基于4G技术的工业设备远程感知监测系统研究与设计
2022-05-02杨旭
杨 旭
(安徽电子信息职业技术学院 信息工程学院，安徽 蚌埠 233000)
传统工业中，自动化生产设备的管理和运营主要靠人工经验来判断和维护，该模式消耗了大量的人力和物力，直接导致工业生产领域的成本居高不下，降低了工业产品的社会竞争力.随着工业互联网技术的发展，利用物联网技术实现工业设备运行状态的智能感知和智能管理成为智能制造的新趋势[1].
基于ZigBee协调器和4G无线模块SIM900A的工业设备远程感知与监控系统采用了核心控制单片机、零磁通式电流传感器和无线通信模块，实现了工业设备的状态信息远程采集与感知，大大降低了人力成本和工业生产成本，提高了工业设备的智能化管理水平和管理效率[2].
1 系统总体方案设计
工业设备远程感知与监控系统主要通过随机采集工业设备电源电流工作状态，从而实现工业生产设备的异常检测[3].
该系统主要包括了：①零磁通式电流传感器.实现对电源线中随机电流的数据采集，传感器类型主要分为输出4～20 mA或0～5 V两种类型；②信号预处理.传感采集的模拟数据通过预处理转换成为数字信号；③STM32F103R6T6核心芯片.数据存储与电信号A/D状态转换核心功能，并同时实现工业设备工作状态的电子屏实时显示;④5G通讯模块.工业设备用户可以通过客户端软件界面，利用无线通讯技术，实现工业设备的远程操作命令下发.
该模块打通了工业设备与客户端之间的实时交流数据传输通道，实现了工业设备远程感知与监控系统的整体数据传输.工业设备远程感知与监控系统的整体设计结构如图1所示.
图1 工业设备远程感知与监控系统的整体设计结构
2 系统硬件电路设计
2.1 主控芯片模块
STM32F103R6T6主控芯片通过双信息通道完成对数据预处理模块上传的随机电流信号，通过ADC接口实现模拟信号的采集与数模转换.引脚VDD可以与5G通讯模块的数据传输接口进行互联，并实现远程客户端下发的操作命令解析与信息交互.VSS接口主要实现了多屏幕液晶LCD的界面显示，将工业设备运行状态在监控中心实时显示.同时，STM32F103R6T6芯片高度集成了Flash运算功能，可以实现设备控制主程序和工业设备监测状态数据的存储[4].STM32F103R6T6芯片硬件结构如图2所示.
图2 STM32F103R6T6芯片硬件结构框图
2.2 零磁通式电流传感器技术
一般情况下，传感器的电流转换电路被集成在传感器内部，直接用于采集直流或者交流电数据[5].零磁通式电流传感器使用了闭合结构的磁条芯片，零磁通式传感器件设计在磁片正中心.当随机电流经过张合磁片后，直流或交流电的状态信息数据被传感器感知采集.零磁通式电流传感器的主要功能就是实现工业设备工作时随机电流异常数据的采集.零磁通式电流传感器技术连接方法如图3所示.
图3 零磁通式电流传感器技术连接方式
2.3 信号预处理电路设计
为了尽量实现A/D转换的准确度，信号预设处理系统选用了lm358双功能放大芯片作为电流放大器.另一电路是电压工作放大器，双工作放大器前级电路可实现4～20 mA或0～5 V信号输入的兼容性.在这个系统中，M-I、M-V分别为零磁通式电流传感器信号输出的正极和电压输出[6]，G为传感器信号输出的负极，AD0、AD1为放大器工作后电流信号和电压信号的监测点.信号预处理电路的设计如图4所示.
图4 信号预处理电路设计图
2.4 4G无线通讯模块
本系统采用4G模块的网络透传模式完成客户端远程配置指令的接收与应答数据上传,实现感知前端与远程客户端之间的端到端无线通信[7].ZigBee协调器和4G模块SIM900A结合成网关一起工作，SIM900A 硬件图和远程发送数据流程如图5所示.
图5 SIM900A 硬件图和远程发送数据流程
3 主控软件程序设计
主控程序设计包括主函数、定时器转换、串口收发器、LCD屏显、闪存写入、数据类型转换和指令分析等.以高污染工业空气净化设备滤芯的使用寿命监测为例[8]，系统通电后执行初始化和全局中断功能，以确定闪存是否第一次运行.如果执行第一次操作，默认设置将写入系统配置功能；否则将读取上次使用时存储的闪存设置.当系统检测到过滤器组件处于工作状态时，系统将进入倒计时模式，实时过滤器数据的寿命将存储预设过滤器的初始寿命.远程客户端发送指令和接收到指令后，系统识别分析指令并实时显示在显示屏上[8].如果读取闪存剩余时间，则下载闪存数据.如果更换闪存后设置了指令剩余工作时间，则删除存储闪存.微控制器读取新数据后，显示屏在LCD上显示两通道滤芯设备的工作状态和剩余可用时间.软件流程主结构设计如图6所示.
图6 软件流程主结构设计
3.1 A/D采集转换程序设计
零磁通式电流传感器输出的模拟信号由于电压范围的原因，设计了两路输出模拟信号.该信号经过电流预处理模块的转换后，仍然为两路互不干扰的电压信号.STM32F103R6T6主芯片提供了8路电流输入与输出通道，在A/D采集转换中使用了多通道并行模式，传感器的双路电流信号系统完全满足数据传输与采集要求.数据采集之后A/D转换程序为：
ADC12CTL0=ADC12ON+SHT0 _ 15+MSC ;
ADC12CTL1=SHP+CONSEQ _ 1 ;
ADC12MCTL0|=INCH _ 0 ;
ADC12MCTL1|=INCH _ 1+EOS ;
零磁通式电流传感器的双路数模转换电流数
据与系统正常电流设置阈值对比，可准确判断工业设备运行状态异常与否.判断对比程序如下：
value0=ADC12MEM0 ;
if ( value0>ADValue )
RunInfo.Dev1 _ State=DEV1 _ ON ;
else
RunInfo.Dev1 _ State=DEV1 _ OFF
3.2 串口接收程序设计
为了实现系统远程感知和监管功能，4G数据透传与STM32F103R6T6主芯片串口数据接收与发送程序指令的下发与应答是保障无线传输功能的关键.在指定波特率条件下，利用STM32F103R6T6定时器设计了数据帧接收时长和时隙的接收判定机制,串口通信数据接收判定机制如图7所示.
图7 串口通信数据接收判定机制
串口通信的初始化函数实现了时钟初始化、计时模式初始化和中断响应初始化的设置，其中电流阈值为CCR0=200 Ah.当传感器采集的数据经过预处理之后进入单片机主芯片，系统启动数据接收机制并同时启动计时器.当电流CCR0增至设定值时，定时器启动中断响应并置0.让RecOK=1时，表明传感器采集预处理数据接收完毕，定时器关闭并重置CCR0为初始值.串口通讯定时器机制程序如下：
RecOK=1 ;
TACTL&= ( MC0+MC1 );
CCR0=200
4 客户端软件设计
为了实现传感器采集工业设备数据的参数配置和设备运行状态的可视化，设计了基于零磁通式电流传感器的工业设备远程感知与监控系统的客户端软件.该软件的功能涵盖了交互UI界面、服务器与前端的连接状态、传感器采集参数的设置、跨网数据传输的报文解析协议.客户端软件交互流程、服务器IP设置和网络设置如图8所示.
图8 客户端软件设计流程和后台服务器设置
客户端通过UI可以实现采集预处理工业设备数据状态查看，对传感器采集端进行参数配置和操作指令的下发与收集.客户端软件UI界面如图9所示.
图9 客户端软件UI界面
5 结语
工业设备远程感知与监控系统通过零磁通式电流传感器实现了对电源线中随机电流的数据采集，信号预处理模块实现了传感采集的模拟数据通过预处理转换成为数字信号的过程，STM32F103R6T6数据存储与电信号A/D状态转换核心功能.利用无线通讯技术，4G通讯模块实现工业设备远程操作命令的下发，打通了工业设备与客户端之间的实时交流数据传输通道，实现了工业设备远程感知与监控系统的整体数据传输.
