基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的海上風(fēng)機(jī)除濕設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔思遠(yuǎn)，鄧 博，魏英杰，郭志濤，陳中林

(1.河北建設(shè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北石家莊 050051；2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401)

0 引言

海上風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期工作于高濕、高鹽環(huán)境。風(fēng)機(jī)內(nèi)部金屬設(shè)備、設(shè)施極易發(fā)生腐蝕[1]。一般而言，金屬腐蝕的相對(duì)濕度的臨界點(diǎn)是45%～50%，超過界限就會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，而且隨著相對(duì)濕度的升高，腐蝕速度會(huì)加快，一旦鋼鐵上有結(jié)露發(fā)生，腐蝕過程會(huì)更加迅速。通過調(diào)研，目前風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)分布分散，每個(gè)風(fēng)機(jī)根據(jù)情況不同配有1臺(tái)或多臺(tái)除濕機(jī)。實(shí)時(shí)監(jiān)控除濕機(jī)工作狀態(tài)，確保風(fēng)機(jī)工作環(huán)境相對(duì)濕度低于40%。除濕機(jī)工作狀態(tài)的良好率是塔筒內(nèi)部風(fēng)機(jī)設(shè)備防腐蝕的重要保障。海上風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的過程中，其主要的特征就是很容易受到天氣環(huán)境的影響，一旦環(huán)境惡劣就會(huì)影響維保人員的定期巡檢，故障發(fā)生不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成經(jīng)濟(jì)損失。所以需要研制一種除濕機(jī)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有風(fēng)機(jī)自動(dòng)濕度超限提醒、除濕機(jī)工作故障報(bào)警等功能，及時(shí)通知維修人員安排維修計(jì)劃。

本文詳細(xì)介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的風(fēng)電除濕機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分布于風(fēng)場(chǎng)的多個(gè)風(fēng)機(jī)設(shè)備，并且可以在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上查看各個(gè)除濕機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境溫濕度等參數(shù)，還可以遠(yuǎn)程控制設(shè)備的采集狀態(tài)[2]。此外，本文還開發(fā)基于微信小程序的設(shè)備管理軟件，通過藍(lán)牙與設(shè)備通信，便于安裝調(diào)試人員進(jìn)行設(shè)備管理與維護(hù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)上按照物聯(lián)網(wǎng)體系分為設(shè)備傳感層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和系統(tǒng)應(yīng)用層[3]，如圖1所示。其中在設(shè)備傳感層研制除濕機(jī)工作狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備，采用溫度、濕度多組傳感器獲取除濕設(shè)備的工作狀態(tài)，并將原始采集數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)判斷結(jié)果通過WiFi方式，上傳到網(wǎng)絡(luò)傳輸層。網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為核心，傳輸層與設(shè)備層的連接采用MQTT協(xié)議進(jìn)行通信。同時(shí)規(guī)定了JSON格式作為物模型的上下行報(bào)文格式，利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的透?jìng)骱蛿?shù)據(jù)解析功能來減小數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，提高通信效率[4]。應(yīng)用層主要是通過網(wǎng)絡(luò)層獲取感知層采集到的信息，對(duì)這些信息進(jìn)行加工，采用前端瀏覽器和后端服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表統(tǒng)計(jì)展示、遠(yuǎn)程設(shè)備管理、用戶權(quán)限管理等功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 MQTT協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)層與感知層的數(shù)據(jù)交互，采用MQTT(message queuing telemetry transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸)協(xié)議[5]。MQTT是一種基于發(fā)布/訂閱的異步傳輸協(xié)議，具有輕量、簡(jiǎn)單、規(guī)范、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，適用于M2M通信和物聯(lián)網(wǎng)等環(huán)境。MQTT協(xié)議能運(yùn)行在TCP/IP或其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提供有序、可靠、雙向連接。其特點(diǎn)包括：使用的發(fā)布/訂閱消息模式，它提供了一對(duì)多消息分發(fā)，以實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用程序的解耦；對(duì)負(fù)載內(nèi)容屏蔽的消息傳輸機(jī)制；提供3種服務(wù)質(zhì)量等級(jí)(QoS)；數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)議交換的最小化以減少網(wǎng)絡(luò)流量；異常中斷時(shí)通知傳輸雙方。通信過程中，考慮到通信傳輸可靠性，本文采用最高級(jí)別QoS服務(wù)等級(jí)[6]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路是感知層的物理核心，主要是通過傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度信息的采集。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由STM32G070芯片、DS18B20溫濕度傳感器、WiFi模塊、藍(lán)牙通信接口、存儲(chǔ)電路等組成。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 主控芯片

整個(gè)系統(tǒng)首先選擇用于嵌入式設(shè)計(jì)的ARM，要求內(nèi)部資源豐富、性能高、成本低，能滿足目標(biāo)功能的實(shí)現(xiàn)和批量生產(chǎn)的要求。在眾多MCU中，STM32G070RBT6芯片以ARM Cortex-M0+為內(nèi)核，包含57個(gè)快速I/0口，2個(gè)I2C接口，4個(gè)UART串口，1個(gè)12位ADC，8個(gè)通用16位定時(shí)器，2個(gè)看門狗定時(shí)器，2個(gè)用于驅(qū)動(dòng)ADC的16位基本定時(shí)器，最高工作頻率為72 MHz，能很好滿足設(shè)計(jì)要求[7]。圖3為STM32G070RBT6芯片最小系統(tǒng)圖。

圖3 STM32G070RBT6芯片最小系統(tǒng)

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

圖4 電源電路

2.3 傳感器電路設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)站使用除濕機(jī)型號(hào)為COTEX-CR80B，屬于小型標(biāo)準(zhǔn)除濕機(jī)[8]。設(shè)備參數(shù)包括加熱功率720 W，總功率780 W，工作電流小于4 A，同時(shí)配有DA20濕度控制器進(jìn)行濕度控制[9]。結(jié)構(gòu)上，該除濕機(jī)具有入風(fēng)和再生風(fēng)2個(gè)風(fēng)道口，其中入風(fēng)口溫度與環(huán)境溫度一致，再生風(fēng)口作為加熱除濕后的再生空氣出口溫度為100 ℃，遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。因此布置3組傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)除濕機(jī)工作狀態(tài)檢測(cè)。第1組傳感器包括3個(gè)鎧裝18B20，用于監(jiān)測(cè)入風(fēng)口溫度。第2傳感器包括3個(gè)鎧裝18B20，用于監(jiān)測(cè)再生風(fēng)口溫度。第3組傳感器采用2個(gè)485接口溫濕度變送器，用于監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度。溫度傳感器具有IP65的防護(hù)級(jí)別，溫度測(cè)量范圍-55～125 ℃，測(cè)量精度為±0.5 ℃，濕度測(cè)量精度為±3%RH[10]。

18B20傳感器采用單總線連接方式，能夠節(jié)省處理器IO資源。溫濕度變送器通過485總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，為降低系統(tǒng)功耗采用繼電器作為開關(guān)設(shè)計(jì)了變送器供電控制電路。傳感器部分電路如圖5所示。

圖5 傳感器電路圖

2.4 通信電路設(shè)計(jì)

海上風(fēng)機(jī)具備WiFi網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，WiFi無線技術(shù)具有組網(wǎng)靈活、方便、穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)設(shè)備可以通過WiFi模塊直接聯(lián)結(jié)阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。設(shè)備選用USR-C322WiFi型號(hào)模塊作為WiFi通信的硬件基礎(chǔ)。該模塊支持WiFi-2.4 GHz 802.11b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)，能夠支持Simplelink/usrlink快速聯(lián)網(wǎng)配置和網(wǎng)頁自定義功能。完全集成的串口轉(zhuǎn)無線TCP/UDP傳輸功能，串口速率高達(dá)1 Mbit/s，支持SSL Client通信,局域網(wǎng)搜索和無線參數(shù)設(shè)置功能,支持TCP/UDP Client注冊(cè)包機(jī)制。在本文的硬件系統(tǒng)中，WiFi模塊通過串口連接到處理器[11]，原理圖如圖6所示。

圖6 USR-C322 WiFi模塊電路

此外還加入了BLE藍(lán)牙模塊，連接藍(lán)牙進(jìn)行通信適合短距離范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，這樣可以方便的使用手機(jī)小程序向設(shè)備發(fā)送指令，也可以對(duì)設(shè)備軟件代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)升級(jí)更新，對(duì)于維護(hù)人員來說可以方便完成設(shè)備檢修工作。藍(lán)牙電路部分如圖7所示。

圖7 BLE藍(lán)牙模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)主要包括監(jiān)測(cè)設(shè)備端設(shè)計(jì)、用戶端界面設(shè)計(jì)。同時(shí)為了便于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和數(shù)據(jù)讀取，開發(fā)了基于藍(lán)牙的手機(jī)端微信小程序。

3.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)設(shè)備端軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判斷、數(shù)據(jù)上傳以及程序更新等內(nèi)容。主要流程分為系統(tǒng)上電與設(shè)備初始化、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)整理與上傳、設(shè)定下次開機(jī)時(shí)間等部分。

其中，設(shè)備依靠板載的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片(RTC)中斷拉低，打開電源開關(guān)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電工作，設(shè)備初始化包括外圍電路初始化和系統(tǒng)狀態(tài)讀取；繼而，開始采集多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行溫度差值與環(huán)境濕度的分析，得到系統(tǒng)工作狀態(tài)；生成本次采集數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行本地存儲(chǔ)，并開始連接WiFi網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)以JSON格式上傳至阿里云IoT平臺(tái)。最后設(shè)定下次的啟動(dòng)時(shí)間后自動(dòng)斷開電源系統(tǒng)停止工作，等待下次設(shè)備定時(shí)喚醒。

此外，還對(duì)程序在應(yīng)用更新(IAP)功能予以實(shí)現(xiàn)，通過在處理器程序存儲(chǔ)flash區(qū)開設(shè)Bootloader區(qū)和APP區(qū)，實(shí)現(xiàn)了以藍(lán)牙/WiFi無線通信方式對(duì)設(shè)備程序進(jìn)行更新。軟件流程如圖8所示。

由表6可知，-0.074 mm含量占65%的磨礦細(xì)度下，可解離的金礦物占13.56%左右，包裹于黃鐵礦、黃銅礦和磁黃鐵礦中的金占82.86%，脈石礦物中金約占3.58%。針對(duì)此結(jié)果，又將黃鐵礦和磁黃鐵礦分別測(cè)其金含量，得到黃鐵礦中金含量為22.3 g/t，磁黃鐵礦中金含量為3.09 g/t。由此可見，可以通過富集硫化物得到硫精礦，再磁選抑制磁黃鐵礦的方法得到金精礦。

圖8 硬件電路運(yùn)行流程圖

3.2 微信小程序調(diào)試軟件設(shè)計(jì)

微信小程序是一種全新的連接用戶與服務(wù)的方式，它可以在微信內(nèi)被便捷地獲取和傳播，同時(shí)具有出色的使用體驗(yàn)，打開微信在小程序中直接搜索即可使用，避免了app需要下載安裝的繁瑣步驟[12]。小程序具有登錄、設(shè)備連接、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、參數(shù)設(shè)置等功能，結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9 小程序結(jié)構(gòu)框圖

在參數(shù)設(shè)置中，定義了設(shè)備號(hào)、設(shè)備時(shí)間、鬧鐘時(shí)間等屬性。其中，上次開機(jī)時(shí)間和已存儲(chǔ)次數(shù)、軟件版本、硬件版本和上次系統(tǒng)更新時(shí)間可以很方便地供用戶查看，以了解設(shè)備工作情況和數(shù)據(jù)信息，其他模塊例如網(wǎng)絡(luò)設(shè)置供用戶自定義和云平臺(tái)的連接，系統(tǒng)升級(jí)可以完成設(shè)備功能的更新，用戶也可以提取數(shù)據(jù)并上傳到網(wǎng)絡(luò)終端，完善設(shè)備的日志信息。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)置

本文采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接收除濕設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信的格式需要符合阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的要求。對(duì)于數(shù)據(jù)的上下行，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)規(guī)定接收的數(shù)據(jù)格式應(yīng)采用JSON格式。

在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上可以通過新建產(chǎn)品，在產(chǎn)品中定義功能屬性和編寫數(shù)據(jù)解析的腳本，然后在對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品下新建設(shè)備并獲得連接該設(shè)備的三元組信息(ProductKey，DeviceName，DeviceSecret)，從而使得感知設(shè)備能夠連接上阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[13]。設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

圖10 阿里云物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試的目的是為了驗(yàn)證模塊協(xié)調(diào)工作能否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。藍(lán)牙連接成功之后，就可以按照通信協(xié)議對(duì)設(shè)備發(fā)送指令，查看設(shè)備狀態(tài)和傳感器數(shù)據(jù)信息。連接藍(lán)牙之后可以有移動(dòng)端下發(fā)操作命令。進(jìn)入監(jiān)控軟件下的在線調(diào)試，選擇設(shè)備并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。

在圖11中可看到，初始界面分為7個(gè)子模塊，可以進(jìn)行設(shè)備連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)升級(jí)以及其他功能實(shí)現(xiàn)，每個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的右側(cè)提供按鈕可以進(jìn)行參數(shù)的查看與修改，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)框中可以進(jìn)行實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，方便查看設(shè)備狀態(tài)。經(jīng)過測(cè)試，小程序與設(shè)備之間通信效率高，速度快，使用方便。

(a)小程序初始界面 (b)數(shù)據(jù)下發(fā)界面

圖12展示了在數(shù)據(jù)查詢框中可以進(jìn)行傳感器歷史數(shù)據(jù)的查看，包括除濕機(jī)的設(shè)備號(hào)，日志，以及多個(gè)通風(fēng)管道的溫度和環(huán)境濕度等數(shù)據(jù)。

圖12 微信小程序查看歷史數(shù)據(jù)界面

云平臺(tái)提供給用戶注冊(cè)登錄功能，方便用戶使用。平臺(tái)管理人員可以查詢某個(gè)風(fēng)機(jī)設(shè)備的數(shù)據(jù)報(bào)表，同時(shí)提供歷史折線圖，準(zhǔn)確直觀地監(jiān)控風(fēng)機(jī)內(nèi)部環(huán)境和除濕機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)登錄界面如圖13所示。

圖13 瀏覽器登錄頁面

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)除濕機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于渤海灣河北建投公司的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，測(cè)試中某臺(tái)裝置3個(gè)月中某天內(nèi)的折線圖如圖14所示。根據(jù)溫濕度歷史數(shù)據(jù)及其變化情況來看，當(dāng)濕度上升到一定程度，除濕機(jī)開始工作，濕度開始降低，溫度開始升高，說明除濕機(jī)工作正常，處理過的干風(fēng)提高了環(huán)境溫度，兩種數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)符合理論預(yù)期，系統(tǒng)對(duì)于除濕機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是有效且必要的。

圖14 某設(shè)備歷史數(shù)據(jù)折線圖

5 結(jié)論

本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件構(gòu)成、通信標(biāo)準(zhǔn)以及軟件運(yùn)行流程等方面詳細(xì)敘述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程，并且通過實(shí)際設(shè)備完整地運(yùn)行了整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)海上風(fēng)機(jī)內(nèi)部環(huán)境的溫濕度和服務(wù)器處理溫濕度數(shù)據(jù)信息的功能。由于系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)以及預(yù)留的多個(gè)接口，還可以改進(jìn)，如在服務(wù)器平臺(tái)上添加控制多次密集采集數(shù)據(jù)的功能，在硬件部分添加測(cè)量電流大小、測(cè)量循環(huán)風(fēng)管通風(fēng)量等功能。系統(tǒng)在使用過程中效率高，成本低，尤其對(duì)于海上風(fēng)力發(fā)電來說市場(chǎng)前景廣闊。