基于物联网技术的多电机监控系统的设计

丁俊+王茂祥+李多贵+王斌+朱金荣

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（2015）15?0136?03

Design of multi?motor monitoring system based on Internet of Things technology

DING Jun1， WANG Maoxiang1， 2， LI Duogui3， WANG Bin1， ZHU Jinrong1

（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， China）

Abstract： 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 S3C2440 as control core. SimpliciTI protocol is applied to proceeding network communication， and remote data transmission is conducted by GSM module. The experimental results show that the system can measure 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

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、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4 S3C2440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]。首先，数据中心验证申请加入的终端节点的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终端节点的Link Token值，若仍然相同，则该终端节点加入网络成功，可以进行信息交互。程序流程图如图6所示。

图5 微处理器程序流程图

图6 节点自组织网络程序流程图

4 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，分析了系统的基本原理和软硬件开发流程，并进行了系统测试。经测试，本系统能准确测量相关参数且通信可靠，能够有效监测电机工作状况，并可以进行远程控制。同时，该系统具有安装方便、布线简单、成本低、可扩展性强等优点，具有较好的应用价值。

参考文献

[1] 贺安超，刘卫国，马珊.基于CAN总线的多电机嵌入式监控系统设计[J].计算机测量与控制，2011，19（7）：1605?1607.

[2] 王斌，赵卉，朱金荣.基于SimpliciTI协议的智能窗系统的设计[J].电子设计工程，2013（10）：139?142.

[3] 曾哲光.基于TICC1110无线传感网络节点的设计与电路优化[D].武汉：华中师范大学，2012.

[4] 王伟钢，朱杰，施火泉.基于AVR的多功能电机保护器设计[J].微特电机，2014，42（1）：31?33.

[5] 李治斌，邓小芳，张余明，等.基于ZigBee技术的智能调光开关设计[J].传感器与微系统，2014，33（1）：60?63.

[6] 朱延生，蒋泰，佘智.基于ARM的公交优先控制器的设计[J].广西科学院学报，2012，28（1）：55?58.

[7] 陈启明.基于PIC单片机的无线遥控移动靶控制系统[J].工业仪表与自动化装置，2008（2）：42?44.

[8] MERENTITIS A， KRANTIS N， PASCHALIS A， et al. Low energy online self?test of embedded processors in dependable WSN nodes [J]. IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing， 2012， 9（1）： 86?100.