基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的電動執(zhí)行器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

徐善智，張曉榮，喬凌霄，蔣衛(wèi)東，楊 智

(1.山西能源學(xué)院電氣與控制工程系，山西晉中 030600；2.山西好利閥機(jī)械制造有限公司，山西侯馬 043000)

0 引言

電動執(zhí)行器廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、環(huán)保等領(lǐng)域，是實現(xiàn)管道閥門控制的重要裝置，其性能的優(yōu)劣不但直接影響管道中流體壓力和流量的控制精度，而且也影響到整個控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[1-2]。

近年來，科研人員在電動執(zhí)行器的研究和設(shè)計上做了大量工作，極大地縮小了與國外產(chǎn)品的差距。其主要工作集中在采用機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)取代分體式結(jié)構(gòu)，利用嵌入式技術(shù)實現(xiàn)高級的控制算法，進(jìn)而在提高系統(tǒng)集成度和可靠性的基礎(chǔ)上，有效地減小系統(tǒng)的控制誤差[3-5]；并且引入MODBUS、CAN、PROFIBUS-DP等現(xiàn)場總線技術(shù)取代傳統(tǒng)開關(guān)量和模擬量的點對點傳輸，實現(xiàn)電動執(zhí)行器的遠(yuǎn)程控制和故障監(jiān)測等功能[6-9]，滿足了我國工業(yè)自動化的控制需求。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things，NB-IoT)被國際電信聯(lián)盟納入5G標(biāo)準(zhǔn)，是一種針對大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的低功耗廣域網(wǎng)(low power wide area network，LPWAN)技術(shù)。NB-IoT占帶寬180 kHz，支持獨立部署、LTE保護(hù)帶部署和LTE帶內(nèi)部署3種網(wǎng)絡(luò)部署方式，能夠直接部署在2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)上，具有廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本，穿透性能強(qiáng)等優(yōu)點[10-12]。因此，在5G物聯(lián)網(wǎng)的時代背景下，開發(fā)設(shè)計基于NB-IoT的電動執(zhí)行器監(jiān)控系統(tǒng)具有實際意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于NB-IoT的電動執(zhí)行器監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)分為感知控制層、傳輸層、云平臺層、應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

感知控制層負(fù)責(zé)采集執(zhí)行器的開度數(shù)據(jù)，以及管道內(nèi)流體的壓力、溫度、流量數(shù)據(jù)；傳輸層將各類數(shù)據(jù)通過NB-IoT通信技術(shù)上報物聯(lián)網(wǎng)平臺，并將控制命令下發(fā)至設(shè)備；云平臺層提供協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲分析等功能，是鏈接應(yīng)用端和設(shè)備端的紐帶；應(yīng)用層是指移動APP設(shè)計。通過建立各個模塊與后臺數(shù)據(jù)庫之間的聯(lián)系，從數(shù)據(jù)庫中存取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在手機(jī)端對執(zhí)行器運行狀態(tài)及其周圍環(huán)境參數(shù)的實時查詢，當(dāng)檢測到異常信息時，系統(tǒng)會自動發(fā)出警報并進(jìn)行相應(yīng)的提醒，并遠(yuǎn)程控制執(zhí)行器動作。

2 終端設(shè)備硬件設(shè)計

終端設(shè)備硬件主要由STM32主控模塊、電源模塊、NB-IoT通訊模塊、人機(jī)接口模塊、數(shù)據(jù)交互模塊組成。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 主控芯片設(shè)計

主控芯片采用32位內(nèi)核超低功耗STM32L431RC處理器。該芯片具有256 KB高速Flash存儲器，最大時鐘頻率為80 MHz，有16路12位高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和2路12位高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，帶有讀寫保護(hù)機(jī)制，有超低的8 nA掉電模式和超低的28 nA待機(jī)模式，可在-40～85 ℃環(huán)境下正常工作。因此，其性能完全能夠滿足系統(tǒng)需求。

2.2 電源模塊設(shè)計

系統(tǒng)電源模塊分為直流電源模塊和降壓電源模塊兩部分，其原理圖分別如圖3和圖4所示。首先利用NL05-A05整流模塊，將220 V的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?5 V的直流電，然后通過三端穩(wěn)壓器輸出3.3 V的直流電，從而滿足主控芯片以及其他模塊的供電需求。

圖3 直流電源模塊原理圖

圖4 降壓電源模塊原理圖

2.3 NB-IoT模塊設(shè)計

NB-IoT模塊選用BC35-G模組，其基于海思芯片，支持全球頻段，符合3GPP R14標(biāo)準(zhǔn)，尺寸小，是一款高性能、低功耗的多頻段NB-IoT無線通信模塊，其電路原理圖如圖5所示。

圖5 NB-IoT模塊電路原理圖

本文選擇的是物聯(lián)網(wǎng)卡，相關(guān)SIM卡電路原理圖如圖6所示。

圖6 SIM卡電路原理圖

2.4 人機(jī)接口模塊設(shè)計

人機(jī)接口模塊由按鍵、OLED液晶顯示屏幕和多功能串口接口組成，用以滿足程序調(diào)試以及設(shè)備狀態(tài)信息的顯示需求。OLED液晶顯示屏幕采用12864模塊，其具有低功耗、寬電壓等優(yōu)點，與主控芯片通過IIC方式通信。

2.5 數(shù)據(jù)交互模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)交互模塊分為信息數(shù)據(jù)采集電路和控制信號輸出電路兩部分。

由于主控芯片自帶模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，信息數(shù)據(jù)采集電路將給定的4～20 mA電流信號或0～10 V電壓信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的0～3.3 V電壓信號給主控芯片即可。信息數(shù)據(jù)采集電路共4路，利用撥碼開關(guān)電路實現(xiàn)輸入端電流信號和電壓信號的切換，其中一路的原理圖如圖7所示，可通過調(diào)節(jié)電阻R1的大小，對輸出電壓進(jìn)行校對。

圖7 信息數(shù)據(jù)采集電路原理圖

同樣，由于主控芯片自帶數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，控制信號輸出電路只需將0～3.3 V電壓信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號或0～10 V電壓信號。系統(tǒng)只有1路執(zhí)行器開度控制信號輸出，利用1個自鎖按鈕實現(xiàn)輸出信號的電流和電壓切換，其電路原理圖如圖8所示，電阻R9用于對輸出信號進(jìn)行校對。

圖8 控制信號輸出電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計的系統(tǒng)軟件部分主要包括終端設(shè)備軟件設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)平臺軟件設(shè)計、移動APP軟件設(shè)計3個內(nèi)容。

3.1 終端設(shè)備軟件設(shè)計

終端設(shè)備軟件設(shè)計是實現(xiàn)系統(tǒng)控制功能的重要環(huán)節(jié)。本設(shè)計使用LiteOS嵌入式操作系統(tǒng)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖9所示，主要任務(wù)包括感知層數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)上報任務(wù)、命令接收處理任務(wù)。主控芯片USART1的波特率設(shè)置為115 200 bit/s，通過ST_LINK接口實現(xiàn)程序的下載及調(diào)試工作；USART2的波特率設(shè)置為9 600 bit/s，通過發(fā)送AT指令，控制BC35-G通信模組實現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺的數(shù)據(jù)信息交互。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖

BC35-G模組支持PSM(power saving mode)、DRX(discontinuous reception)和eDRX(extended DRX)3種工作模式。本設(shè)計對數(shù)據(jù)實時性要求高，對功耗要求低，所以采用DRX模式，保障設(shè)備大部分時間處于在線狀態(tài)，實時接收云平臺下行數(shù)據(jù)。通信模組在整個系統(tǒng)中作為信息交互的橋梁，連接了感知控制層終端設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)云平臺，主要工作流程如圖10所示。

圖10 模組工作流程圖

3.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺軟件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)云平臺不僅提供設(shè)備接入服務(wù)，幫助用戶快速完成設(shè)備聯(lián)網(wǎng)及行業(yè)應(yīng)用集成，而且為了降低應(yīng)用側(cè)的開發(fā)難度、提升開發(fā)效率，向用戶開放了API(application programming interface)接口。所以，本設(shè)計選用物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行設(shè)計開發(fā)工作。

物聯(lián)網(wǎng)平臺側(cè)的主要工作包括：在平臺上開發(fā)產(chǎn)品模型，通過JSON格式定義開度、流量、溫度、壓力和信號強(qiáng)度5個上報屬性，以及開度控制1個下發(fā)命令；完成以上數(shù)據(jù)的編解碼插件開發(fā)并部署，實現(xiàn)二進(jìn)制格式消息與JSON格式消息的轉(zhuǎn)換，方便服務(wù)器使用；在所屬資源空間的產(chǎn)品下注冊設(shè)備，填寫設(shè)備名稱、設(shè)備標(biāo)識碼、設(shè)備描述等信息，其中設(shè)備標(biāo)識碼必須是BC35-G模組上的15位IMEI碼?；谝陨瞎ぷ?，物聯(lián)網(wǎng)平臺在對感知控制層的終端設(shè)備實現(xiàn)信息交互的同時，也能夠向應(yīng)用層開放API接口，實現(xiàn)相應(yīng)的邏輯業(yè)務(wù)處理，從而在本系統(tǒng)中起到承上啟下的作用。

3.3 移動APP設(shè)計

微信小程序具有開發(fā)成本低、應(yīng)用上線周期短、無需用戶安裝、兼容性強(qiáng)等優(yōu)點[13-14]，因此，本設(shè)計選用微信開發(fā)者工具開發(fā)應(yīng)用APP，通過調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)云平臺開放的API接口，實現(xiàn)對終端設(shè)備的注冊、管理、查詢、下發(fā)命令和推送數(shù)據(jù)等功能，信息交互情況如圖11所示。微信小程序在鑒權(quán)獲得許可后即可使用物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的設(shè)備接入服務(wù)。

圖11 應(yīng)用APP與物聯(lián)網(wǎng)平臺交互圖

目前該微信小程序已發(fā)布上線，名稱為“智能執(zhí)行器”，其主要應(yīng)用界面如圖12所示。用戶在登錄系統(tǒng)后，在設(shè)備管理界面可通過掃描模組IMEI二維碼，實現(xiàn)對設(shè)備的注冊、查看、刪除和修改信息等操作，也可以在設(shè)備列表界面，總覽設(shè)備情況。在設(shè)備界面可查看終端設(shè)備的信息，并可下發(fā)命令，實現(xiàn)對電動執(zhí)行器開度的遠(yuǎn)程控制。

圖12 應(yīng)用界面

4 系統(tǒng)測試

在實驗室中，將本文設(shè)計的終端設(shè)備與電動執(zhí)行器連接，測試接線如圖13所示。終端設(shè)備向電動執(zhí)行器輸出控制開度的模擬量信號，并采集其反饋的模擬量信號。流量、溫度和壓力信號接口，用信號發(fā)生器進(jìn)行測試。經(jīng)過在晉中和侯馬兩地的多次測試，該系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，執(zhí)行器開度控制精確，數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確，手機(jī)APP操作便捷，很好地滿足了設(shè)計要求。

圖13 測試接線圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的電動執(zhí)行器監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在傳統(tǒng)的電動執(zhí)行器控制中，不僅能夠?qū)Σ煌吞柕碾妱訄?zhí)行器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，而且能對管道內(nèi)流體的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。整個系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、操作便捷、適應(yīng)性強(qiáng)、可擴(kuò)展性高等優(yōu)點，能夠滿足工業(yè)應(yīng)用需求。