基于物联网的纺纱机监控系统

韩文征 姚晓东 朱超岩 黄煊赫

摘 要：针对传统纺纱设备需要工作人员现场监控的问题，文中结合物联网技术，设计了一种可以利用计算机客户端与手机终端远程获取纺纱机工作参数的远程监控系统，并介绍了系统结构、功能与软件设计。该系统可实现数据存储与管理，移动客户端具有实时查询功能，对于节省人力，及时发现设备故障，提高纺纱设备自动化与信息化具有重要意义。

关键词：物联网;纺纱设备;手机终端;数据存储;远程监控系统;自动化

中图分类号：TP277文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

随着科学技术的快速发展，物联网技术已迅速深入到人们日常生活的多个领域[1]。文献[2]将物联网技术运用于矿山，提出一种矿井突水预警方法。文献[3]将物联网技术应用于农业，提出一种小麦苗情管理系统。文献[4]将物联网技术应用于医学，设计一种血糖监控系统。纺织企业在线监控系统及纺织信息化是我国纺织工业“十一五”规划的重要内容之一[5]，随着纺织业的发展与对纺纱技术智能制造的要求，连续化与智能化是纺纱技术发展的趋势。由于纺纱机分布广泛、数量众多，目前主要依靠人工在现场或监控室对纺纱机进行故障监控，而采用人工现场监控的方式费时费力，维护成本高，且事后排查故障存在较大滞后性，故给工作人员带来不便，容易造成经济损失。实时监控纺纱机的运行状态与工况参数，能够对其进行及时修正，避免不必要的损失。根据纺纱机的运行记录，可提前预估纺纱机故障，存储历史运行数据与报警信息，便于故障分析，提高维修效率。因此，本文将物联网技术与纺纱机相结合，提出一种纺纱机远程监控系统，便于对纺纱机进行实时监控，及时发现故障，从而为纺纱机的可靠运行提供技术保证。

1 系统整体结构设计

本文系统主要由现场监控子系统、数据库子系统与远程监控子系统构成。现场监控子系统主要由传感器、ARM STM32F107芯片及现场工控机组成。传感器将采集到的纺纱机运行数据上传至ARM STM32F107 芯片进行处理，处理后的数据最终通过CAN总线上传至工控机，工控机可通过判断纺纱设备数据实现对现场纺纱设备的控制。通信子系统是连接远程监控子系统及现场监控子系统的桥梁，无线通信模块可以实现远程监控计算机与现场监控计算机的透明数据通信。远程监控计算机既可通过运行组态王软件显示纺纱机运行状况，又可通过其对纺纱机各参数设置上下限，还可将采集到的数据以报表的形式进行存储、分析及汇总，便于管理者对数据进行历史查阅。同时，系统运行过程中的非正常信号可通过手机短消息发送至相关设备维护人员，便于工作人员对设备故障进行及时处理。监控系统总体框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 采集节点设计

数据采集模块主要以STM32F107为核心完成数据采集及控制功能。STM32F107型微处理器是一款采用ARM Cortex-M3核微处理器的性能较强的产品，能够满足高性能、低功耗的要求，被广泛应用于工业生产。其內核工作频率为72 MHz，内置256 KB闪存以及64 KB SRAM，其标准外设包括10个定时器、2个12位A/D、2个12位D/A、2个I2C接口、5个USART接口与3个SPI端口，本身集成了CAN 控制器，可提供高达1 Mbit/s的传输速率，完全满足电路设计要求。采集节点硬件框图如图2所示。

2.2 CAN节点设计

CAN通信节点电路主要由STM32F107与CTM8251T构成。CTM8251T内部集成了CAN收发器及隔离器，在24 V系统中防止电池对地短路，对电磁干扰具有较强的抗干扰性。另外，其TVS管具有防总线过压功能。STM32F107与CTM8251T接口简单，接线方便。CAN通信节点电路图如图3所示。

2.3 无线传输模块

无线传输模块采用ZWG-20AL，这是一款基于GPRS网络的无线数据传输终端设备，能够提供全透明数据通道，可方便地实现远程、无线、网络化的通信方式。该设备具有网络覆盖范围广、组网灵活快捷、运行成本低等优点，可应用于工业监控。其内嵌完备可靠的协议栈，数据全透明传输，用户无需了解复杂的 TCP/IP，PPP等协议，通过该设备即可实现远端监控计算机与现场的透明数据通信。

3 软件设计

3.1 CAN节点初始化

CAN节点初始化主要包括模式寄存器设置、中断方式设置、波特率初始化[6]，以及错误警告、发送优先级模式寄存器设置等。CAN节点初始化流程如图4所示。

3.2 DTU模块设置

DTU的主要功能是把远端设备的数据通过无线方式传送回后台中心。DTU上电后注册到移动的GPRS网络，然后和设置在DTU中的数据中心建立Socket连接。以数据中心作为Socket服务端，DTU作为Socket连接的客户端。建立连接后，前端设备就可通过DTU与数据中心进行无线数据传输。 DTU 组网通信过程如图5所示。

3.3 远程计算机界面设计

本文系统使用组态王软件进行界面设计。组态王软件可运行于Win7系统，开发周期短，工作量小，应用广泛。

登录界面如图6所示。工作人员可通过输入正确的用户名与密码进入监控系统，在用户名或密码输入错误3次后，点击“登录”按钮则系统提示“禁止登录”。点击“重置”按钮可将输入的用户名及密码全部删除。“注销”按钮也可删除用户名及密码，同时退出登录界面。

纺纱机监控系统监控界面如图7所示，包括纺纱机的运行状态、阈值设置、根据实时数据生成的实时趋势曲线、历史趋势曲线、报警记录查询、生成报表六个模块。

（1）状态监控主要对纺纱机运行状态与运行参数进行监控;

（2）阈值设置对纺纱机正常工作范围数值进行设定，当超出阈值时自动进行报警操作;

（3）实时趋势曲线显示纺纱机的工作速度与张力;

（4）历史趋势曲线显示以往纺纱机的工作状态;

（5）报警记录查询负责记录实时报警信息及过去的报警信息，有利于对纺纱机进行故障排查;

（6）生成报表可对关键参数进行记录与存储，并可以打印以便观看。

3.4 手机APP设计

智能手机已广泛使用，具有WiFi与移动通信网络等多种接入网方式，且用户界面友好、易操作。本文系统利用智能手机客户端软件实现数据的监测显示，采用Qt编写手机客户端界面[7]。用户可通过智能手机APP使用电话号码注册用户账号，注册成功并登录后可通过手机界面对监控数据进行查询。

4 结 语

针对纺纱机远程监控的需要，本文研究了纺纱机联网远程监控系统的网络架构，通过DTU模块实现了数据远程传输，利用组态王软件对监控界面进行设计，使用手机APP突破了远程监控的地点限制。实际应用表明，该系统具有成本低、易实现、运行可靠等特点，具有较大的实用价值。

参 考 文 献

[1]李慧，刘星桥，陆晓嵩.基于物联网Android平台的水产养殖远程监控系统[J].农业工程学报，2013，29（13）：175-181.

[2]孟磊，丁恩杰，吴立新.基于矿山物联网的矿井突水感知关键技术研究[J].煤炭学报，2013，38（8）：1397-1403.

[3]夏于，杜克明.基于物联网的小麦苗情诊断管理系统设计与实现[J].农业工程报，2013，29（5）：117-124.

[4]史玉珍，马丽.物联网下的智能血糖监控系统的研究[J].计算机测量与控制，2012 ，20 （2）：89-91.

[5]张得昆，臧衍乐，张星.并条机网络化监控系统的研制[J].棉纺织技术，2007，35（10）：1-4.

[6]张河新，王晓辉，黄晓东.基于STM32和CAN总线的智能数据采集节点设计[J].化工自动化及仪表，2012，39（1）：78-80.

[7]周云科，张恩迪.基于物联网技术的矿井安全监控系统设计[J].传感器与微系统，2014，33（5）：102-105.

[8]吴德平，王晓东.基于ZigBee和Web的机加工车间安全生产监控系统设计[J].物联网技术，2016，6（11）：44-45，48.

[9]吳雅琴，鲁张依婵，张红娜，等.智能手机视频监控系统的设计与实现[J].物联网技术，2018，8（2）：85-87.

[10]陈振.基于MCGS与.NET的纺纱车间信息监控系统的设计与开发[D].青岛：青岛大学，2017.