基于物联网平台的海上风机除湿设备监测系统设计

龚思远，邓 博，魏英杰，郭志涛，陈中林

(1.河北建设投资集团有限责任公司，河北石家庄 050051；2.河北工业大学，天津 300401)

0 引言

海上风机长期工作于高湿、高盐环境。风机内部金属设备、设施极易发生腐蚀[1]。一般而言，金属腐蚀的相对湿度的临界点是45%～50%，超过界限就会发生腐蚀现象，而且随着相对湿度的升高，腐蚀速度会加快，一旦钢铁上有结露发生，腐蚀过程会更加迅速。通过调研，目前风场风机分布分散，每个风机根据情况不同配有1台或多台除湿机。实时监控除湿机工作状态，确保风机工作环境相对湿度低于40%。除湿机工作状态的良好率是塔筒内部风机设备防腐蚀的重要保障。海上风电系统运行维护的过程中，其主要的特征就是很容易受到天气环境的影响，一旦环境恶劣就会影响维保人员的定期巡检，故障发生不能及时发现，造成经济损失。所以需要研制一种除湿机工作状态实时监测系统，具有风机自动湿度超限提醒、除湿机工作故障报警等功能，及时通知维修人员安排维修计划。

本文详细介绍了一种基于物联网平台的风电除湿机状态监测系统。该系统可实现实时远程监测分布于风场的多个风机设备，并且可以在阿里云物联网平台上查看各个除湿机设备的运行状态、环境温湿度等参数，还可以远程控制设备的采集状态[2]。此外，本文还开发基于微信小程序的设备管理软件，通过蓝牙与设备通信，便于安装调试人员进行设备管理与维护。

1 系统总体设计

1.1 系统结构

系统总体结构上按照物联网体系分为设备传感层、网络传输层和系统应用层[3]，如图1所示。其中在设备传感层研制除湿机工作状态检测设备，采用温度、湿度多组传感器获取除湿设备的工作状态，并将原始采集数据和工作状态判断结果通过WiFi方式，上传到网络传输层。网络传输层采用阿里云物联网平台作为核心，传输层与设备层的连接采用MQTT协议进行通信。同时规定了JSON格式作为物模型的上下行报文格式，利用阿里云物联网平台提供的透传和数据解析功能来减小数据长度，提高通信效率[4]。应用层主要是通过网络层获取感知层采集到的信息，对这些信息进行加工，采用前端浏览器和后端服务器之间的数据交互实现用户数据查询、报表统计展示、远程设备管理、用户权限管理等功能。

图1 系统总体结构

1.2 MQTT协议

网络层与感知层的数据交互，采用MQTT(message queuing telemetry transport，消息队列遥测传输)协议[5]。MQTT是一种基于发布/订阅的异步传输协议，具有轻量、简单、规范、易于实现等优点，适用于M2M通信和物联网等环境。MQTT协议能运行在TCP/IP或其他网络协议，提供有序、可靠、双向连接。其特点包括：使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多消息分发，以实现与应用程序的解耦；对负载内容屏蔽的消息传输机制；提供3种服务质量等级(QoS)；数据传输和协议交换的最小化以减少网络流量；异常中断时通知传输双方。通信过程中，考虑到通信传输可靠性，本文采用最高级别QoS服务等级[6]。

2 系统硬件设计

硬件电路是感知层的物理核心，主要是通过传感器实现对温湿度信息的采集。其基本结构如图2所示。主要由STM32G070芯片、DS18B20温湿度传感器、WiFi模块、蓝牙通信接口、存储电路等组成。

图2 系统硬件结构

2.1 主控芯片

整个系统首先选择用于嵌入式设计的ARM，要求内部资源丰富、性能高、成本低，能满足目标功能的实现和批量生产的要求。在众多MCU中，STM32G070RBT6芯片以ARM Cortex-M0+为内核，包含57个快速I/0口，2个I2C接口，4个UART串口，1个12位ADC，8个通用16位定时器，2个看门狗定时器，2个用于驱动ADC的16位基本定时器，最高工作频率为72 MHz，能很好满足设计要求[7]。图3为STM32G070RBT6芯片最小系统图。

图3 STM32G070RBT6芯片最小系统

2.2 电源电路设计

图4 电源电路

2.3 传感器电路设计

风机站使用除湿机型号为COTEX-CR80B，属于小型标准除湿机[8]。设备参数包括加热功率720 W，总功率780 W，工作电流小于4 A，同时配有DA20湿度控制器进行湿度控制[9]。结构上，该除湿机具有入风和再生风2个风道口，其中入风口温度与环境温度一致，再生风口作为加热除湿后的再生空气出口温度为100 ℃，远高于环境温度。因此布置3组传感器实现对除湿机工作状态检测。第1组传感器包括3个铠装18B20，用于监测入风口温度。第2传感器包括3个铠装18B20，用于监测再生风口温度。第3组传感器采用2个485接口温湿度变送器，用于监测环境温湿度。温度传感器具有IP65的防护级别，温度测量范围-55～125 ℃，测量精度为±0.5 ℃，湿度测量精度为±3%RH[10]。

18B20传感器采用单总线连接方式，能够节省处理器IO资源。温湿度变送器通过485总线实现数据采集，为降低系统功耗采用继电器作为开关设计了变送器供电控制电路。传感器部分电路如图5所示。

图5 传感器电路图

2.4 通信电路设计

海上风机具备WiFi网络基础，WiFi无线技术具有组网灵活、方便、稳定、传输距离远的优点。监测设备可以通过WiFi模块直接联结阿里云物联网平台。设备选用USR-C322WiFi型号模块作为WiFi通信的硬件基础。该模块支持WiFi-2.4 GHz 802.11b/g/n无线标准，能够支持Simplelink/usrlink快速联网配置和网页自定义功能。完全集成的串口转无线TCP/UDP传输功能，串口速率高达1 Mbit/s，支持SSL Client通信,局域网搜索和无线参数设置功能,支持TCP/UDP Client注册包机制。在本文的硬件系统中，WiFi模块通过串口连接到处理器[11]，原理图如图6所示。

图6 USR-C322 WiFi模块电路

此外还加入了BLE蓝牙模块，连接蓝牙进行通信适合短距离范围内的数据传输，这样可以方便的使用手机小程序向设备发送指令，也可以对设备软件代码进行实时升级更新，对于维护人员来说可以方便完成设备检修工作。蓝牙电路部分如图7所示。

图7 BLE蓝牙模块电路

3 系统软件设计

系统软件设计数据主要包括监测设备端设计、用户端界面设计。同时为了便于设备现场调试和数据读取，开发了基于蓝牙的手机端微信小程序。

3.1 监测设备端软件设计

监测设备端软件设计主要包括数据采集、状态判断、数据上传以及程序更新等内容。主要流程分为系统上电与设备初始化、传感器数据采集、数据记录存储和数据整理与上传、设定下次开机时间等部分。

其中，设备依靠板载的实时时钟芯片(RTC)中断拉低，打开电源开关实现系统上电工作，设备初始化包括外围电路初始化和系统状态读取；继而，开始采集多个传感器数据，进行温度差值与环境湿度的分析，得到系统工作状态；生成本次采集数据记录进行本地存储，并开始连接WiFi网络，将数据以JSON格式上传至阿里云IoT平台。最后设定下次的启动时间后自动断开电源系统停止工作，等待下次设备定时唤醒。

此外，还对程序在应用更新(IAP)功能予以实现，通过在处理器程序存储flash区开设Bootloader区和APP区，实现了以蓝牙/WiFi无线通信方式对设备程序进行更新。软件流程如图8所示。

由表6可知，-0.074 mm含量占65%的磨矿细度下，可解离的金矿物占13.56%左右，包裹于黄铁矿、黄铜矿和磁黄铁矿中的金占82.86%，脉石矿物中金约占3.58%。针对此结果，又将黄铁矿和磁黄铁矿分别测其金含量，得到黄铁矿中金含量为22.3 g/t，磁黄铁矿中金含量为3.09 g/t。由此可见，可以通过富集硫化物得到硫精矿，再磁选抑制磁黄铁矿的方法得到金精矿。

图8 硬件电路运行流程图

3.2 微信小程序调试软件设计

微信小程序是一种全新的连接用户与服务的方式，它可以在微信内被便捷地获取和传播，同时具有出色的使用体验，打开微信在小程序中直接搜索即可使用，避免了app需要下载安装的繁琐步骤[12]。小程序具有登录、设备连接、实时监测、参数设置等功能，结构框图如图9所示。

图9 小程序结构框图

在参数设置中，定义了设备号、设备时间、闹钟时间等属性。其中，上次开机时间和已存储次数、软件版本、硬件版本和上次系统更新时间可以很方便地供用户查看，以了解设备工作情况和数据信息，其他模块例如网络设置供用户自定义和云平台的连接，系统升级可以完成设备功能的更新，用户也可以提取数据并上传到网络终端，完善设备的日志信息。

3.3 物联网平台设置

本文采用阿里云物联网平台接收除湿设备工作状态监控数据，数据通信的格式需要符合阿里云物联网平台的要求。对于数据的上下行，阿里云物联网平台规定接收的数据格式应采用JSON格式。

在阿里云物联网平台上可以通过新建产品，在产品中定义功能属性和编写数据解析的脚本，然后在对应的产品下新建设备并获得连接该设备的三元组信息(ProductKey，DeviceName，DeviceSecret)，从而使得感知设备能够连接上阿里云物联网平台[13]。设计流程如图10所示。

图10 阿里云物联网设计流程

4 系统测试

系统测试的目的是为了验证模块协调工作能否达到设计指标。蓝牙连接成功之后，就可以按照通信协议对设备发送指令，查看设备状态和传感器数据信息。连接蓝牙之后可以有移动端下发操作命令。进入监控软件下的在线调试，选择设备并进行相应的参数设置。

在图11中可看到，初始界面分为7个子模块，可以进行设备连接，实时监测数据，系统升级以及其他功能实现，每个参数对应的右侧提供按钮可以进行参数的查看与修改，在实时监测框中可以进行实时传感器数据监测，方便查看设备状态。经过测试，小程序与设备之间通信效率高，速度快，使用方便。

(a)小程序初始界面 (b)数据下发界面

图12展示了在数据查询框中可以进行传感器历史数据的查看，包括除湿机的设备号，日志，以及多个通风管道的温度和环境湿度等数据。

图12 微信小程序查看历史数据界面

云平台提供给用户注册登录功能，方便用户使用。平台管理人员可以查询某个风机设备的数据报表，同时提供历史折线图，准确直观地监控风机内部环境和除湿机的运行状态。系统登录界面如图13所示。

图13 浏览器登录页面

海上风力发电机除湿机远程监控系统已经应用于渤海湾河北建投公司的海上风力发电场，运行状态稳定，测试中某台装置3个月中某天内的折线图如图14所示。根据温湿度历史数据及其变化情况来看，当湿度上升到一定程度，除湿机开始工作，湿度开始降低，温度开始升高，说明除湿机工作正常，处理过的干风提高了环境温度，两种数据变化趋势符合理论预期，系统对于除湿机的状态监测是有效且必要的。

图14 某设备历史数据折线图

5 结论

本文从系统结构、硬件构成、通信标准以及软件运行流程等方面详细叙述了系统设计的全过程，并且通过实际设备完整地运行了整个系统，实现了实时远程监测海上风机内部环境的温湿度和服务器处理温湿度数据信息的功能。由于系统的模块化设计以及预留的多个接口，还可以改进，如在服务器平台上添加控制多次密集采集数据的功能，在硬件部分添加测量电流大小、测量循环风管通风量等功能。系统在使用过程中效率高，成本低，尤其对于海上风力发电来说市场前景广阔。