论文研究-嵌入式物联网控制器及监测平台的设计 .pdf

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嵌入式物联网控制器及监测平台的设计,徐乾荣,帅立国,本文首先对物联网进行了概述,其次基于物联网三层架构设计了整体方案,然后针对方案各组成部分进行了详细设计,最后完成了系统联
山国武技记文在 2整体方案设计 本文的整体方案设计遵循物联网体系架构,如图所示,整体方案架构包含个层次, 是由控制器硬件、传感器、串∏转模块和无线伎感网络硬件所构成的物联网感知层, 用于工业控制和数据不集。二是由无线传感网络所构成的物联网传输层,将感知层所采集的 数据信息进行汇集、处理和传输等工作。三是由转以太网模块、数据收发程序、数据 库和客户端所构成的物联网应用层,用于存储数据、显示工作状态和查询历史记录等工作。 云服务器 数据收发程序 数国库 应用昃 密端 传输层 终端节点 和口转模块 感知层 控「制g 感器2传器3 图整体方案榘构图 整体方案设计主要包括无线传感网络、控制器硬件方案、控制器软件方案和监测平台设 计,各部分设计方案如下。 无线传感网络 无线传感网络从年开始进入工业应用,根据功耗、成本、传输距离、频段、传输 速率、协议版本、数据安全性和抗干扰能力等因素,可分为 和 等种类,实现了网络连接和信息传递的功能。无线传感网络主要有 以下几种类型,它们的区别如表所小 表1无线传感网络对比 特性种类 功耗 低 较低 低 低 较低 极低 成木 较高 较高 较低 较低 较低 低 传输距离 频段 无频段占用 传输速率 协议版本 末定制 数据安全性 较强 较差 强 较强 抗干扰能力 较差 较差 差 较强 强 强 通过表的信息对比,和的传输距离不能满足长距离传输的条件,不适合工 山国武技记文在 业环境下的通信和组网。 传输速率极高,但同样存在传输距离的限制 存在网络扩展性差和抗T扰能力差的缺点,不适用于终端网络传感器组网。在传输距离上, 差距不大, 数据传输速率较高,但的组网能力低,扩展空问受 限制。目前设备之间不具有关联功能,而 组网可实现设备之间的互联互通。 同时 具有功耗极低和成本低的优势,单个 节点使用电池供电可持续工作达 数周甚至数月。综合考虑功耗、成本、传输距离、数据安全性和抗干扰能力等各方面因素, 最终选择 作为控制器与上位机客户端之间的串口数据传输无线传感网络。 基 于 办议,是一种近距离双向无线通信技术,具有功耗极低、成本低、延时短、 网络容量大、可靠、安仝和具有灵活的网络拓扑结构等特点。 无线传感网络软件编程设计流程如图所示。 开始 定义各类的射地址 时钟初始化 完义串口数据内容和长度 串口物始化 串口设置 中断初始化 定义口函数 清空接收緩冲区 定文清空接收缓冲区函数 无线物始化 定义中断函数 无线发送和接收綸程 定义无线收发函数 主函教编程 定义时钟函数 中断内容编程 结束 编程设计流程图 控制器硬件方案设计 控制器硬件结构如图所示,主要包括多路模拟信号输入、信号放人电路、滤波电路、 多路控制信号输入、电平转换电路、光耦隔离、三相电压输入、复位电路、电源电路、继电 尜输出、模拟信号输出、状态显小 总线接口电路和 接口电路等。为了满足控 制器功能设计的要求,进行了主芯片选型、电源电路设计、串口通信电路设计 总线 通信电路设计、采集调理电路设计和缺相检测电路设计等上作 基于以上分析,经过多方对比,控制器主芯片选用 公司的 芯片,它是 系列嵌入式微处理器的成员,为位嵌入式微处理器,具有位算 术逻辑单元,存储器和子系统集成在芯片内,简化了外围集成电路。 山国武技记文在 力传感器 温度传感器 信号输入°△信号放 多路梭拟 大电路滤玻电路=→ 大电路|°电器输出 电流传感强 信号喻入/龟平转 路控制 光耦隔离 瘼拟信 换电路 >光耦隔离「号输出 主 相电压愉入 乜路 滤玻电 P(警报正常) 复位电路仁 →CAN总线 接口电路 电源电路→ R522 口电路 ZigBee模块 图搾制器硬件结构图 电源电路的作用是将输入的交流电转换成各个馍块工作所需的直流电压。第一步, 采用脚骨架变压器进行交流电压转换,将交流电转换为 和 交流电 竻二步,通过整流和滤波电路将变压器输岀端的三路髙频脉冲交流电压转換为稳定直流电压 供其他电路使用。 串口通信电路的作用是用于控制器与 终端节点间的通信,主要围绕 芯片进行电路设计,它是一款专门为 标准串口设汁单电源电平转换的芯片。 总线通信是国际标准化的串行通信协议,主要用于实现多机协同时的通信 总线通信具有多主控制性,当总线空闲时,连接到总线上的所有单元都可以启动发送 息 总线通信电路设计时,用到 芯片,该芯片提供了 通信的差动接 收能力和差动发送能力,传输速率最大值达到了 具有抗瞬间干扰和保护总线的能力 芯片带有路位精度的转换模块,采集调理电路设计时,分成 四部分,分别是减法器电路、二极管钳位电路、二阶有源低通滤波电路和低通滤波电路。 各种类传感器所采集的数据,通过相应的变送器,转换成 的电压输入至控制器端口。 电压信号经这四部分处理后,再通过转换模块转为数字信号。 对一个使用三相交流电的改备而言,三相输入缺相检测功能是极其重要的,起到休护的 作用。当三相输入中任何相电压缺相吋,检测后需要给山警告提示,并进行安全保护。缺 相检测电路设计吋,分成信号调理电路和采样模块两部分。经调理后的信号,通过 采样模块将电压模拟量转换为数字量,用于主芯片对缺相情况的判断检测 控制器软件方案设计 控制器采用 芯片,使用语言在 环境下编程。控制器软件 方案设计主要包括定义发送位、控制信号输入判断、控制信号输出判断、时钟初始化、中口 初始化、初始化(启动 禁止中断,采样数据左对齐,采样时间为个时钟周 期,位转换,通道连续扫描模式)、输入输岀初始化、串口发送函数编稈、各 传感器数值读取函数编程、各传感器数值处理函数编程、三相电压数值读取函数编程、三相 电压数值处理函数编程和主函数编程等内容 编程时选择 系列芯片,在 下选择 型号, 选择& 模式,在 里面写完代码后,编译无错误再 进行在线烧录和调试。控制器软件编程设计流程如图所示。 山国武技记文在 开始 定文个标准整型串口数据 串口发送函数编程 的含义和初始值 定义控制信号输入与输出函 數并皃成孛存器鳊程 各传感器数值读取函数编程 定义毫秒延时数 各传感器数值处理函数编毡 定义时钟初始化函数 三相电压数值读取函数编程 定义串口初始化函数 三相曳压数值处迥函数编程 定义初始化函数 主函数编程 定义输入输出初始化函数 结来 图搾制器软件编程设计流稈图 监测平台设计 监测平台主要包含云服务器、数据库和客户端三个部分。其中,云服务器中的数据收发 桿序负责接收数据信息并存入数据库,以及负责将数据信息转发给客户端。数据库存储和维 护数据信息,并向客户端程序提倛链接用于査询历史数据。客户端通过连接数据收发程序获 得实时数据信息,进行状态监测和显小,并通过连接数据厍对历史数据进行查询和分析 云服务器 云服务器作为监测平台的核心组成部分,主要实现数据交互和数据存储管理。云服务器 以阿里云服务器为载体,所包含的数据收发程序方面负责接收转以太网模块传来的 数据信息,并将数据处理后仔入数据斥,供后续客户端查询用。另·方面,数据收发程序直 接将数据信息转发给客户端,供客户端实时显示监测状态。数据收发程序设计内容主要包含 端口设置、服务器地址获取、绑定地址、设定排队连接请求、启动监听功能、通过 发送数据、监听客户端连接是否成功、接收数据消息、发送数据消息至客户端、 发送数据消息至数据库等。 数据库设计 数据库提供了数据存储的架构和模型,本文选用 作为数据库管理 系统,用来定义和管理数据库,处理应用程序与数据库间的关系。数据库设计主要以数据表 为主,数据表是数据存放的容器,其设计按照一定原则将信息分为类:用户信息、相序监 测信息、传感器数据监测信息和控訇信号监测信息 进入客户端前,需要身份验证,输入用户名和密码后,验证正确,才可进入客户端并获 山国武技记文在 得相应权限。用户信息包含:登入用户名、登入密码、用户姓名、性别、联系方式和权限, 此时需要建立用户信息表,存放所有可登入用户的个人资料和权限。登入功能和权限管埋功 能需要依赖这张表进行访问和操作,其结构如表所示。 表2用户信息表 段名称 数据类型 可否为空 约束条件 说明 主键 登入用户名 登入密妈 尢无无无尢 用户姓名 性别 联系方式 权限 相序监测信息存放监测时间点和相序监测结果,其结构如表所示。 表3相序监测信息表 字没名称数类型 可否为空 约束条件 主键 时间点 无 相序 传感器数据监测信息存放监测时间点、压力传感器、温度传感器和电流传感器的监测结 果,其结构如表所示 表4传感器数据监测信息表 字段名称数框类型可否为空 约束条件 主键 时间点 无尢无 压力值 温度值 电流值 搾制信号监测信息存放监测时间点、控制信号输入、搾制信号输入、控制信号输入 控制信号输入、控制信号输岀、控制信号输岀、控制信号输岀和控制信号输出 的监测结果,其结构如表所小。 表5控制信号监测信息表 子段名称 数搪类型 可否为空 约条件 说明 主键 时间点 信号输入 无无无无无无无尢 信号输入 信号输入 信号输 信号输出 信号输出 信号输出 信号输出 客户端设计 客户端在 环境下,使用语言编程,客户端监测界血如图所小。客户 端通过连接数据收发程序获得实时数据信息、,进行状态监测和显示,并通过连接数据库对历 史数据进行査询和分析。客户端的功能包括:监测时间记录、控制信号的输入与对应的控制 山国武技记文在 信号输岀是否正常、是否缺相、各类传感器的实吋采集数据、故障报警、传感器监测量随吋 间的动态变化图和历史数据查询等。 客户端编程选用应用程序方案,编程前需要将命名空间 命名空间、 和 映射到对应的地址。配置完以上内容后,按照功 能要求,设计编程流程。调用控件进行控制信号 输入、控制信号输出 各传感器监测量、三相电缺相检测、故障报警和监测时间记录的编程 和 分别对应控制信号 的输入状态 和 分别对应控制信号 的输出状态。 和 分别对应压力传感器、温度传感器、电机电流传感器、其他传感器、其 他传感器和其他传感器的监测量。 ,衣示三相电缺相检测的结果。 ,表示故障报警的结果 ,衣示监测持续的吋间。 调用 函数,表示创建动态图表 表 示将 参数绑定到视图模型创建的 中,为操作对象 设置操 作属性 凶数,表示数据源绑定操作。此外,还需利用数据库语句 设计历史数据查询的功能 监测客户端 开始联网 亭止监测 测时问记录 控制信号A是否入 空制信号:是否出 控制信号是否输出 相电相字是否正学 刀传感器 电机电流传器监洌量 其下的器C监测早 图客户端界面图 3系统测试 信号强度测试 信号强度测试实验用到了一个 协调器节点和一个 终端节点。 协调器节点与笔记本相连,置于高的凳子上。信号强度测试时 终端 节点与 协调器节点的水平距离不断移动,高度保持不变,同样置于高的凳子 上,如图所示。测试时,用接收信号强度指示值 来表征信号强弱,单位为。 终端节点发射功率设置为 ,节点闫的通信测 试距离分别设为 山国武技记文在 实验步骤:打廾协议分析软件 ,设置信号接收指标为 终端节点加入网络后,将 终端节点与 协调器节点的距离从向上述设置的 个通信测试距离点移动,记录每一个测试点的值。完成一轮个点的数据记录后, 再重复次实验内容,并计算每个通仨测试距离点的次实验平均值,作为该测试点 的接收信号强度值,用于验证信号强度与距离的关系。 图 信号强度测试实验 接收信号弭度指示值与通信测试距离的关系如图所示, 协调器节点与 终端节点在内信号传输正常,随着距离的増加,接收信号强度值整体呈下降趋势。 当布置的 终端节点与 协调器节点距离较远时,可在中间增加 路由节 点,提高信号的传输性能,保证数据的顺利采集 通信测试距离/m 12346911520253035405060708090 图接收信号强度指示值与通信测试距离关系图 信号数据丢包率测试 信号数据丢包率测试实验用到了一个 协调器节点和一个 终端节 协调器节点与笔记本相连,置于高的凳子上,数据丢包率测试时, 终端节点与 协调器节点的水平距离不断移动,高度保持不变,同样冒于 高的 凳子上。在不同距离下,节点之间进行点对点传输测试。 终端节点发射功率设置为 ,节点间的通信测试距离分别设为 ,每杪共发送个薮据包,通过计算 协调器节点接收到的数据包个数计算丢 包率。如表所示,在、 处丢包率为,在处丢包 率增加,信号传输岀现不稳定现象。 表6 ZigBee信号数据丢包率测试 道信测试距离()发送数据包数(个)接收数据包数(个) 丢包() 山国武技记文在 通过信号数据丢包率测试可以看出,在米以内 协调器节点数据包 接收率为,超过米后,数据传输不稳定,可通过增设 路由节点,延长数据 传输距离,保证数据传输稳定性. 系统联调测试 实验联调测试如图所示,包含传感器数据采集、控制信号输入输出和报警显示测试 硬件整体连接完毕后,如图所示,启动 无线传感网络和客户端软件。将温度传 感器置于温水杯中,如图所示。将型压丿传感器置于搭建的架子上,并放置重物,如 图所示。通过开关电源的接出线,于动点蝕控制信号和控制信号的输入端子, 听到两个继电器闭合的声音。观察客户端的数据变化,如图所小,可得此时温度传感器 所采集的水温为摄氏度,型压力传感器所采集的重量为千克,客户端状态监测显示 和控制信号输入,和控制信号输岀。此吋木连接三相电输入,所以界面警告显示: 数据异常,三相电相序缺相,即报警显示功能L作止常。 品的带 硬件联调 温度传感器 压力传感器 图联调测试 电流传感器数据采集、电机三相电压输入相序监测和零件分拣传送装置搾制实验。如图 所示,零件分拣传送装置包含两个电机,人电机用于控制黑色传动滚轮,小电机用于控 制传送带运输。大电机需要通三相电压,将大电机的三相电压线引出,并与控制器相连,用 于监测三相电压输入是否缺相。电流传感器选用霍尔廾环电流传感器,将大电机的电线穿过 高品质磁芯憾路,通过客户端状态监测界面中电机电流传感器的监测量大小,判断大电机电 流是否超过设定的报警线。大电机和小电机的启动开关处分别引岀接触线,并与控制器的 和控制信号输入端了相连,当零件分拣传送装置运行吋,大小电机均处于运行状态,此 时客户端状态监测界面显示控制信号和的输入状态。

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