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 1.2万亿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, 而且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, 甚至危及工作人员的人身安全。

目前的多电机监控系统多采用工控机或者 PC 机与上位机软件相结合的方式[1], 虽然其开发周期短, 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、有效和方便地对多台电机同时进行监控、保护和管理, 显得越来越重要。

本文基于物联网技术, 并结合无线自组织网络技术、全球移动通信 (GSM 技术和嵌入式技术, 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数据中心(Access Point , AP 、中继 (Range Extender , RE 节点、终端 (End Device , ED 节点三部分。

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, 接收所有节点的数据, 处基于物联网技术的多电机监控系统的设计丁俊 1,王茂祥 1, 2,多贵 3,王斌 1,朱金荣 1(1. 大学, 225002; 2. 中国移动通信集团 , 210029;3. 广播电视总台技术传输中心, 225009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, 采用 SimpliciTI 协议进行网络通信, 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; 自组织网络技术; S3C2440; SimpliciTI 协议中图分类号:TN99⁃34文献标识码:A 文章编号:1004⁃373X (201515⁃0136⁃03 Design of multi ⁃ motor monitoring system based onInternet of Things technology DING Jun 1, WANG Maoxiang 1, 2, LI Duogui 3, WANG Bin 1, ZHU Jinrong 1(1. Yangzhou University , Yangzhou 225002, China ; 2. Jiangsu Limited Company of China Mobile Group , Nanjing 210029;3. Technology Transfer Center , Yangzhou Radio and Television Station , Yangzhou 225009, ChinaAbstract :Since industry field is lack of effective monitoring to AC motor , multi⁃motor monitoring system based on Internet of Things was designed to realize parameter acquisition and intelligent control for AC motor. In this system , the motor′s relevant parameters and its surrounding environment are measured by the sensor. By using wireless self⁃organized network technology , data are transmitted to control center , which takes S3C2440as control core. SimpliciTI protocol is applied to proceeding network ⁃ munication , and remote datatransmission is conducted by GSM module. The experimental results show that the system can mea⁃ sure relevant parameters accurately , discover motor′s blocked⁃rotor , lack of phase and three⁃phase imbalance problems in time. The motor is protected effectively.Keywords :Internet of Things ; self⁃organized network technology ; S3C2440; SimpliciTI protocol收稿日期:2015⁃02⁃02基金项目:省教育厅高校科研成果产业化推进工程项目 (JHB2012⁃43理后通过 RS 232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。

图 1监控系统网络拓扑结构2系统硬件电路设计2.1硬件电路总体方案系统硬件电路主要分为监控中心、中继节点和终端节点三部分。

由于中继节点和终端节点的硬件电路相同, 因此本文只介绍终端节点电路。

图 2给出了系统硬件电路, 其中, 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信号处理电路、射频模块、电源模块、继电器和交流接触器。

图 2系统硬件电路示意图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 [4]。

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包含四种传感器:电压传感器、电流传感器、温湿度传感器和热敏电阻。

如图 3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 3(a 所示的电压测量电路中, 交流电压经全桥整流后输入传感器, Uout 端输出和该交流电压有效值成比例的直流电压。

电压跟随器 U 14A 和稳压管 D 7可以有效防止冲击电压损坏 CC1110芯片, 运算放大器 U 14B 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、缺相等状况发生。

图 3(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 U 6, U 7两级反向放大后, 由 out1端口输出, out2端口输出为 0; 当电流为负时, 运算放大器 U 8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大小, 并有效区分电流流向, 即可判断相序是否正常,三相负载是否平衡。

图 3电压、电流测量电路2.3监控中心硬件设计微处理器负责对各个模块的控制和协调工作 [5], 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, 复位电路选用专用电压监视芯片 MAX811, 它稳定性高, 功耗低, 集成了上电、掉电复位等功能, 并可以手动复位 [6],微处理器电路如图 4所示。

图 4S3C2440微处理器电路GSM 模块包含 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RS 232通信接口, 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, 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3.1S3C2440程序设计微处理器 S3C2440是监控中心电路的核心, 负责控制作为数据中心的射频模块、 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, 之后向数据中心发出数据采集指令, 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 5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, 数据中心等待终端节点的连接请求建立星型连接, 多个终端节点加入时采取“先到先得” 的原则[7⁃8]。