基于物联网的多电机监控系统的设计

基于物联网技术的多电机监控系统的设计

丁俊1，王茂祥1，2，李多贵3,王斌1，朱金荣1

（1扬州大学，江苏 扬州 225002；2中国移动通信集团江苏有限公司 江苏 南京210029；3

扬州广播电视总台技术传输中心, 江苏 扬州225009）

摘要：针对目前工业现场对交流电机缺乏有效监控的问题，为实现对交流电机的参数采集和智能监控，设计了基于物联网技术的多电机监控系统。该系统通过传感器测量电机及其所处环境的相关参数，利用无线自组织网络技术将数据传输至以S3C2440为核心的控制中心，采用SimpliciTI协议进行网络通信，并通过GSM模块进行远程数据传输。实验表明，该系统能够准确测量相关参数，及时发现电机的堵转、缺相、三相不平衡等问题，有效保护电机。

关键词：物联网；自组织网络技术；S3C2440；SimpliciTI 协议 中图分类号：TN99 文献标识码:A

Design of multi motor control system based on the internet of things

1，2311

DING Jun1, WANG Mao-xiang , LI Duo-gui,WANG Bin, ZHU Jin-rong,

(1 School of Physical Science & Technology, Yangzhou University，Yangzhou 225002，China；2 China Mobile Group Jiangsu Company Limited，Nanjing 210029; 3 Yangzhou radio and television station technology transfer center ，Yangzhou 225009，China )

Abstract: In view of the present industrial field of AC motor is lack of effective monitoring problems, in order to realize data acquisition and intelligent control of AC motor, the multi motor control system based on Internet of things is designed. The system uses the related parameter sensor measuring parameters which is related to motor and its surrounding environment, and uses the wireless self-organized network transmits the data to the control center, which takes S3C2440 as the core, the network communication based on SimpliciTI protocol, and transmits remote data through GSM module. Experiments show that, the system can accurately measure the relevant parameters, discover blockage, lack of phase, three-phase imbalance problem of motor, and could effectively protect the motor.

Keywords: internet of things; self-organized network; S3C2440; SimpliciTI protocol

0 引 言

目前，我国电机装机总容量已达4亿kW以上，年耗电量达1.2万亿kW?h，占全国总用电量的60%，占工业用电量的80%，数量如此庞大的电机中多数为普通交流电机，在出现异常时没有自我保护能力，而且由于电网质量不稳定、电机老化等原因容易导致电机故障，影响正常生产，甚至危及工作人员人身安全。

目前的多电机监控系统多采用工控机或者PC机与上位机软件相结合的方式[1]，虽然其开发周期短，但是需要占用计算机资源，布线繁琐，价格昂贵，不便于携带。随着应用于传动系统的电动机数量越来越多，如何经济、有效和方便地对多台电机同时进行监控、保护和管理，显的越来越重要。本文基于物联网技术，并结合无线自组织网络技术、全球移动通信(GSM)技术和嵌入式技术，设计了一种多电机监控系统，该系统体积小，价格低，安装简便，并具有远程控制功能。

1 监控系统组成

基于物联网的多电机监控系统采用SimpliciTI网络协议以无线方式进行信息交互，该协议是TI公司推出的针对小型RF网络的专有低功耗协议，能够简化实施工作，降低对微处理器的资源占用[2]。SimpliciTI网络协议由应用层，网络层和射频层组成，支持点对点和星型2种基本网络拓扑结构[3]。本系统采用的星型网络拓扑包括数据中心AP(Access Point)、中继RE(Range

Extender)节点、终端ED(End Device)节点三部分。中继节点和终端节点负责数据的采集、预处理、发送和对电机的直接控制，中继节点同时还负责数据转发工作。数据中心负责网络的管理和协调，它接收所有节点的数据，处理后通过RS232接口发送至监控中心。监控中心以ARM9系列微处理器S3C2440为核心，负责数据的分析、显示等工作，在数据异常时进行声光报警并采取相应措施，同时通过GSM模块提示用户。系统网络拓扑结构如图1所示。

EDEDEDAPREEDREEDEDED

图1 监控系统网络拓扑结构

Fig 1 Monitoring system network topology

2 系统硬件电路设计 2.1硬件电路总体方案

系统硬件电路主要分为监控中心、中继节点和终端节点三部分。由于中继节点和终端节点的硬件电路相同，因此本文只介绍终端节点电路。图2给出了系统硬件电路，其中，监控中心部分包括微处理器S3C2440、射频模块CC1110、显示模块、键盘、GSM模块和报警模块，终端节点部分包括传感器组及信号处理电路、射频模块、电源模块、继电器和交流接触器。

监控中心部分声光报警模块S3C2440微处理器RS232通信终端节点部分电源模块CC1110射频模块触摸屏显示模块GSM模块键盘继电器CC1110射频模块信号处理电路电压传感器电流传感器温湿度传感器热敏电阻交流接触器电机三相交流电源 图2 系统硬件电路示意图

Fig 2 System hardware circuit diagram

2.2终端节点硬件设计

终端节点是直接控制传感器的网络子节点，在系统中有着相当重要的地位[4]。CC1110作为终端节点的核心，负责采集各传感器的输出信号，经过预处理后发送至数据中心。本系统中每个终端节点包含四种传感器：电压传感器、电流传感器、温湿度传感器和热敏电阻。

如图3所示，电压、电流测量电路分别采用型号为HNV025和HS03-25A-NP的霍尔传感器，它们利用霍尔效应及磁补偿原理，被测回路与测试回路绝缘度高，可测量直流、交流、脉动信号。图3(a)所示的电压测量电路中，交流电压经全桥整流后输入传感器，Uout端输出和该交流电压有效值成比例的直流电压。电压跟随器U14A和稳压管D7可以有效防止冲击电压损坏CC1110芯片，运算放大器U14B用于放大电压信号，便于采样。通过三相电压值可以有效判断是否有过压、欠压、缺相等状况发生。图3(b)所示的电流测量电路中，三个电流传感器分别串联在三相电路中，规定电流由IN端口流向OUT端口为电流正方向。当电流为正时，其输出经滤波和运算

放大器U6、U7两级反向放大后，由out1端口输出，out2端口输出为0；当电流为负时，运算放大器U8为同相放大，因此信号由out2端口输出，out1端口输出为0，这样就可以有效的实时测量交流电流大小，并有效区分电流流向，即可判断相序是否正常，三相负载是否平衡。

(a)电压测量电路

(a) Voltage measurement circuit

(b)电流测量电路

(b) Current measurement circuit

图3 电压、电流测量电路

Fig 3 Voltage and current measurement circuit

2.3 监控中心硬件设计

微处理器负责对各个模块的控制和协调工作[5],考虑到功耗、体积和易用性等因素，本系统选用ARM9系列的S3C2440芯片，该芯片具有丰富的片上资源，体积小功耗低，为嵌入式应用提供了低功耗、低成本、高性能的微控制器解决方案。为了保证系统工作的可靠性，复位电路选用专用电压监视芯片MAX811，它稳定性高，功耗低，集成了上电、掉电复位等功能，并可以手动复位 [6]，电路如图4所示。

图4 S3C2440微处理器电路

Fig 4 S3C2440 microprocessor circuit

GSM模块选择包含GSM 基带处理器、GSM 射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF 连接器和天线接口的TC35模块。该模块自带 RS232 通讯接口，可以方便的和微处理器配合，可靠地实现短消息服务，模块有 AT 命令集接口,支持文本和 PDU 模式的短消息。本系统中主要采用文本方式进行远程通信，在电机出现异常时，该模块主动发送短消息到设定号码，详细报告异常情况；若用户向TC35模块中的SIM卡发送短消息，也可达到查询参数和远程控制电机的目的。键盘主要用于对各终端节点参数的设置、查询和电机电源通断的遥控；为了便于用户实时了解电机状态，采用了4 线电阻式触摸LCD，可以实时显示各电机参数；报警模块主要是在电机参数出现异常时发出信号，提醒工作人员。

3 系统主要软件设计 3.1 S3C2440程序设计

微处理器S3C2440是监控中心电路的核心，负责控制作为数据中心的射频模块、GSM模块、触摸屏和报警模块，获得和显示各电机相关数据，同时接受远程控制。系统上电后，S3C2440首先读取系统设置信息，之后向数据中心发出数据采集指令，等待各节点自组织网络，组网成功后获取电机相关数据，在触摸屏上显示；数据异常时，发出报警信号，通过GSM模块发送异常信息到指定手机，并向数据异常的节点发出指令，控制交流接触器断开该电机电源，保护电机。微处理器程序流程图如图5所示。

开始初始化读取设置信息通知AP节点组网报警并发送短消息切断相应电机电源是否有远程控制命令Y执行相应操作NN组网是否成功Y读取数据并显示是否有按键操作YN是否有数据传输N是否有数据异常YYN

图5 微处理器程序流程图

Fig 5 Microprocessor program flow chart

3.2 节点组网程序设计

由于SimpliciTI协议能直接在TI公司出品的CC系列RF芯片SoC上直接运行，因此开发成本低周期短。在 SimpliciTI 协议下，数据中心等待终端节点的连接请求来建立星形连接,多个终端节点加入时采取“先到先得”的原则[7-8]。首先，数据中心验证申请加入的终端节点的Join Token值，若与其自身保存的值相同，则发出允许加入应答帧；之后采用相同的方式验证

终端节点的Link Token值，若仍然相同，则该终端节点加入网络成功，可以进行信息交互。程序流程图如图6所示。

开始初始化N是否有加入请求Join Token值是否相同N休眠Y唤醒Y加入成功休眠NJoin Token值是否相同数据交互Y 图6节点自组织网络程序流程图

Fig 6 Nodes self-organized network program flow chart

4 结论

本文从便捷、安全管理电机的角度出发，设计了基于物联网技术的多电机监控系统，分析了系统的基本原理和软硬件开发流程，并进行了系统测试。经测试，本系统能准确测量相关参数，且通信可靠，能够有效监测电机工作状况，并可以进行远程控制。同时，系统具有安装方便，布线简单，成本低，可扩展性强等优点，具有较好的应用价值。

参考文献

[1]贺安超,刘卫国,马珊.基于CAN总线的多电机嵌入式监控系统设计[J].计算机测量与控制. 2011,19(7):1605-1607,1638.

[2]王斌,赵卉,朱金荣.基于SimpliciTI协议的智能窗系统的设计.电子设计工程, 2013(10): 139-142. [3]曾哲光.基于TICC1110无线传感网络节点的设计与电路优化[D].武汉: 华中师范大学,2012: 7-9. [4]王伟钢,朱杰,施火泉.基于AVR的多功能电机保护器设计[J].微特电机,2014,42(1):31-33. [5]李治斌,邓小芳,张余明,等. 基于Zig Bee技术的智能调光开关设计[J].传感器与微系统, 2014,33(1):60-63.

[6]朱延生,蒋泰,佘智．基于ARM的公交优先控制器的设计[J].广西科学院学报,2012,28(1): 55-58. [7]陈启明.基于PIC单片机的无线遥控移动靶控制系统[J]. 工业仪表与自动化装置.2008(2): 42-44. [8]Andreas M, Nektarios K, Antonis P. Low Energy Online Self-Test of Embedded Processors in Dependable WSN Nodes[J].IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing. 2012,1:86-100.

作者简介： 丁俊（1974.8-），男，江苏扬州，本科，邮编225002，研究方向为电子技术。 王茂祥（1967.6--），男，江苏句容人，中国移动江苏公司研究员级高级工程师，博士，扬州大学物理科学与技术学院兼职硕士导师。邮编210029，研究方向为光电技术。 李多贵（1967.8-），男，江苏扬州，本科，邮编225009，研究方向为电子技术。 王斌（1988.5-），男，江苏徐州，硕士，邮编225002，研究方向为嵌入式系统。 朱金荣（1968.10-），男，江苏靖江，副教授，邮编225002，研究方向为光电技术、自动控制。 基金项目：江苏省教育厅高校科研成果产业化推进工程项目（JHB2012-43）。

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