以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)智能化物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計(jì)研究

陳文波，鄭麗歐

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院宣鋼分院，河北張家口 075000）

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快的影響下，各個(gè)領(lǐng)域都積極引進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以優(yōu)化各多元化系統(tǒng)，工業(yè)領(lǐng)域也不例外。而由于工業(yè)鍋爐的自動(dòng)化控制水平相對(duì)較低，難以就自身實(shí)際需求對(duì)燃燒與運(yùn)行狀況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以此促使其滿足實(shí)際工況。對(duì)此，監(jiān)測(cè)診斷與自動(dòng)控制需要全面依賴于工業(yè)鍋爐軟件與硬件設(shè)計(jì)，這是現(xiàn)階段節(jié)能減排的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。就既有監(jiān)督管理手段而言，因?yàn)楣I(yè)鍋爐的容量較小，數(shù)量較大，布點(diǎn)分散，無(wú)法實(shí)現(xiàn)集中化監(jiān)督管理，在既定區(qū)域范圍內(nèi)工業(yè)鍋爐的基本信息與動(dòng)態(tài)監(jiān)管等數(shù)據(jù)信息獲取難度比較大，這就直接加大了全面監(jiān)測(cè)工作的難度[1]。基于嵌入式技術(shù)的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)智能化物聯(lián)網(wǎng)終端能夠有效緩解這些問(wèn)題，主要方式是進(jìn)行傳感器適當(dāng)安裝，或者采用既有傳感器，進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和編碼，并及時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理平臺(tái)，以此分析基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工業(yè)鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀況[2]。

1 工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 功 能

其一，工業(yè)鍋爐的實(shí)時(shí)運(yùn)行功能，全面顯示并集中管理相關(guān)數(shù)據(jù)，并全面加強(qiáng)監(jiān)督管理力度。其二，數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線功能，據(jù)此能夠全方位掌握鍋爐運(yùn)行趨勢(shì)與動(dòng)態(tài)變化，以及實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)之間的任何轉(zhuǎn)換，有助于對(duì)數(shù)據(jù)變化規(guī)律進(jìn)行全程追蹤分析，以此找到問(wèn)題根源。其三，報(bào)警提醒與查詢功能，報(bào)警信息的獲取有利于進(jìn)行聲光報(bào)警，并根據(jù)相關(guān)規(guī)定與用戶自定義，設(shè)定報(bào)警的具體限定值，從而確保報(bào)警的安全性與可靠性。其四，多功能報(bào)表查詢和打印功能，提供多種形式報(bào)表，查詢并導(dǎo)出具體運(yùn)行狀態(tài)信息，從而為集中化數(shù)據(jù)管理提供幫助。其五，攝像監(jiān)控功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控并展示區(qū)域內(nèi)的工業(yè)鍋爐運(yùn)行狀況，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐房現(xiàn)場(chǎng)的全方位監(jiān)控[3]。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

首先，利用工業(yè)級(jí)別微處理器進(jìn)行嵌入式工業(yè)鍋爐運(yùn)行參數(shù)采集體系設(shè)計(jì)，以此采集并遠(yuǎn)程統(tǒng)一傳輸工業(yè)鍋爐的安全節(jié)能等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。其次，開發(fā)以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的工業(yè)鍋爐運(yùn)行參數(shù)信號(hào)傳輸模塊和協(xié)議。再次，進(jìn)行音頻視頻信號(hào)采集傳輸模塊設(shè)計(jì)，確保能夠全過(guò)程進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與語(yǔ)音對(duì)聊。最后，基于3G無(wú)線服務(wù)器，利用此網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)音頻視頻數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸，在輸出端采用硬件或軟件解碼的形式，進(jìn)行解析，從而實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測(cè)[4]。

2 以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)智能化物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計(jì)

就實(shí)際需求而言，終端需要實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)視頻信息與溫度濃度傳感器數(shù)據(jù)信息，并開啟Web Service 服務(wù)，基于互聯(lián)網(wǎng)幫助瀏覽器或智能手機(jī)客戶端提供數(shù)據(jù)信息相關(guān)服務(wù)[5]?？蛻粼诓樵儽O(jiān)控信息時(shí)，還可以利用瀏覽器控制輸出終端I/O點(diǎn)。具體如圖1所示。

圖1 終端系統(tǒng)功能圖

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)鍋爐狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端硬件系統(tǒng)與其監(jiān)測(cè)性能、安全性、全面性、可靠性等息息相關(guān)。根據(jù)功能性能多元化要求，明確硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。

其中，在硬件系統(tǒng)中，主要分為上位機(jī)與下位機(jī)，主要包含以下幾大模塊。

2.1.1 傳感器

傳感器包含四種，即溫度、壓力、流量、氧量，需要基于工業(yè)鍋爐安裝，并以測(cè)溫點(diǎn)溫度范圍值為依據(jù)，選取穩(wěn)定性與可靠性突出，精確度較高，驅(qū)動(dòng)流程簡(jiǎn)化的熱電阻，將其作為測(cè)溫傳感器。而其他則應(yīng)選取帶有變送信號(hào)傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/p>

2.1.2 顯示模塊

顯示模塊基于集成化以ARM 內(nèi)核為輔助的串口TFT 液晶觸摸顯示屏進(jìn)行展示，其作為硬件系統(tǒng)上位機(jī)，通過(guò)RS232方式實(shí)現(xiàn)和CPU模塊之間的通信。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.3 模擬信號(hào)采集模塊

模擬信號(hào)采集模塊主要是溫度測(cè)量電路與信號(hào)采樣電路，選擇帶有數(shù)字量輸出的芯片與四線制PT100之間相互配合，以此精確測(cè)量溫測(cè)點(diǎn)的溫度。電流模擬信號(hào)采樣采用的是I/V轉(zhuǎn)變模式，通過(guò)精密度的電阻實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)向電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)變，然后基于芯片阻抗變換與濾波之后輸出到CPU中的ADC端口，其采樣的精確度較高，滿足既定標(biāo)準(zhǔn)要求。工業(yè)鍋爐系統(tǒng)自帶傳感器信號(hào)采集則是采取串聯(lián)差分方式輸入到結(jié)構(gòu)中，從而防止信號(hào)發(fā)生中斷，避免對(duì)工業(yè)鍋爐系統(tǒng)造成不必要的干擾。

2.1.4 開關(guān)信號(hào)采集模塊

這一模塊是安全隔離時(shí)提取出來(lái)的開關(guān)信號(hào)。而開關(guān)量是工業(yè)鍋爐的開關(guān)與報(bào)警信息，其中鍋爐的類型不同，則必然會(huì)存在差異，采集方式則是通過(guò)控制柜繼電器、接觸器、指示燈等進(jìn)行信號(hào)提取，通過(guò)光電隔離器采集干接點(diǎn)的開關(guān)信號(hào)，通過(guò)繼電器與光電隔離器相互配合，以此采集帶電接點(diǎn)開關(guān)信號(hào)。

2.1.5 CPU模塊

CPU 模塊主要任務(wù)是采集、控制、計(jì)算、通信處理相關(guān)數(shù)據(jù)，采用以ARM Cortex-M3內(nèi)核為載體的芯片。此系列的芯片主要是為了給具備高性能、低成本、低能耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)提供幫助，保留了片內(nèi)外周圍的設(shè)施設(shè)備，其性能和條件都可以較高程度滿足工業(yè)鍋爐狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要。

2.1.6 串行通信接口電路

串行通信接口電路基于芯片，配合共模電感、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲等，形成保護(hù)性電路，進(jìn)而為RS485通信道路的實(shí)現(xiàn)奠定良好的基礎(chǔ)條件，其抗干擾能力和電磁兼容性比較占優(yōu)勢(shì)。

2.1.7 GPRS通信模塊

GPRS 通信模塊通過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化接口與無(wú)線模塊開展，基于無(wú)線模塊的AT指令，實(shí)現(xiàn)和ARM微處理器的交互運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1.8 電源模塊

電源模塊主要是以集成化的AC 轉(zhuǎn)變DC 模塊作為載體，并切實(shí)結(jié)合穩(wěn)壓芯片，以實(shí)現(xiàn)12 V、5 V、4.2 V等直流電壓，為硬件系統(tǒng)的其他各模塊進(jìn)行電能傳輸[6-7]。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是μC/OS-II 軟件，據(jù)此促進(jìn)任務(wù)處理與進(jìn)程控制，此軟件的執(zhí)行率非常高，占用空間較小，而且具備良好的實(shí)時(shí)性與擴(kuò)展性，很容易快速轉(zhuǎn)移到各種微處理器中[9]。軟件系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)具體如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于模塊化結(jié)構(gòu)劃分軟件系統(tǒng)，相應(yīng)分配任務(wù)，通過(guò)軟件操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正常有序運(yùn)轉(zhuǎn)，相互協(xié)同以完成所有任務(wù)。其中，系統(tǒng)管理主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)管理與任務(wù)切換等各種基礎(chǔ)部分。模擬量輸入的任務(wù)是對(duì)溫度和氧量等模擬信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與適當(dāng)處理。開關(guān)量輸入任務(wù)則是對(duì)各回路開關(guān)量具體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并作出指定操作。串行通信任務(wù)是實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)信息之間的通信處理、傳輸、分析等。GPRS 通信任務(wù)的目標(biāo)是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信的有效實(shí)現(xiàn)，且進(jìn)一步傳輸接收數(shù)據(jù)信息、控制指令。顯示管理和人機(jī)接口則所要承擔(dān)的是對(duì)觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采取相應(yīng)策略加以處理，同時(shí)監(jiān)測(cè)并響應(yīng)指示燈具體按鈕操作。而在線能效計(jì)算任務(wù)融合了各種類型工業(yè)鍋爐能效計(jì)算數(shù)學(xué)模型，并嚴(yán)格按照測(cè)試規(guī)則進(jìn)行數(shù)學(xué)模型編制，以監(jiān)測(cè)參數(shù)作為依據(jù)，開展各相關(guān)能效參數(shù)計(jì)算，依據(jù)工業(yè)鍋爐運(yùn)行指標(biāo)評(píng)價(jià)模型對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行判斷。

上位機(jī)人機(jī)界面包括六大部分，具體如圖4所示。

圖4 上位機(jī)人機(jī)界面

3 工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)智能化物聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)的節(jié)能實(shí)現(xiàn)

首先，加強(qiáng)高效運(yùn)行管理節(jié)能，工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)智能化物聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)能夠?qū)I(yè)鍋爐的運(yùn)行效率進(jìn)行實(shí)時(shí)在線反饋，以指導(dǎo)正常運(yùn)行操作，保證工業(yè)鍋爐的技術(shù)性能與運(yùn)行狀況良好，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)，從而促使各個(gè)環(huán)節(jié)的損失能夠顯著降低，處于最低狀態(tài)，而相反熱效率則上升于最高形態(tài)，進(jìn)而獲得節(jié)能環(huán)保良好效果。但是，一旦運(yùn)行數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)任何偏差，監(jiān)測(cè)中心的相關(guān)工作人員可以快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，采取一定的應(yīng)急措施，并及時(shí)利用專家系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，向企業(yè)傳輸告警信息。另外，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造與技術(shù)節(jié)能，例如對(duì)工業(yè)鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)狀況不佳；因?yàn)楣I(yè)鍋爐結(jié)構(gòu)、技術(shù)、老化等因素，難以采取調(diào)整運(yùn)行參數(shù)的方式提升運(yùn)行效率的時(shí)候，用戶可以實(shí)際情況進(jìn)行技術(shù)改造[10]。

4 結(jié) 論

綜上所述，基于嵌入式技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)智能物聯(lián)網(wǎng)終端，其中以ARM 微處理器與無(wú)線模塊為系統(tǒng)硬件的核心組成部分，而μC/OS-II嵌入式軟件則為系統(tǒng)軟件的內(nèi)核，采用液晶觸控屏，引進(jìn)高性價(jià)比模式，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)數(shù)據(jù)采集、GPRS無(wú)線傳輸、人機(jī)觸控交互、遠(yuǎn)程配置監(jiān)管等多元化功能。并且，通過(guò)實(shí)踐證明，以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)智能化物聯(lián)網(wǎng)終端可以進(jìn)一步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工業(yè)鍋爐節(jié)能與運(yùn)行狀態(tài)，其具備各種獨(dú)特性優(yōu)勢(shì)，最為突出的主要是結(jié)構(gòu)十分嚴(yán)謹(jǐn)，集成化程度較高，具備很高的穩(wěn)定性、可靠性、安全性，市場(chǎng)發(fā)展前景良好，值得大力推廣。