基于窄带物联网的电动执行器监控系统设计

2022-03-15徐善智张晓荣乔凌霄蒋卫东

仪表技术与传感器 2022年2期

徐善智，张晓荣，乔凌霄，蒋卫东，杨智

(1.山西能源学院电气与控制工程系，山西晋中 030600；2.山西好利阀机械制造有限公司，山西侯马 043000)

0 引言

电动执行器广泛应用于石油、化工、电力、环保等领域，是实现管道阀门控制的重要装置，其性能的优劣不但直接影响管道中流体压力和流量的控制精度，而且也影响到整个控制系统的可靠性和稳定性[1-2]。

近年来，科研人员在电动执行器的研究和设计上做了大量工作，极大地缩小了与国外产品的差距。其主要工作集中在采用机电一体化结构取代分体式结构，利用嵌入式技术实现高级的控制算法，进而在提高系统集成度和可靠性的基础上，有效地减小系统的控制误差[3-5]；并且引入MODBUS、CAN、PROFIBUS-DP等现场总线技术取代传统开关量和模拟量的点对点传输，实现电动执行器的远程控制和故障监测等功能[6-9]，满足了我国工业自动化的控制需求。

窄带物联网(narrow band internet of things，NB-IoT)被国际电信联盟纳入5G标准，是一种针对大规模物联网设计的低功耗广域网(low power wide area network，LPWAN)技术。NB-IoT占带宽180 kHz，支持独立部署、LTE保护带部署和LTE带内部署3种网络部署方式，能够直接部署在2G、3G、4G网络上，具有广覆盖、大连接、低功耗、低成本，穿透性能强等优点[10-12]。因此，在5G物联网的时代背景下，开发设计基于NB-IoT的电动执行器监控系统具有实际意义。

1 系统总体设计

基于NB-IoT的电动执行器监控系统总体架构分为感知控制层、传输层、云平台层、应用层，如图1所示。

图1 监控系统总体架构

感知控制层负责采集执行器的开度数据，以及管道内流体的压力、温度、流量数据；传输层将各类数据通过NB-IoT通信技术上报物联网平台，并将控制命令下发至设备；云平台层提供协议适配、数据存储分析等功能，是链接应用端和设备端的纽带；应用层是指移动APP设计。通过建立各个模块与后台数据库之间的联系，从数据库中存取数据，实现在手机端对执行器运行状态及其周围环境参数的实时查询，当检测到异常信息时，系统会自动发出警报并进行相应的提醒，并远程控制执行器动作。

2 终端设备硬件设计

终端设备硬件主要由STM32主控模块、电源模块、NB-IoT通讯模块、人机接口模块、数据交互模块组成。其硬件结构图如图2所示。

图2 检测系统硬件结构图

2.1 主控芯片设计

主控芯片采用32位内核超低功耗STM32L431RC处理器。该芯片具有256 KB高速Flash存储器，最大时钟频率为80 MHz，有16路12位高速模/数转换器和2路12位高速数/模转换器，带有读写保护机制，有超低的8 nA掉电模式和超低的28 nA待机模式，可在-40～85 ℃环境下正常工作。因此，其性能完全能够满足系统需求。

2.2 电源模块设计

系统电源模块分为直流电源模块和降压电源模块两部分，其原理图分别如图3和图4所示。首先利用NL05-A05整流模块，将220 V的交流电转变为15 V的直流电，然后通过三端稳压器输出3.3 V的直流电，从而满足主控芯片以及其他模块的供电需求。

图3 直流电源模块原理图

图4 降压电源模块原理图

2.3 NB-IoT模块设计

NB-IoT模块选用BC35-G模组，其基于海思芯片，支持全球频段，符合3GPP R14标准，尺寸小，是一款高性能、低功耗的多频段NB-IoT无线通信模块，其电路原理图如图5所示。

图5 NB-IoT模块电路原理图

本文选择的是物联网卡，相关SIM卡电路原理图如图6所示。

图6 SIM卡电路原理图

2.4 人机接口模块设计

人机接口模块由按键、OLED液晶显示屏幕和多功能串口接口组成，用以满足程序调试以及设备状态信息的显示需求。OLED液晶显示屏幕采用12864模块，其具有低功耗、宽电压等优点，与主控芯片通过IIC方式通信。

2.5 数据交互模块设计

数据交互模块分为信息数据采集电路和控制信号输出电路两部分。

由于主控芯片自带模/数转换器，信息数据采集电路将给定的4～20 mA电流信号或0～10 V电压信号转换为对应的0～3.3 V电压信号给主控芯片即可。信息数据采集电路共4路，利用拨码开关电路实现输入端电流信号和电压信号的切换，其中一路的原理图如图7所示，可通过调节电阻R1的大小，对输出电压进行校对。

图7 信息数据采集电路原理图

同样，由于主控芯片自带数/模转换器，控制信号输出电路只需将0～3.3 V电压信号转换为4～20 mA电流信号或0～10 V电压信号。系统只有1路执行器开度控制信号输出，利用1个自锁按钮实现输出信号的电流和电压切换，其电路原理图如图8所示，电阻R9用于对输出信号进行校对。

图8 控制信号输出电路原理图

3 系统软件设计

本设计的系统软件部分主要包括终端设备软件设计、物联网平台软件设计、移动APP软件设计3个内容。

3.1 终端设备软件设计

终端设备软件设计是实现系统控制功能的重要环节。本设计使用LiteOS嵌入式操作系统。系统主程序流程图如图9所示，主要任务包括感知层数据采集任务、数据上报任务、命令接收处理任务。主控芯片USART1的波特率设置为115 200 bit/s，通过ST_LINK接口实现程序的下载及调试工作；USART2的波特率设置为9 600 bit/s，通过发送AT指令，控制BC35-G通信模组实现与物联网云平台的数据信息交互。

图9 系统主程序流程图

BC35-G模组支持PSM(power saving mode)、DRX(discontinuous reception)和eDRX(extended DRX)3种工作模式。本设计对数据实时性要求高，对功耗要求低，所以采用DRX模式，保障设备大部分时间处于在线状态，实时接收云平台下行数据。通信模组在整个系统中作为信息交互的桥梁，连接了感知控制层终端设备与物联网云平台，主要工作流程如图10所示。

图10 模组工作流程图

3.2 物联网平台软件设计

物联网云平台不仅提供设备接入服务，帮助用户快速完成设备联网及行业应用集成，而且为了降低应用侧的开发难度、提升开发效率，向用户开放了API(application programming interface)接口。所以，本设计选用物联网云平台进行设计开发工作。

物联网平台侧的主要工作包括：在平台上开发产品模型，通过JSON格式定义开度、流量、温度、压力和信号强度5个上报属性，以及开度控制1个下发命令；完成以上数据的编解码插件开发并部署，实现二进制格式消息与JSON格式消息的转换，方便服务器使用；在所属资源空间的产品下注册设备，填写设备名称、设备标识码、设备描述等信息，其中设备标识码必须是BC35-G模组上的15位IMEI码。基于以上工作，物联网平台在对感知控制层的终端设备实现信息交互的同时，也能够向应用层开放API接口，实现相应的逻辑业务处理，从而在本系统中起到承上启下的作用。

3.3 移动APP设计

微信小程序具有开发成本低、应用上线周期短、无需用户安装、兼容性强等优点[13-14]，因此，本设计选用微信开发者工具开发应用APP，通过调用物联网云平台开放的API接口，实现对终端设备的注册、管理、查询、下发命令和推送数据等功能，信息交互情况如图11所示。微信小程序在鉴权获得许可后即可使用物联网平台提供的设备接入服务。

图11 应用APP与物联网平台交互图

目前该微信小程序已发布上线，名称为“智能执行器”，其主要应用界面如图12所示。用户在登录系统后，在设备管理界面可通过扫描模组IMEI二维码，实现对设备的注册、查看、删除和修改信息等操作，也可以在设备列表界面，总览设备情况。在设备界面可查看终端设备的信息，并可下发命令，实现对电动执行器开度的远程控制。

图12 应用界面

4 系统测试

在实验室中，将本文设计的终端设备与电动执行器连接，测试接线如图13所示。终端设备向电动执行器输出控制开度的模拟量信号，并采集其反馈的模拟量信号。流量、温度和压力信号接口，用信号发生器进行测试。经过在晋中和侯马两地的多次测试，该系统整体运行稳定，执行器开度控制精确，数据测量准确，手机APP操作便捷，很好地满足了设计要求。