wù)器與前端的連接狀態(tài)、傳感器采集參數(shù)的設(shè)置、跨網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱笪慕馕鰠f(xié)議.客戶端軟件交互流程、服務(wù)器IP設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置如圖8所示.

圖8 客戶端軟件設(shè)計流程和后臺服務(wù)器設(shè)置

客戶端通過UI可以實現(xiàn)采集預(yù)處理工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)查看，對傳感器采集端進行參數(shù)配置和操作指令的下發(fā)與收集.客戶端軟件UI界面如圖9所示.

圖9 客戶端軟件UI界面

5 結(jié)語

工業(yè)設(shè)備遠程感知與監(jiān)控系統(tǒng)通過零磁通式電流傳感器實現(xiàn)了對電源線中隨機電流的數(shù)據(jù)采集，信號預(yù)處理模塊實現(xiàn)了傳感采集的模擬數(shù)據(jù)通過預(yù)處理轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號的過程，STM32F103R6T6數(shù)據(jù)存儲與電信號A/D狀態(tài)轉(zhuǎn)換核心功能.利用無線通訊技術(shù)，4G通訊模塊實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備遠程操作命令的下發(fā)，打通了工業(yè)設(shè)備與客戶端之間的實時交流數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)了工業(yè)設(shè)備遠程感知與監(jiān)控系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)傳輸.