基于物联网的工业制冷设备远程监测系统设计

2014-08-14刘书伦周观民胡晨田

重庆科技学院学报（自然科学版） 2014年3期

刘书伦周观民胡晨田

(1.济源职业技术学院，河南济源 459000； 2.河南贝迪工业特种制冷设备制造公司，河南济源 459000)

工业制冷设备生产厂家在制冷工程实施完毕后，将投入较大的人力对设备进行日常维护以保证其正常运作。工业制冷设备厂家会建立多个制冷工程，且工程分布于全国各地，维护人员更多时间花费在路途奔波中，实际到现场后处理的可能仅是一个很小的问题，而且工程中发生的问题查找困难，仅按报警项难于溯源到出问题的设备，例如传统控制器报警如冷库温度过高，最终知道的仅是制冷设备运作后的一个表现，而实际哪个制冷设备器件出问题则依然需要逐个排查。工业制冷设备厂家需要一种信息化方案解决上述问题。

物联网技术是互联网技术的延伸和进一步发展，其终端延伸和扩展到了任何物品和物品之间进行信息的交流与沟通。因此，物联网技术的定义是通过射频识别(RFID)、红外感应器、传感器等信息传感设备，按约定的协议连接到互联网进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种新兴的网络技术。

近几年来，物联网应用技术发展迅速，移动互联网应用技术为实现工业制冷设备远程监测提供了技术支持，采用物联网和移动互联网技术的工业制冷设备远程监测系统方便了设备厂家对制冷工程的管理和维护，极大的降低了维修成本。多个制冷工程管理时不用逐一到现场查看设备数据，在任意一台可上网的计算机或者智能终端上就可以完成，同样可以在这台计算机或者智能终端上完成设备或者设备参数的操作任务。

1 系统总体结构

本文设计的工业制冷设备远程监测系统主要由远程监测终端、数据传输网络和远程监测服务器组成，远程监测终端主要完成对制冷设备的实时数据采集与处理，执行远程监测服务器发送过来的查询指令和设备控制指令，远程监测终端集成了移动互联网通信模块。远程监测终端正常工作时通过物联网传感器采集制冷设备的实时运行数据，移动互联网通信模块把设备运行数据通过数据传输网络发送出去，数据传输网络由3G移动通信网络和Internet互联网共同构成，是远程监测终端与远程监测服务器之间的数据传输通道，远程监测服务器是工业制冷设备远程监测系统的中心，负责监测系统中所有感知数据的获取、存储和查询，系统结构见图1[1]。

2 系统各部分设计

2.1 远程监测终端硬件设计

远程监控终端的硬件由嵌入式微处理器、3G移动通信网络模块、液晶显示屏、触摸屏、串行总线和一些必要的外围电路组成，远程监测终端主要监测制冷设备的工作状态、核心部件的电流、蒸发器温度、冷凝器温度、冷库温度、各个部件温度及开关状态等。在工业制冷设备控制板上设置有各类传感器，通过传感器、远程监测终端上的串行总线、数模转换等器件完成现场数据的采集。远程监测终端硬件结构如图2所示[1]。

图1 工业制冷设备远程监测系统结构图

图2 远程监测终端硬件结构图

2.1.1 Cortex-A8嵌入式微处理器架构

嵌入式微处理器对串口接收现场传感器采集的数据进行处理后存储至远程监测终端，需要时可通过移动互联网通信模块发送至远程监测服务器。远程监测终端采用三星公司ARM Cortex-A8内核的S5PV210高性能32位嵌入式微处理。S5PV210处理器是基于ARMv7架构的嵌入式微处理器，是ARM开发的性能最高、最具功率效率的处理器。S5PV210处理器的速率可以在600 MHz和1GHz之间的范围内调节，可满足功耗在300mW以下的嵌入式设备的要求，在S5PV210处理器中的通用异步收发器提供了4对独立的异步串口(UART)I/O端口，供用户获取各类传感器数据，S5PV210嵌入式微处理通用异步收发器电路图如图3所示。

图3 S5PV210嵌入式微处理通用异步收发器电路图

2.1.2 移动互联网通信模块

移动互联网通信模块的主要功能是将采集的运行数据通过3G移动互联网络传送到远程监测服务器。本系统选用中兴通讯生产的MG3732模块作为3G移动互联网通信模块，该模块具有语音、短信和数据业务功能，是一款WCDMA/GSM双模移动互联网通信模块。在移动通信模式下，支持上行链路和下行链路不对称的数据传输，最高速率达3.6 Mbit/s。该模块在通信接口上具有比以往无线通信模块更加灵活的特性，可以支持异步串口(UART) 和通用串行总线接口(USB )，以满足不同主控设备的特性要求。另外，模块内部还集成了标准的TCP/IP协议栈，支持TCP协议和UDP协议传输，可连接到Internet进行网络传输[4]。

2.2 远程监测终端软件设计

远程监测终端采用谷歌公司的Android嵌入式操作系统，Android是一种基于Linux的自由、开放源代码的嵌入式操作系统，主要用于嵌入式设备。Android操作系统具有稳定性、开放性、所有应用程序平等、应用程序间无界限及快速方便的应用程序开发等优点，是目前使用用户最多的嵌入式操作系统，因此在Android操作系统上设计Android应用程序具有低成本、方便系统开发及易于维护等优点[2]。

Android应用程序框架主要分为4 个层次：应用层、应用框架层、虚拟机层及Linux 内核层[5]。处于Android应用程序框架最底层的是Linux 内核层，它为Android应用系统提供进程管理、内存管理及设备驱动等基本程序功能；虚拟机包含必须的C语言程序库文件和Java 程序运行环境，并且提供对应用框架层的支持；应用框架层是Android应用程序开发者最关心的部分，是基于应用框架层所提供的基本框架和API进行程序开发[3]。

针对Android应用开发，Google 发布了Android SDK(Software Developing Kits)。其中包括若干开发工具集和一整套基于Java 开发的API。其后 Google 公司又针对C/C++ 开发者提供了NDK(Native Developing Kits)。NDK开发的程序仍需通过 JNI(Java Native Interface)方式与开发能在一定程度上加快程序运行的速度，但是会增加程序开发的复杂度。

远程监测终端实现了对制冷设备的运行数据的采集、运行参数的控制、数据的移动网络传输等功能，通过Android应用开发平台编写远程监测应用程序实现上述功能。

2.3 远程监测服务器设计

远程监测服务器采用基于Web的远程监测系统，该系统无需安装任何插件就可以在任意联网的计算机、平板电脑和智能手机上运行。远程监测系统分为3个子系统：远程监测与控制子系统；数据存储子系统；客户端接收与命令发送子系统。远程监测与控制子系统负责采集各个制冷设备远程监测终端的运行状况数据，然后传递给数据存储子系统，客户端接收与命令发送子系统是与客户和维护人员直接交互的系统，它负责接收客户和维护人员的操作指令，从数据存储子系统获取监测数据或向其发送控制命令，远程监测服务器架构图如图4所示。

3 结语

将物联网技术应用于工业制冷设备远程监测系统，不仅满足了工业制冷设备厂家的远程监测要求，而且具有结构简单、可靠性高、可扩充性强、建设和使用成本低、实时性强等优点，方便客户和维护人员及时掌握制冷设备的运行情况并做出相应操作控制，该系统为工业制冷设备实现远程监测提供了良好的技术基础，达到了制冷设备生产厂家对设备监测的预期目的，具有一定的推广价值。