基于物联网的多电机监控系统的设计

摘要：针对目前工业现场对交流电机缺乏有效监控的问题，为实现对交流电机的参数采集和智能监控，设计了基于物联网技术的多电机监控系统。该系统通过传感器测量电机及其所处环境的相关参数，利用无线自组织网络技术将数据传输至以S3C2440为核心的控制中心，网络通信采用SimpliciTI协议，并通过GSM模块进行远程数据传输。实验表明，该系统能够准确测量相关参数，及时发现电机的堵转、缺相、三相不平衡等问题，有效保护电机。
关键词：物联网；自组织网络；S3C2440；SimpliciTI 协议
0 引 言
目前我国电机装机总容量已达4亿kW以上，年耗电量达12000亿kW•h，占全国总用电量的60%，占工业用电量的80%，数量如此庞大的电机中多数为普通交流电机，在出现异常时没有自我保护能力，而由于电网质量不稳定、电机老化等原因容易导致电机故障，影响正常生产，甚至危及工作人员人身安全。
目前的多电机监控多采用工控机或者PC机与上位机软件相结合的方式[1]，虽然开发周期短，但是需要占用计算机资源，布线繁琐，价格昂贵，不便于携带。随着应用于传动系统的电动机数量越来越多，如何经济、有效和方便的对多台电机同时进行监控、保护和管理具有越来越重要的应用价值。本文将无线自组织网络技术、全球移动通信(GSM)技术和嵌入式技术相结合，设计了一种多电机监控系统，该系统体积小价格低，安装简便，并具有远程控制功能。
1监控系统组成
基于物联网的多电机监控系统采用SimpliciTI网络协议以无线方式进行信息交互，该协议是TI公司推出的针对小型RF网络的专有低功耗协议，能够简化实施工作，降低对微处理器的资源占用[2]。SimpliciTI网络协议由应用层,网络层和射频层组成，支持点对点和星型2种基本网络拓扑结构[3]，本系统采用的星型网络拓扑包括AP(Access Point数据中心)、RE(Range Extender中继)、ED(End Device终端)三部分，中继节点和终端节点负责数据的采集、预处理、发送和对电机的直接控制，中继节点同时还负责数据转发工作，数据中心负责网络的管理和协调，它接收所有节点的数据，处理后通过RS232接口发送至监控中心。监控中心以ARM9系列微处理器S3C2440为核心，负责数据的分析、显示等工作，在数据异常时进行声光报警并采取相应措施，同时通过GSM模块提示用户。系统网络拓扑结构如图1所示。
2系统硬件电路设计
2.1硬件电路总体方案
由于中继节点和终端节点的硬件电路相同，因此本文统称为终端节点。系统硬件电路主要分为监控中心和终端节点两部分，系统硬件电路示意图如图2所示，监控中心部分包括微处理器S3C2440、射频模块CC1110、显示模块、键盘、GSM模块和报警模块，终端节点部分包括传感器组及其信号处理电路、射频模块、电源模块、继电器和交流接触器。
在节点设计中采用了TI公司的低功耗SOC芯片CC1110，该芯片集成了数模转换器ADC、RF射频发射器和工业级增强型8051内核，其RF性能优异，能够满足433M、868/915MHz的ISM波段对低成本低功耗的要求，最大输出功率可达10dBm，最大数据率可达500kbps[4]。射频模块电路如图3所示，电容C1-C7为电源去耦电容，T1为天线，Y1和Y2分别为高速晶振和休眠低速晶振。CC1110芯片的最佳差分阻抗为 [5]，模块中利用阻抗匹配电路将其转换为标准天线阻抗50Ω，模块采用JTAG接口进行下载和调试。
2.2终端节点硬件设计
终端节点是直接控制传感器的网络子节点，在系统中有着相当重要的地位[6]。CC1110作为终端节点的核心，负责采集各传感器的输出信号，经过预处理后发送至数据中心。本系统中每个终端节点携带四种传感器：电压传感器、电流传感器、温湿度传感器和热敏电阻。
如图4所示，电压、电流测量电路分别采用型号为HNV025和HS03-25A-NP的霍尔电压、电流传感器，它们利用霍尔效应及磁补偿原理，被测回路与测试回路绝缘度高，可测量直流、交流、脉动信号。图4(a)所示的电压测量电路中，交流电压经全桥整流后由Uin1和Uin2输入，Uout输出和该交流电压有效值成比例的直流电压。电压跟随器U14A和稳压管D7可以有效防止冲击电压损坏CC1110芯片，运算放大器U14B用于放大电压信号，便于采样。通过三相电压值可以有效判断是否有过压、欠压和缺相等故障发生。图4(b)所示的电流测量电路中，三个电流传感器分别串联在三相电路中，规定电流由IN端口流向OUT端口为电流正方向。当电流为正时，其输出经滤波和运算放大器U6、U7两级反向放大后，由out1端口输出，out2端口输出为0；当电流为负时，运算放大器U8为同相放大，因此信号由out2端口输出，out1端口输出为0，这样就可以有效的实时测量交流电流，并有效区分电流流向，结合三相电流的大小和变化趋势，即可判断相序是否正常，三相负载是否平衡。
工业现场的环境一般比较恶劣，电机所处环境的温湿度过高容易加速电机的锈蚀和老化，因此，环境的温湿度监测也很重要。系统采用Sensirion公司的温湿度传感器SHT75，体积小，功耗低，稳定性和抗干扰能力强，SHT75对温湿度的测量精度分别达到了±0.3℃和±1.8%RH，精度很高，完全能够胜任工业现场的温湿度测量任务。而电机在堵转、过载等情况下自身温度会异常升高，采用玻壳测温型NTC热敏电阻MF58测量，该电阻测温范围宽，阻温特性好。
由于电机一般采用市电，而节点电路中需要±15V、+5V和+3.3V的直流电，为了方便的为各节点供电，采用开关电源模块产生±15V直流电，再利用三端稳压芯片分别产生+5V和+3.3V的直流电。
2.3监控中心硬件设计
微处理器负责完成对各个模块的控制和协调工作[7],考虑到功耗、体积和易用性等因素，本系统选用ARM9系列的S3C2440芯片，该芯片具有丰富的片上资源，体积小功耗低，为嵌入式应用提供了低功耗、低成本、高性能的微控制器解决方案。为了保证系统工作的可靠性，复位电路选用具有精密电源监控和低功耗特点的专用电压监视器MAX811，它集成了上电复位、掉电复位等功能，并具有手动复位功能[8]，电路如图5所示。
GSM模块选择包含GSM 基带处理器、GSM 射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF 连接器和天线接口的TC35模块。该模块自带 RS232 通讯接口，可以方便的和微处理器配合，可靠地实现短消息服务，模块有 AT 命令集接口,支持文本和 PDU 模式的短消息。本系统中主要采用文本方式进行远程通信，在电机出现异常时，该模块主动发送短消息到设定号码，详细报告异常情况；若用户向TC35模块中的SIM卡发送短消息，也可达到查询参数和远程控制电机的目的。键盘主要用于对各终端节点参数的设置、查询和电机电源通断的遥控；为了便于用户实时了解电机状态，采用了4 线电阻式触摸LCD，可以实时显示各电机参数；报警模块主要是在电机参数出现异常时发出信号，提醒工作人员。
3系统主要软件设计
3.1 S3C2440程序设计
微处理器S3C2440作为监控中心电路的核心负责控制射频模块(AP节点)、GSM模块、触摸屏和报警模块，获得和显示各电机相关数据，同时接受远程控制。系统上电后，S3C2440首先读取系统设置信息，之后向AP节点发出数据采集指令，等待各节点自组织网络，组网成功后获取电机相关数据，在触摸屏上显示；数据异常时，发出报警信号，通过GSM模块发送异常信息到指定手机，并向数据异常的节点发出指令，控制交流接触器断开该电机电源，保护电机。微处理器程序流程图如图6所示。
3.2节点组网程序设计
由于SimpliciTI协议能直接在TI公司出品的CC系列RF芯片SoC上直接运行，因此开发成本低周期短。在 SimpliciTI 协议下，AP节点等待ED节点的连接请求来建立星形连接,多个ED节点加入时采取“先到先得”的原则[9-10]。首先，AP节点验证申请加入ED节点的Join Token值，若与其自身保存的值相同，则发出允许加入应答帧；之后采用相同的方式验证ED节点的Link Token值，若仍然相同，则该ED节点加入网络成功，可以进行信息交互。程序流程图如图7所示。
4系统调试与测试
为了测试系统的性能，测量了三台4KW异步电机稳定运行时的相关参数，其中一台电机的电压电流和温湿度曲线如图8所示，相关参数为：通信频率433MHz，传输速率250kbps，环境温度14.9℃，三相交流电相电压220V。由图可以看出，各项参数测量较为准确。同时，安排了缺相、三相不平衡、堵转、过压、欠压和相序错误等常见的异常状况，系统能有及时有效地检测到异常状况，发出声光报警，切断相应电机的电源，手机能及时收到短消息提示。
5结论
本文从便捷、安全管理电机的角度出发，设计了基于物联网技术的多电机监控系统，介绍了系统的基本原理和软硬件开发流程，并进行了测试。经测试，本系统测量准确，通信可靠，能够有效监测电机工作状况，并可以远程报警和遥控。同时，系统具有安装方便，布线简单，成本低，可扩展性强等优点，具有较好的应用价值。