基于NB-IoT的工業(yè)風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

王建祥，郝潤(rùn)科

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093)

0 引言

近年來，能源危機(jī)已經(jīng)成為了制約國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)突出狀況[1-3]。大部分工業(yè)風(fēng)機(jī)處于長(zhǎng)時(shí)間恒定功率工作狀態(tài)，電能浪費(fèi)較嚴(yán)重，并且由于風(fēng)機(jī)采用人工管理，對(duì)于風(fēng)機(jī)的異常情況無法第一時(shí)間進(jìn)行處理，從而存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀表明，通過一些控制器能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是基本還是沒有實(shí)施對(duì)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且對(duì)于一些突發(fā)狀況還是處于人工檢測(cè)階段，并且沒有完整的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析系統(tǒng)[4]。

為此，本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用于工業(yè)通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)機(jī)的參數(shù)，采用的控制器及其他硬件電路也降低了成本。并且風(fēng)機(jī)處于突發(fā)狀況時(shí)，控制器能夠第一時(shí)間控制風(fēng)機(jī)關(guān)閉，節(jié)約了時(shí)間和人力。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)功能總體框架

工業(yè)節(jié)能通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要通過STM32f103采集電機(jī)的電壓、電流、功率、風(fēng)量、風(fēng)壓以及風(fēng)機(jī)軸承溫度等參數(shù)，通過NB-IoT無線通信模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給阿里云服務(wù)器，對(duì)于異常情況能夠第一時(shí)間處理并控制相關(guān)設(shè)備執(zhí)行，從而達(dá)到提高風(fēng)機(jī)節(jié)能效率，排除安全隱患，解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控問題。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由上位機(jī)和下位機(jī)組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 硬件電路總體設(shè)計(jì)

工業(yè)節(jié)能通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路主要由以下幾部分組成：STM32最小系統(tǒng)單元電路、電源單元電路、電能數(shù)據(jù)采集單元電路、溫度數(shù)據(jù)采集單元電路、風(fēng)量風(fēng)壓數(shù)據(jù)采集單元電路及NB-IoT單元電路[5-6]。系統(tǒng)中電能數(shù)據(jù)采集單元電路通過SPI總線協(xié)議與STM32微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。NB-IoT單元電路連接到STM32最小系統(tǒng)電路的USART1,通過TX/RX將STM32接收到的數(shù)據(jù)傳送給后臺(tái)服務(wù)器。測(cè)速電路連接到STM32最小系統(tǒng)電路的GPIO上，通過檢測(cè)高低電平來測(cè)量風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。熱電偶傳感器通過SPI協(xié)議將熱電偶傳感單元采集到的數(shù)據(jù)傳送給STM32微處理器。整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

圖2 工業(yè)節(jié)能風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件框圖

1.2.1 電源單元電路設(shè)計(jì)

電源單元電路如圖3所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路時(shí)采用HLK-PM12電壓芯片將220 V電壓轉(zhuǎn)為12 V電壓，TPS54331電源芯片將12 V電壓轉(zhuǎn)為5 V電壓，AMS1117芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)為3.3 V[7]。插頭和電源芯片之間添加了2 A/8 V的保險(xiǎn)絲作為保護(hù)，并加入了發(fā)光二極管D2作為電源狀態(tài)指示燈。

圖3 電源單元電路

1.2.2 STM32最小系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)

圖4所示為STM32最小系統(tǒng)單元電路，由下載單元電路、接口單元電路、晶振單元電路和復(fù)位單元電路構(gòu)成。下載單元電路采用SWD下載[8]。由于電能采集等參數(shù)采集單元電路連接到STM32最小系統(tǒng)單元電路的SPI1或SPI2，NB-IoT單元電路連接到STM32最小系統(tǒng)單元電路的USART1。

圖4 STM32最小系統(tǒng)單元電路

1.2.3 電能芯片采集單元電路設(shè)計(jì)

電能芯片采集單元電路如圖5所示，電能芯片采用ATT7022系列芯片，ATT7022有A,B,C,D,E等系列。此次系統(tǒng)采用了V1P/V1N，V3P/V3N，V5P/V5N三路電流信道和V2P/V2N，V4P/V4N，V6P/V6N三路電壓信道[9-10]。通過電流互感器測(cè)得每相電流的值，通過電壓互感器進(jìn)行測(cè)得電壓。

圖5 電能芯片采集單元電路

1.2.4 NB-IoT單元電路設(shè)計(jì)

NB-IoT單元電路如圖6所示，采用BC95-B5芯片。此芯片采用LCC貼片封裝，方便嵌入到產(chǎn)品應(yīng)用中。BC95芯片通過RX/TX收發(fā)數(shù)據(jù)，通過USIM卡槽中的電信卡將收到的數(shù)據(jù)發(fā)到服務(wù)器上，并且從服務(wù)器上收到指令完成相應(yīng)的操作[10]。通信模塊主要包括以下幾部分：BC95主控芯片的模塊接口、電源供電模塊以及USIM卡電路模塊。

圖6 NB-IoT單元電路

1.2.5 溫度采集單元電路設(shè)計(jì)

溫度采集單元采用MAX6675熱電偶式溫度傳感器來采集風(fēng)機(jī)軸承的溫度數(shù)據(jù)。MAX6675是一個(gè)K類型的熱電偶模塊，熱電偶傳感器主要是轉(zhuǎn)換熱電偶電壓，通過串行數(shù)模轉(zhuǎn)換達(dá)到測(cè)量溫度的目的[11]。該熱電偶傳感器具有耐高溫及測(cè)量精度(可達(dá)1 300 ℃)高的特點(diǎn)，MAX6675溫度采集單元電路如圖7所示。

圖7 溫度采集單元電路

1.2.6 風(fēng)量風(fēng)壓參數(shù)采集單元電路設(shè)計(jì)

風(fēng)量風(fēng)壓參數(shù)采集單元電路采用紅外測(cè)速單元電路測(cè)量風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，然后根據(jù)風(fēng)量與橫截面積和轉(zhuǎn)速的關(guān)系求風(fēng)機(jī)的風(fēng)量參數(shù)，根據(jù)風(fēng)壓與空氣密度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速二次方的關(guān)系求風(fēng)壓參數(shù)。紅外測(cè)速模塊持續(xù)向風(fēng)機(jī)發(fā)射紅外光，當(dāng)風(fēng)機(jī)上的風(fēng)扇轉(zhuǎn)過一圈后，紅外接收管收到反射的紅外光，通過檢測(cè)高低電平，從而得到風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)量風(fēng)壓參數(shù)采集單元電路如圖8所示。

圖8 風(fēng)量風(fēng)壓參數(shù)采集單元電路

1.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 風(fēng)機(jī)監(jiān)控終端軟件流程圖

風(fēng)機(jī)監(jiān)控終端首先由微處理器STM32通過電能參數(shù)采集模塊對(duì)電能參數(shù)進(jìn)行采集，然后對(duì)采集到的電壓、電流及有功功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。隨后，微處理器STM32通過熱電偶傳感器模塊采集風(fēng)機(jī)軸承的溫度，通過風(fēng)量風(fēng)壓參數(shù)采集模塊采集風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓，并將采集到的數(shù)據(jù)保存。最后，BC95將測(cè)得的電壓、電流、有功功率、溫度、風(fēng)量及風(fēng)壓等參數(shù)打包以20 s為間隔發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控管理服務(wù)器，系統(tǒng)工作流程如圖9所示。

圖9 風(fēng)機(jī)監(jiān)控終端軟件流程圖

1.3.2 NB-IoT軟件工作流程

NB-IoT模組是一款功耗非常低的無線通信模塊，是專門為窄帶物聯(lián)網(wǎng)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。NB-IoT模組通過AT指令與服務(wù)器進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。AT指令以AT+命令回車，NB-IoT模組測(cè)試AT指令的流程是：① 上電，初始化USIM卡；② 查看是否連接網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)尋找網(wǎng)絡(luò)；③ 激活PDN，獲得IP地址，建立PDN連接；④ 進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，收發(fā)客戶數(shù)據(jù)；⑤ 一定時(shí)間沒有數(shù)據(jù)傳輸后，進(jìn)入PSM狀態(tài)；⑥ 再次等待客戶數(shù)據(jù)，進(jìn)入PDN連接。雖然AT指令傳輸數(shù)據(jù)的最終結(jié)果碼有2種格式：數(shù)字和字符串。而此次采用的是字符串，因?yàn)樽址耐ㄓ眯愿?，更普遍。?為此次運(yùn)用的部分AT指令及其注釋，圖10為NB-IoT軟件工作流程。

表1 部分AT指令

AT指令(字符串)說明AT_TESTAT指令測(cè)試AT_NCONFIG開啟自動(dòng)找網(wǎng)的配置AT_CEREG查詢是否注冊(cè)成功AT_NBAND查詢模塊是否設(shè)置頻段

圖10 NB-IoT軟件工作流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)物測(cè)試主要以STM32f103為核心，通過電能參數(shù)采集單元電路、熱電偶溫度采集單元電路以及風(fēng)量風(fēng)壓參數(shù)采集單元電路采集數(shù)據(jù)，由NB-IoT模組將數(shù)據(jù)打包給后臺(tái)服務(wù)器。此次實(shí)物測(cè)試由于設(shè)備的缺乏，無法對(duì)3項(xiàng)電進(jìn)行測(cè)試，只能對(duì)單相電進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電能、溫度、風(fēng)量和風(fēng)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

單相電壓/V單相電流/A功率/kwh溫度/℃風(fēng)量/cmh風(fēng)壓/kpa2180.190.0252855 200123.122190.190.0252857 600134.062190.200.0262857 600134.062190.200.0262957 120131.83

通過表2可知，實(shí)物能夠?qū)νL(fēng)機(jī)所需的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并利用NB-IoT模組將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了管理人員對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)對(duì)于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的異常情況，監(jiān)控終端會(huì)第一時(shí)間做出處理控制相關(guān)設(shè)備運(yùn)行，進(jìn)一步節(jié)約管理和時(shí)間成本，提高運(yùn)維效率。阿里云服務(wù)器管理平臺(tái)也能夠進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢，為企業(yè)用戶節(jié)能環(huán)保提供必要的數(shù)據(jù)資料。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于STM32與NB-IoT的工業(yè)節(jié)能通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)的電壓、電流、功率、風(fēng)量、風(fēng)壓以及風(fēng)機(jī)軸承溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況也能第一時(shí)間處理，很好地解決了工業(yè)風(fēng)機(jī)節(jié)能與安全問題。同時(shí)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與整理，為企業(yè)風(fēng)機(jī)的節(jié)能提供數(shù)據(jù)的可行性分析。