基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電泵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁勁鋒，劉 成，穆紹帥

（1.無(wú)錫太湖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，無(wú)錫 214000；2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

用于核電站、航天火箭發(fā)射前燃料加注等地方的屏蔽泵由于其工作環(huán)境特殊，取消了泵軸動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的泵，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部件、泵殼和電機(jī)的外殼用法蘭密封連接，對(duì)屏蔽泵的安全監(jiān)控是必須要做的工作。因此，對(duì)于電泵設(shè)備數(shù)量較多、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)的情況下，需要設(shè)計(jì)一個(gè)好的電泵監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)電泵的監(jiān)測(cè)管理提供方便?，F(xiàn)文章所提內(nèi)容已經(jīng)設(shè)計(jì)完成。

1 網(wǎng)絡(luò)選擇

NB-IoT指窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是新興的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)[1]。相比于 ZigBee、WiFi、藍(lán)牙、Z-wave 等只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的短距離傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)，其具有以下特點(diǎn)[2]：

低功耗NB-IoT采用PSM和eDRX技術(shù)，睡眠模式狀態(tài)下，終端仍舊注冊(cè)在網(wǎng)但信令不可達(dá)，以達(dá)到省電的目的。

大容量NB-IoT的接入能力是現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)的50～100倍，一個(gè)扇區(qū)可接入10萬(wàn)個(gè)設(shè)備，負(fù)載能力強(qiáng)。

覆蓋廣NB-IoT相對(duì)于GSM通信提高20 dB增益，相當(dāng)于覆蓋量增加100倍。具有更高的穿透能力，可覆蓋到傳統(tǒng)通訊傳輸不能到達(dá)的偏遠(yuǎn)和人跡罕至的區(qū)域。降低了監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的信息采集點(diǎn)部署要求。

低成本NB-IoT可利用現(xiàn)有的GSM頻段，部署于GSM、LTE基站上，無(wú)需重新建網(wǎng)。

2016年新型的NB-IoT被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP最終確定為物聯(lián)網(wǎng)空中接口方案。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)[3]，在2020年，接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的比例將達(dá)到64%。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，遵循物聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)，由電泵終端、傳輸層、平臺(tái)層、移動(dòng)終端組成，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of the monitoring system

第一層為電泵終端層。電泵的運(yùn)行數(shù)據(jù)由多種傳感器采集完成。之后采用RS485協(xié)議將采集的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給微控制器，嵌入式網(wǎng)關(guān)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)電泵某些運(yùn)行數(shù)據(jù)超過(guò)安全閾值，則控制智能閥門進(jìn)行制動(dòng)處理[4]。

第二層為傳輸層。嵌入式網(wǎng)關(guān)通過(guò)NB-IoT模塊將電泵的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息發(fā)送到電信NB-IoT基站，NB-IoT基站將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程IoT網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器平臺(tái)。

第三層為平臺(tái)層。后臺(tái)服務(wù)器通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)接收采集的數(shù)據(jù)，服務(wù)器是IoT數(shù)據(jù)的最終匯聚點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，是該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能控制核心。

第四層為移動(dòng)終端層?？纱罱ūO(jiān)控平臺(tái)，訪問(wèn)后臺(tái)服務(wù)器從電泵終端獲取的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)過(guò)對(duì)信息資源進(jìn)行整合與共享后以Web顯示或手機(jī)APP，提高了信息可視化與可操作性。

2.1 電泵終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電泵系統(tǒng)終端的設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示，控制器網(wǎng)關(guān)采用嵌入式ARM Cortex-M3 STM32F103C8T6芯片，利用主控板、總線設(shè)備、板載電流型傳感器、無(wú)線通信、SIM卡等模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、采集、控制和數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)Fig.2 Terminal system design achitectu

電源模塊為主控制板和NB-IoT通信模塊等部件提供穩(wěn)定的工作電壓，數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集，RS485通訊完成不同控制板之間數(shù)據(jù)傳輸。GPIO模塊是通用I/0模塊，是微控制器與外圍設(shè)備進(jìn)行信息交換的接口。無(wú)線通訊模塊完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

2.1.1 終端數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊用來(lái)將傳感器采集到的溫度、電壓、電流、壓力信息通過(guò)RS485傳輸?shù)街骺刂瓢迳系腗CU，MCU微處理器借助程序設(shè)計(jì)[5]，將嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)處理，上傳給服務(wù)器并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)采集的電壓或溫度等信息超過(guò)預(yù)置閾值時(shí)，單片機(jī)控制報(bào)警顯示燈亮，并同時(shí)控制電泵制動(dòng)，數(shù)據(jù)采集板電路原理圖如圖3所示。

2.1.2 電源管理及穩(wěn)壓電路模塊

圖3 數(shù)據(jù)采集板原理圖Fig.3 Schematic diagram of the data acquisition board

電源電路的穩(wěn)定是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。圖4所示電路中的AMS1117-3.3是一種輸出電壓為3.3 V的正向低壓降穩(wěn)壓器，適用于小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口終端的電源管理[6]，在本設(shè)計(jì)中為主控制板的MCU及其復(fù)位電路等供電。圖中C3、C4是輸出濾波電路，用來(lái)抑制自激振蕩，C1、C2是出入濾波電路，用來(lái)穩(wěn)定輸入電壓，一般設(shè)置輸入端電容大于輸出端，可避免斷電電壓倒置。

圖4 主電源電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of the main power supply circuit

圖5所示電路中的MIC29302BU芯片組成的穩(wěn)壓電路主要為M5310模塊供電。MIC29302集成芯片輸入電壓的最大值可以是26 V，輸出端可控制電壓在1.25 V～25 V范圍內(nèi)，輸出端最大電流3 A。本設(shè)計(jì)中輸入端采用5 V供電，電容C18、C19用來(lái)保證斷電穩(wěn)壓，電阻R16、R17用來(lái)配置輸出電壓，輸出端接一個(gè)穩(wěn)壓二極管來(lái)保護(hù)電路。

圖5 NB-IoT模塊電路原理Fig.5 NB-IoT module circuit principle

2.1.3 NB-IoT廣域物聯(lián)模塊

本設(shè)計(jì)中NB-IoT模塊選用的是中國(guó)移動(dòng)的M5310模組[7-8]，采用華為海思Hi2110平臺(tái)。內(nèi)嵌eSIM技術(shù)，支持OneNET協(xié)議。工作頻段為band8。電壓輸入3.1 V～4.2 V。有開關(guān)機(jī)接口、UART接口、USIM接口、ADC接口。支持IPv4、CoAP和UDP等工作協(xié)議，在睡眠模式下具有超低功耗。單片機(jī)可通過(guò)串口使用AT-Command調(diào)試。在PSM工作模式下功耗僅為3.5 μA。

M5310模塊的功能是從微處理器獲取采集到的電泵運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)后將其傳輸?shù)竭\(yùn)營(yíng)商基站，通過(guò)基站進(jìn)入運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)，數(shù)據(jù)通過(guò)核心網(wǎng)傳輸?shù)桨⒗镌品?wù)器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸，用戶可以通過(guò)PC電腦和移動(dòng)手機(jī)訪問(wèn)服務(wù)器數(shù)據(jù)。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊電路圖如圖6所示。

圖6 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊原理圖Fig.6 Schematic diagram of the NB-IoT Internet of things communication module

為保證模組的USIM接口不會(huì)被ESD損壞，圖中物聯(lián)網(wǎng)卡卡槽的DATA，VDD，RST，CLK引腳通過(guò)TVS二極管陣列與卡槽連接。同時(shí)，模塊和物聯(lián)網(wǎng)卡卡槽之間串聯(lián)22電阻，抑制EMI雜散傳輸并增強(qiáng)ESD保護(hù)。

2.2 通信機(jī)制

無(wú)線通訊模塊NB-IoT使用之前首先需要購(gòu)買運(yùn)營(yíng)商的SIM卡來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，需要運(yùn)營(yíng)商提供IMEI號(hào)碼、Key、鑒權(quán)算法、網(wǎng)絡(luò)選擇等[9-10]。本設(shè)計(jì)使用中國(guó)移動(dòng)SIM卡。對(duì)于M5310模組，初始化流程由模組自動(dòng)完成，使用中，只需要使用AT指令對(duì)初始化流程進(jìn)行分步驟檢查即可，其主要功能如表1所示。首次使用需要設(shè)置設(shè)備ID和IoT平臺(tái)，其次終端入網(wǎng)，然后發(fā)送數(shù)據(jù)到IoT平臺(tái)。通過(guò)AT指令配置后NB-IoT模塊完成了與IoT平臺(tái)的對(duì)接。基本參數(shù)設(shè)置指令如表1所示。

表1 基本參數(shù)設(shè)置指令Tab.1 Basic parameter setting instructions

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括平臺(tái)搭建、數(shù)據(jù)庫(kù)和云服務(wù)器、移動(dòng)端軟件開發(fā)3個(gè)部分。

3.1 平臺(tái)搭建

3.1.1 數(shù)據(jù)庫(kù)與云服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)保存嵌入式網(wǎng)關(guān)通過(guò)COAP協(xié)議上傳的所有數(shù)據(jù)，包括設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、參數(shù)異常告警、注冊(cè)賬號(hào)信息等。本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL開發(fā)，完成大量設(shè)備的管理，通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將有效數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地從阿里云服務(wù)器下傳給監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)控平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行多維融合，以供在監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中的移動(dòng)端查看多維數(shù)據(jù)變化情況圖。

3.1.2 移動(dòng)端軟件開發(fā)

使用Java語(yǔ)言編寫Web service，結(jié)合高德地圖為監(jiān)控人員提供界面友好、方便、高效的使用指引。Web界面如圖7所示，分三部分：第一部分為左側(cè)的導(dǎo)航頁(yè)面；第二部分為上層的菜單欄；第三部分為中間的敞口。

圖7 檢測(cè)系統(tǒng)Web界面Fig.7 Detection system Web bound

使用Java語(yǔ)言開發(fā)手機(jī)APP，由三部分組成：第一部分為頂部的標(biāo)題欄，顯示當(dāng)前菜單的名稱；第二部分為中間的窗體；第三部分為底部的菜單欄，有“首頁(yè)”菜單，“電泵管理”菜單，“我的”菜單。APP用戶界面如圖8所示。

圖8 檢測(cè)系統(tǒng)APP界面Fig.8 Detection system APP interfac

主要功能如圖9所示，包括：①使用用戶管理；②添加、注冊(cè)、刪除電泵；③對(duì)采集數(shù)據(jù)的查看，顯示電流、電壓、溫度、壓力等多維參數(shù)圖表；④接入高德地圖，直觀反映所有在役電泵的分布狀況；⑤出現(xiàn)故障時(shí)設(shè)置故障點(diǎn)閃爍，可遠(yuǎn)程查看報(bào)警電泵的具體編號(hào)、報(bào)警時(shí)間、報(bào)警的位置。

4 結(jié)語(yǔ)

基于NB-IoT技術(shù)的監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的構(gòu)建充分發(fā)揮了NB-IoT在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，即使在在信號(hào)弱的工廠中也能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)現(xiàn)了工業(yè)制造中的監(jiān)控環(huán)節(jié)向著智能化方向演進(jìn)，是將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、嵌入式等技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的整合，符合萬(wàn)物互聯(lián)的發(fā)展大勢(shì)。本文介紹了基于NB-IoT無(wú)線通信技術(shù)的電泵監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，詳細(xì)分析了NB-IoT的終端硬件設(shè)計(jì)過(guò)程和移動(dòng)端設(shè)計(jì)方法，為NB-IoT技術(shù)在智能監(jiān)控上提供支持和參考價(jià)值。

圖9 電泵監(jiān)測(cè)管理軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.9 Functional structure diagram of electric pump monitoring and management software system