基于NB-IoT的工业风机远程监控系统

2019-04-24王建祥郝润科

无线电通信技术 2019年3期

王建祥，郝润科

(上海理工大学机械工程学院,上海 200093)

0 引言

近年来，能源危机已经成为了制约国家国民经济发展的一个突出状况[1-3]。大部分工业风机处于长时间恒定功率工作状态，电能浪费较严重，并且由于风机采用人工管理，对于风机的异常情况无法第一时间进行处理，从而存在一定的安全风险。目前，国内外的研究现状表明，通过一些控制器能够对风机的参数进行监测，但是基本还是没有实施对风机的远程实时监测，而且对于一些突发状况还是处于人工检测阶段，并且没有完整的数据统计与分析系统[4]。

为此，本文设计了应用于工业通风机的远程监控系统，能够实现远程实时监控风机的参数，采用的控制器及其他硬件电路也降低了成本。并且风机处于突发状况时，控制器能够第一时间控制风机关闭，节约了时间和人力。

1 系统总体方案

1.1 系统功能总体框架

工业节能通风机远程监控系统需要通过STM32f103采集电机的电压、电流、功率、风量、风压以及风机轴承温度等参数，通过NB-IoT无线通信模块将采集到的数据发送给阿里云服务器，对于异常情况能够第一时间处理并控制相关设备执行，从而达到提高风机节能效率，排除安全隐患，解决工业现场通风机远程监控问题。系统结构如图1所示，主要由上位机和下位机组成。

图1 系统结构框图

1.2 硬件电路总体设计

工业节能通风机远程监控系统的硬件电路主要由以下几部分组成：STM32最小系统单元电路、电源单元电路、电能数据采集单元电路、温度数据采集单元电路、风量风压数据采集单元电路及NB-IoT单元电路[5-6]。系统中电能数据采集单元电路通过SPI总线协议与STM32微处理器进行数据通信。NB-IoT单元电路连接到STM32最小系统电路的USART1,通过TX/RX将STM32接收到的数据传送给后台服务器。测速电路连接到STM32最小系统电路的GPIO上，通过检测高低电平来测量风机的转速。热电偶传感器通过SPI协议将热电偶传感单元采集到的数据传送给STM32微处理器。整个系统的硬件框图如图2所示。

图2 工业节能风机远程监控系统硬件框图

1.2.1 电源单元电路设计

电源单元电路如图3所示，系统设计电路时采用HLK-PM12电压芯片将220 V电压转为12 V电压，TPS54331电源芯片将12 V电压转为5 V电压，AMS1117芯片将5 V电压转为3.3 V[7]。插头和电源芯片之间添加了2 A/8 V的保险丝作为保护，并加入了发光二极管D2作为电源状态指示灯。

图3 电源单元电路

1.2.2 STM32最小系统单元电路设计

图4所示为STM32最小系统单元电路，由下载单元电路、接口单元电路、晶振单元电路和复位单元电路构成。下载单元电路采用SWD下载[8]。由于电能采集等参数采集单元电路连接到STM32最小系统单元电路的SPI1或SPI2，NB-IoT单元电路连接到STM32最小系统单元电路的USART1。

图4 STM32最小系统单元电路

1.2.3 电能芯片采集单元电路设计

电能芯片采集单元电路如图5所示，电能芯片采用ATT7022系列芯片，ATT7022有A,B,C,D,E等系列。此次系统采用了V1P/V1N，V3P/V3N，V5P/V5N三路电流信道和V2P/V2N，V4P/V4N，V6P/V6N三路电压信道[9-10]。通过电流互感器测得每相电流的值，通过电压互感器进行测得电压。

图5 电能芯片采集单元电路

1.2.4 NB-IoT单元电路设计

NB-IoT单元电路如图6所示，采用BC95-B5芯片。此芯片采用LCC贴片封装，方便嵌入到产品应用中。BC95芯片通过RX/TX收发数据，通过USIM卡槽中的电信卡将收到的数据发到服务器上，并且从服务器上收到指令完成相应的操作[10]。通信模块主要包括以下几部分：BC95主控芯片的模块接口、电源供电模块以及USIM卡电路模块。

图6 NB-IoT单元电路

1.2.5 温度采集单元电路设计

温度采集单元采用MAX6675热电偶式温度传感器来采集风机轴承的温度数据。MAX6675是一个K类型的热电偶模块，热电偶传感器主要是转换热电偶电压，通过串行数模转换达到测量温度的目的[11]。该热电偶传感器具有耐高温及测量精度(可达1 300 ℃)高的特点，MAX6675温度采集单元电路如图7所示。

图7 温度采集单元电路

1.2.6 风量风压参数采集单元电路设计

风量风压参数采集单元电路采用红外测速单元电路测量风机转动的速度，然后根据风量与横截面积和转速的关系求风机的风量参数，根据风压与空气密度和风机转速二次方的关系求风压参数。红外测速模块持续向风机发射红外光，当风机上的风扇转过一圈后，红外接收管收到反射的红外光，通过检测高低电平，从而得到风机的转速。风量风压参数采集单元电路如图8所示。

图8 风量风压参数采集单元电路

1.3 系统的软件设计

1.3.1 风机监控终端软件流程图

风机监控终端首先由微处理器STM32通过电能参数采集模块对电能参数进行采集，然后对采集到的电压、电流及有功功率等数据进行保存。随后，微处理器STM32通过热电偶传感器模块采集风机轴承的温度，通过风量风压参数采集模块采集风机的风量和风压，并将采集到的数据保存。最后，BC95将测得的电压、电流、有功功率、温度、风量及风压等参数打包以20 s为间隔发送给远程监控管理服务器，系统工作流程如图9所示。

图9 风机监控终端软件流程图

1.3.2 NB-IoT软件工作流程

NB-IoT模组是一款功耗非常低的无线通信模块，是专门为窄带物联网所设计的产品。NB-IoT模组通过AT指令与服务器进行通信，完成数据的收发。AT指令以AT+命令回车，NB-IoT模组测试AT指令的流程是：① 上电，初始化USIM卡；② 查看是否连接网络，自动寻找网络；③ 激活PDN，获得IP地址，建立PDN连接；④ 进行数据连接，收发客户数据；⑤ 一定时间没有数据传输后，进入PSM状态；⑥ 再次等待客户数据，进入PDN连接。虽然AT指令传输数据的最终结果码有2种格式：数字和字符串。而此次采用的是字符串，因为字符串的通用性更好，更普遍。表1为此次运用的部分AT指令及其注释，图10为NB-IoT软件工作流程。

表1 部分AT指令

AT指令(字符串)说明AT_TESTAT指令测试AT_NCONFIG开启自动找网的配置AT_CEREG查询是否注册成功AT_NBAND查询模块是否设置频段

图10 NB-IoT软件工作流程图

2 实验结果与分析

实物测试主要以STM32f103为核心，通过电能参数采集单元电路、热电偶温度采集单元电路以及风量风压参数采集单元电路采集数据，由NB-IoT模组将数据打包给后台服务器。此次实物测试由于设备的缺乏，无法对3项电进行测试，只能对单相电进行测试，测试数据如表2所示。

表2 电能、温度、风量和风压试验数据

单相电压/V单相电流/A功率/kwh温度/℃风量/cmh风压/kpa2180.190.0252855 200123.122190.190.0252857 600134.062190.200.0262857 600134.062190.200.0262957 120131.83

通过表2可知，实物能够对通风机所需的各个参数进行测量，并利用NB-IoT模组将数据传输给远程管理平台，实现了管理人员对风机运转情况的远程实时监测。同时对于风机运行时的异常情况，监控终端会第一时间做出处理控制相关设备运行，进一步节约管理和时间成本，提高运维效率。阿里云服务器管理平台也能够进行历史数据的查询，为企业用户节能环保提供必要的数据资料。