论文研究-基于物联网的起重机远程监控系统的实现 .pdf

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基于物联网的起重机远程监控系统的实现,王一铖,帅立国,针对起重机运行缺乏监管的现状,本文设计了一种基于物联网的起重机远程监控系统。本系统利用ZigBee无线传感器网络和嵌入式网关实现
山国武技记文在 终端网络 网络传输方案 网络根据拓扑类型可以分为星型网络、树型网络和网状型网络三种。其中,星 型网络由协调器进行健立和管理,网络结构简单、稳定;树型网络是·种扩展的星型拓扑结 构,可实现更远范围的多跳网络;网状型网终是一可自由设计,具有很高自适应能力的多跳 网络,可实现在更远范围和更高复杂度的环境下的网终组建。鉴于本系统无线传感器网终 覆盖范围较小,因此选择星型网终作为网终拓扑。 为保证 网络无线传输数据的稳定性以及该网络的通用性,本系统以 协调 器模拟 主站,各 终端节点模 从站,为每个 终端节点设置 个节点地址,并在传输报文中内嵌了 报文。 通信协议是一个清 求应答协议,并且提供功能码规定的服务。木系统中由 协调器发出数据请求和控制 命令,等待对应 节点的反馈响应。在木系统主要用到(读线圈) (读寄存 器) 写线圈) (读多个奇存器)这四个功能码,实现对现场监测数据的读取和 底层网络的控制。具体各节点地址及操作码如表所示 表 节点地址及操作码 节点名称 节点地址 功能码 主控机箱 继电器组 主梁应力 主梁应力 风速 粉尘 烟雾 温度 湿度 主控机箱 ⊥控机箱是为了实现起重机控制的自动化、加强安全管理、提高生产效率而设置的一种 现场级的监控设备,它可以独立使用也可以添加通信模块接入网终便于远程集中管理和控 制。其具体功能主要包括: ()起重机过载保护 当测量到在一段时间内负载超过额定负载的%(该值可以设置)的时候,主控机箱 会向起重葫芦发出紧急停止信号阻止提升动作,同时发出故障指示。 ()运行和故障监控 在起重葫芦开始所请求的动作之前,主控机箱会检査动作是否安全。如果没有探测到故 障信号,主控机箱才会允许起重机动作。 )相厅监控功能 实时监控三相辶电源相序,如果相序错误,发出故障显示,并停止起重器的运行。 )运行时间记录功能 主控可以对各种输入信号进行连续计时。 主控机箱的馊件主要包括以下几个模块:微控制器()系统:传感器模拟量 输入输出模块;开关量输入输岀模垬;相序检测模块; 身份验证模块;串 口通讯模块;()通信模块;电源模块。各模块冋的关系如图所示: 山国武技记文在 模拟量输出嫫块 开关量输入模块 相序检测模块 STM32微控开关量输山模块 RFD身份验证模块 制器 模拟量输入模块 电源模块 串行通汛接口CAN通讯按口 zge线通|[其它监控机箱 信模块 图主控机箱硬件结构 其叶, 微控制器是辶监控杌箱的控制核心,其通过开关量输入模垬和模拟量输 入模分别检测外部控制信号和外部传感器输入信号,通过开关量输岀模垯和模拟量输出模 块发岀控制信号。另外,相序检测模块用于检测电杋三相电顺序,防止相序错誤或者缺相错 身份验证模块用于识别起重机使用人员信息,只有当起重机操作人员信息通过验 证后起重机才可启动整个主控机箱通过 接口连接一个 通信模块实现与嵌入 式网关进行通信。电源模块为整主控札箱硬件系统提供稳定的电源供应。依据厂ˉ家提岀的 设计要求,最后确定的检测记录参数包括:设备总运行时、高速运行时冋和低速运行时间、 起升循环次数和 开关量输入输出模块 由于工业应用环境中控制电压和输出电压都比较高,且存在着诈多瞬变脉冲,这些瞬变 脉冲会损伤互连的设备。因为 微控制器芯片高电平信号只有 为防止瞬变脉冲 损伤主控板卡,两者之间需使用具有绝缘隔离功能的光电耦合器来维持信号的传输并保护上 控板卡。开关量输入模块连接起重机动作请求电路,将起重机上升、下降以及加速信号转换 成微处理器可以识别的 开关量信号。当主控芯片检测到输入信号变化,可启动或停 止相应定时器并执行相应动作开关量输出模块连接起重机控制继电器,控制起重机的上升 卜降、停止以及加减速。当程序判定允许起重机动作, 付应口输出高电平,光 电隔离模块放大输出,继电器线圈通电动作。 模拟量输入模块 芯片虽然集成了转换器,但测量范围只有 ,检测范围有限,而 般传感器输出电压均在 或 之间。一旦外部电压过高,很可能烧坏主控芯片 因此必须设计独立的模拟量输入模块电路。 是位高速转换器其内置采样保持电路、参考电压和时钟电路,其三态 输出缓冲器可以方便与微处理器接口。为便于模拟量输入端口的扩展,实现多路采集, 本系统采用多路选择开关。 是单通道数字控制模拟电子开关,有、和三个 进制控制输入端以及共个输入,只有低导通阻抗和很低的截止漏电流。模拟量输 入电路如图所示。 山国武技记文在 V2D16 图模拟量输入电路 相序检测模块 在使用三相交流电动机时,需要知道所连接三相电源的相序,若相序不正确,则电动机 的旋转方向将与所需的相反,或导致安全事故。相序检测电路负责对三相电的接线作出判断, 判断当前接线是否存在相序错误或缺相错误。三相交流电三相经过二极管整流、电阻降压和 稳压二极管限幅、整形后分别接入由个与非门组成的逻辑集成电路。若相序正确,输岀端 输出一连串冑期为、脉宽约的方波信号,若相序错误,输出端始终输出低电平 微控制器可通过定时器的输入捕获功能测量脉宽的大小,若输入方波周期、脉宽满 足要求,则相序正桷,若脉宽为零或过大,则相序错误,此吋主控机箱输出紧急停止信号 阻止起重机的运行并及时报警。相序检测电路如图所示。 21121 图相序检测电路 身份验证模块 技术,即无线射频识別技术,是物联网的核心技术。该技术是一种非接触式的 自动识别技术,可通过射频信号识屴特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标 之闩建立机械或光学接触 是物联网应用的重要手段之一,具有读写方使快捷、识别 速度快、存储容量大、使用寿命长、可动态更改数据、防伪保密性好、环境适应能力强、动 态实时通信、安全环保、形状多样化等优点。即使工作人员卡片丢失,也可以补办新卡 同时修改软件使原卡无法通过验证,以防止盗用。 本系统的身份验证采用控刮器,经接口连接阅读器 控制器的 山国武技记文在 ∏连接 主控芯片模块。当卡片通过验让 控制器通过向主控机箱发送身 份验证通过信号,并将经验证后的电了标签信息由 ∏发送给主控机箱,通过 节点发送至 协调器,最终由嵌入式网关上传至服务器并由服务器存入数据库作为历 史记录以供査询。其具体流程图如图所示 始 卡呼叫 <防碰撞循环 寻卡成功 活所选 三轮认证(指定 扇区 成功 读写块 向主控机箱发送确 认信号及标签信息 休眼卡片 身份验沚模块流程图 应力与环境监测节点 对起重机的监控和管理,除了由主控机箱检测载荷、运行时间等起重机自身运行状态信 息外,还必须考虑到起重杋主梁应力以及起重机的运行环境,环境因素主要考虑风载荷、烟 雾、粉尘、温度和湿度等方面。风速过大会使起重机所吊重物产生摇摆,不利于起重机的装 卸作业,而且风力会给起重机増加额外载荷,严重时会影响起重机的安全运行。过高的温度 会使电子设备产生过多的热量,损坏电子元器件,而温度过低则容易出现结霜现象,易引起 短路。同时,湿度过髙容易造成金属锈蚀,湿度过低则容易产生静电。而粉尘和烟雾浓度过 髙会引起爆炸,威胁设备和使用人员的安全。其中,主梁应力检测采用粘贴应变片,配合全 桥惠斯通电路及差分运敚电路,实现模拟电压信号输出。风速传感器采用三杯式风速传感器, 输出 电流经电压跟随器实现模拟量电压输入。粉尘传感器采用夏普公司生产的型 号为 光电型粉尘传感器,该传感器利用光的反射原理来检测粉尘颗粒的浓 度,直接输出 的模拟量信号。烟雾传感器采用 系列传感器,该传感器内部使 用气敏材料二氧化锡 当空气中存在烟雾时,传感器的电导率随烟雾浓度的増大而増 大,配合内部相关电路即可将电导率的变化转换为亐烟雾浓度相对应的电压信号。温度传感 器采用 传感器,测量温度范围为 ℃,精度为.℃;湿度传感器采用 数字复合传感器,该复合传感器内部包括有个电阻式感湿元件和个高性能位 单片机。温度和湿度传感器均采用单总线结构以数字信号进行输岀,具有简洁且经济的特点 山国武技记文在 协调器 协调器是 网络的中心节点,负责建立 网络并完成整个网络的参数 配置。由于本系统以 协调器模拟 主站 协调器需要对各节点发送数 据请求,等待接收节点的反馈信息并进行解析处理。通过设定定时器及其对应事件,协调器 可周期性将接攻到的 终端网络数据发送至嵌入式网关 协调器程序流 程图如图所示。 开始 系统初始化 网络平发送数据 端节点的反 溃数据 <接收未超时 Modbus 验 校验止朔> 圣发送至嵌 入式网关 图 协调器流程图 摄像头终端 摄像头通过接口连接 ,摄像头终端稈序基于和 开发。由 于图像数据量较大,为占用更少的系统资源,避免单独开辟接收线程所带来的资源浪费,此 程序米用异步技术,调用 类套接字。服务器在接收和发送图像数据时, 使用异步通信的方式,使程序处」非阻塞状态,发挥了更大的系统效能,提高了系统的稳定 性。同时,为减少数据流量和保证服务器处理接收图像的及时性,程序每隔采集一张图 像,进而发送到服务器。 嵌入式网关 嵌入式智能网关以 )为核心移植了 操作系统,在 开发平台上进行智能设备程序设计以实现网关功能。本嵌入式网关程序采 用多线程技术,通过开辟两条独立线程,分别与 协调器和服务尜进行通信,完成数 据的接收、解析和发送工作。与此同时,为使」用户根据需求进行定制,木嵌入式网关提供 种与服务器的 通信方案,用户可通过 串行接∏连接模块或 模块 与服务器进行 通信,也可插上网线直接与服务器进行 通信。 方案:网线接入 网线直接接入的可靠性最高,数据传输质量最稳定,可利用 下的 网络编 程接口,轻松实现与服务器的 通信,但必须考虑网线布置问题。 方案: 传输 模块仗用的是 公司的 模块,该模块内置 协议栈,使用 采用串口( (或其他串口设备)通信,实现用户串口、以太网和无 线网三个接口之间的转换。本系统通过板卡在模式下完成对模块配置后 山国武技记文在 模块即可自动通过烙由器连接到服务器。连接服务器成功后,切换模块工作模式 至透传模式,此吋嵌入式网关的串冂设备即可通过模块与服务器通信。但 模块一般只适合于在有的室内使用,对已有覆盖的生产企业可节约使用成本。 方案 传输 模块采用 公司的 模块,同模块相同,该模块也内置了 协议栈,使用模式进行配置、接收信息和发送信息。通信在使用地理范围 上无限制,但是需要安装卡且每月需支出一定的流量费用。 网关程序界面如图所示。 时 故操 网连擦影置 将作记 Wieren 图网关程序运行界面 远程监控平台 远稈监控平台主要由服务器、数据库和客户端程序组成,其中服务器是远稈监控平台的 核心,是用户和设备的桥梁。 数据库 数据库主要对现场采集到的起重机状态信息和环境信息进行存储和维护,并向客户端程 序提供连接接口,以便于向客户提供数据查询和分析服务。目前市场上的目前主流数据库主 要有 以及等 从功能上说, 以及功能最强,可靠性最高,但是软件成本过高,不适合 般的企业使用。 和 成本较低,但在安仝性和稳定性上, 数据 库的可恢复性更好。因为本系统运行于 平 数据库与 和 兼容性更好,因此本系统选择 数据库。 服务器 服务器软件上要负责对摄像头和嵌入式网关发送数据的接收和校验,当服务器接收到终 端网终的数据并对数据进行加工处理后,一方面通过将数据存储至云端的 数据 库,另一方面提供客户端连接,向客户端转发当前实时数据,与此同时时刻准备接受来自 客户端的反馈信息,进而对嵌入式网关发送控制命令。为灾现多客户端同时连接,服务器程 序使用线程池和完成端口模型,该模型解决了并行线程过多导致系统效率降低的问题,能够 充分利用 內核进行调度,大大提升应用程序并发处理能力,通过通知队刎将 实时数据发送至各个客户端,即使很多个客户端同时连接也可保持服务器程序的稳定运行 山国武技记文在 客户端 客户端软件基于单文档稈序设计,为保证客户端与服务器连接的可靠性,本系统 采用连接。本文客户端软件既可接收由服务器发来的实时数据,也可连接云端的 数据库进行历史记录查询。同时,客户端软件也可冋服务器发岀对终端网络的控制 信息,实现远程控制。 系统测试 无线传感器网络数据传输测试 木系统采用 软件监听 无线网络,以温度传感器和湿度传感器为例 协调器模拟的 主站依次向温度传感器节点和湿度传感器节点请求数据。其中,温度 传感器节点的 从站地址事先设定为,湿度传感器节点的 从站地址事先 设定为 如图所示,网终地址为 的协调器节点发送的 温度数据请求,应用层 数据( 帧)位于 段, 请求报文为 ,其中 第宁节为 从站地址;第字节是功能码,此处为功能码,读取保存寄存器值; 第、字节是起始寄存器地上,此处为:第、字节为寄存器数量,此处为;第 字节是校验码。网络地址为 的温度传感器节点的应答报文为 ,其中,第字节为 从站地址;第字节是功能码;第字节是寄存器数 量;第、、、宇节为读取的数据;第、宇节是校验码。在协调器节点收到应 答后继续向网络地址为 的湿度传感器节点发送 的 请求报文,湿度传感器节点回复 的 应答报文,经测试 数据帧封装正确。 Pnbr. Time(us) Frame control field Sequence Dest.Dest.Source MAC payload 4166 Type Sec Pnd AckIeq PA_commr_numberPANAddress Address oD Do FT Fr 00 00 lE DE 00 14 05 00 12=2015574 xAB6BOxESE40x0000 03000000044490 Pnbr. Time(usl Length Iype Sec End Ack. reg PAn_ compEnumberPAN Address Address 48 00 0000 E4 ES 1E 95 Co 14 04 00 08 Frame control field Rx+12834 04927 14060833a40000c00063 的t6 o SloT Pnbr. Time(us) rame cortrol field I SequenceDest Dest MAC payload 5143 Sec End Ack req PAN-comErnumberPANAddressAddress 08 00 FF FF 0000 1E E0 0B 14 05 00 C90903000000044541 正EE P nbr. Time(us) Length Frame control field Sequence Dest. Dest Source MAC payload R+35288 Type Sec End Ack, req PANT_comprnumberPANAddress Address 48 00 00 00 D9 2A 1E OB Co 14 04 00 08 50=424567336DATA Oxe90xABGB Oxd0oo 0x2ADs or 14 0A 09 03 04 10 C000664E Vera1ot aR ME Sec SR DIEE SIEEL 叫[~2HxH 图 网络监听 系统联调 待使件连接完比,启动 协调器,打开主控机箱电源,当主控机箱连接的 模块的黄色灯常亮,表示底层 网络组网成功。主控机箱如图所示。 山国武技记文在 图主控机箱 此时打开服务器程序,开启摄像头和嵌入式网关的通信端口,等待网关和摄像头连接。 在网关和摄像头连接后,服务器程序即可接受多客户端连接 模块和客户端就可连接 到服务器,数据传输开始,此时客户端就可接收服务端传送的数据并向服务器发送控制信息、 如图所示,服务器界面可显示起重机当前运行状态、起重机操作使用记录、视频实时图 像、继电器开关状态和环境状态等多种信息。 网服等器 更运行:139 开次数:2下次数:2 ONNECT D3 START E机益痉 客户报 N:0By:0运作时间0 端端门:Ub 豆词行同问 Dtoe0⊥升次:07次 an transmit 区A机改H向呕A息〖区3迎庶区粉尘1区 ome Narre 50: 21 02007fb cd 20:09:5625c57b330 3.37 120:35;Q057b5cd Li JuYi cH[千 5.06m/s aNOFF ONOFF 量大值 752m/s F[cN王 3.14m/s 〕E03040 图服务器运行界面 客户端软件连接至服务器,通过左端的树形控件可切换至不冋的监控对象。图为风 速在线监测图,可时刻监测当前风速。图为客户端视频实时监控图,接收来自服务器的 实吋图像信息。图为历史薮据査询界面客户端运行界面,选择查看的传感器类型,选定 日期和时间段后,单击“查询”按钮,即可査看所选时间段内钶分钟采集环境数据的平均值。 图为起重机操作历史记录査询界面,可查看某一天内起重机的启动状况及相关使用人员

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