基于物联网的液压泵站远程监控系统设计

郝振兴,康喜富,王基月,杨 瑞

(1.郑州科技学院机械工程学院,河南郑州 450064；2.中车大同电力机车有限公司,山西大同 037038)

0 引言

液压泵站作为液压设备的关键组成部分，广泛应用于各种机械设备中，其性能直接决定着整个机械设备是否能够稳定可靠地运行[1]。一些高压危险场合不适合本地现场操控，如何摆脱地理位置的限制，并对液压泵站进行监控成为亟待解决的问题。目前，大多液压泵站采用本地手动控制或本地上位机控制，本地手动控制费力费时、测量控制精度不高及不能完成泵站的自动化运行，而本地上位机控制不能对泵站进行远程监控[2-3]。因此，采用以STM32F103芯片为核心的控制器、远程监控客户端为远端上位机，结合以太网、云端服务器、4G无线通信等技术，设计了基于物联网的液压泵站远程监控系统。该系统不仅能无线远程对液压泵站进行数据采集和控制，而且还能本地对其运行状态进行监控。

1 系统的总体方案设计

液压泵站远程监控系统由物联网接入与控制平台、智能监控模块和现场仪器仪表组成。物联网接入与控制平台主要由远程监控客户端及云端服务器组成，用来对液压泵站的运行情况进行远程监控。智能监控模块主要由以STM32F103芯片为核心设计的控制器及安卓系统触摸屏(含APP)组成，凭借搭配的安卓系统触摸屏负责本地实现对现场各仪器仪表进行数据采集和控制，并将相关数据通过4G无线通信上传到物联网接入与控制平台。现场仪器仪表主要由压力变送器、流量计、温度变送器、液位计及液压泵组成，压力变送器、流量计、温度变送器及液位计将被测量转换为4～20 mA电流信号[4]上传给智能监控模块，智能监控模块对数据处理后对液压泵及有关参量进行监控。液压泵站远程监控整体系统框架图如图1所示。

图1 整体系统框架

2 系统硬件设计

2.1 主控模块

液压泵站监控系统的主控核心采用嵌入式芯片STM32F103，STM32F103芯片的内核为ARM Cortex-M3，其优势在于性能高、成本低、功耗低。它的最高工作频率为72 MHz，闪存程序存储器高达512 KB，SRAM空间高达64 KB，同时内部还集成了ADC、SPI及CAN等外设和接口电路[5-6]。STM32F103系列芯片因功能强大、功耗低等优势，被广泛应用于各种领域[6-7]。

2.2 人机交互模块

系统的本地显示和监控部分由带有安卓系统的触摸屏实现，触摸屏大小为7英寸(1英寸=2.54 cm)，2 GB DDR3、8 GB存储空间，1路网口、4路串口、4路USB口等，同时该触摸屏也支持4G通信、WiFi通信、蓝牙等通信方式，方便用户输入和查看系统参数、运行数据等。触摸屏与STM32F103之间通过串口连接，并以自定义协议进行通信实现数据的交换。

2.3 数据采集控制模块

系统将传感器输出的4～20 mA标准直流电流信号通过LM358放大器转换成0～3.3 V的直流电压信号，以供STM32F103进行采集，其电流电压转换原理图如图2所示。STM32F103单片机根据所采集的信号和控制策略，依靠其内部的DAC转换器及其外围电路输出0～10 V的直流电压信号给变频器，从而实现对液压泵的控制。

图2 电流电压转换电路

2.4 4G模块

系统通过4G模块和云端服务器进行无线通信，远程客户端与云端服务器连接进行报文交换，完成了对液压泵站的远程监控。4G模块选用的是SIM76000CE-L，模块采用SMT封装，可以满足各种紧凑型产品的设计需要。该模块支持中国移动、中国联通、中国电信的4G、3G、2G网络通信，上行最大传送速率为50 Mbps，下行最大传送速率为150 Mbps，同时也支持UART、USB2.0等接口通信。这使该4G模块适合应用于液压泵站的远程监控，4G模块和STM32F103通过UART串口相连进行数据传输。4G模块传输电路实物图如图3所示。

3 软件设计

3.1 智能监控模块程序设计

智能监控模块程序主要包括STM32F103控制器程序和安卓系统触摸屏程序APP。STM32F103控制器程序在Keil uVision5开发平台中采用C语言编写，编译生成hex文件后通过Jlink烧写软件将其烧写进STM32F103中。STM32F103控制器程序设计主要包括现场仪器仪表的数据采集控制程序、数据处理程序、串口通信程序、4G无线通信模块报文传输程序等[8]。安卓系统触摸屏程序APP采用JAVA语言进行设计，APP通过调用触摸屏内部的串口设备建立与STM-32F103控制器的通信后，实现对传输数据的处理、显示等。通过XML布局文件进行本地监控界面的设计。智能监控模块主要对现场仪器仪表的运行状态进行实时监测、控制等。智能监控模块通电后首先进行系统的初始化，接着需对系统进行参数设置，然后对各传感器进行数据采集与处理，泵流量控制算法根据采集的流量值对液压泵输出的流量进行控制，直至达到设定值，同时，STM32F103芯片把数据发送到4G无线模块SIM76000CE-L，经4G无线模块将数据上传到云端服务器中，智能监控模块程序流程图如图4所示。

3.2 物联网接入与控制平台程序设计

3.2.1 云端服务器程序设计

云端服务器选择B/S开发架构作为服务器和远程监控客户端之间通信的开发架构，主要包括服务器和远程监控客户端的数据交换，应用MySQL数据库技术存储和提取报文数据等。当智能监控模块发送的数据被云端服务器接收时，对数据进行存储，然后远程监控客户端将存储的数据直观地显示在客户端的人机界面上，从而完成服务器和客户端的交互。图5为云端服务器的程序流程图。

图5 云端服务器程序流程图

3.2.2 远程监控客户端程序设计

远程监控客户端程序基于HTML5+CSS3+JavaScri-pt[9-10]进行设计，静态样式的设计以HTML5为基础使用CSS3完成，界面的动态特性使用JavaScript完成，从而使远程监控客户端界面更加美观友好。远程监控客户端界面主要包括系统首页、系统设置、系统管理员模式、数据管理、报警管理、智能监控、设备管理。图6为远程监控客户端结构框图。

图6 远程监控客户端结构框图

4 系统测试

为了充分验证监控系统的性能，需搭建试验平台对所研制的监控系统进行测试。将研制的智能监控模块安装到液压泵站上，同时将压力、流量、温度、液位等传感器安装到对应的位置，然后上电进行系统测试，在安卓系统触摸屏上和远程监控客户端同时对液压泵站进行监控。经测试表明该系统能够对液压泵站中的压力、流量、温度、液位各参数进行监测，且能够对泵的输出流量自动控制。将研华USB-4716多功能数据采集板卡采集的压力、流量、温度、液位信号作为标准值，并与研制的智能模块采集的对应值进行对比，其监控实验数据对比如表1所示。

表1 监控实验数据表

由表1可知，压力最大误差为0.03 MPa，最大相对误差为0.82%；温度最大误差为-0.1 ℃，最大相对误差为-0.31%；液位最大误差为-0.14 %，最大相对误差为-0.19 %；流量最大误差为-0.13 L/min，最大相对误差为-0.33 %。则系统最大相对误差为0.82%，最低控制精度可达-0.75%，相对误差和控制精度满足小于±1%的要求。

本地安卓系统触摸屏和物联网接入与控制平台的监控界面分别如图7、图8所示。同时结合图7、图8可知，液压泵站提供的流量比较稳定，且流量可在0～40 L/min范围内经自动控制算法调节后自动达到设定值；提供的压力为0～5 MPa；油箱中油的温度保持在30～35 ℃；油箱中油的液位保持在油箱高度的75%左右。液压泵站运行状态良好，其各项参数均处于正常工作范围内。

图7 人机控制交互界面

图8 物联网远程监控界面

5 结束语

本文设计了液压泵站的实时远程监控系统，该系统基于物联网技术，并利用各传感器对液压泵站的运行状态进行实时监控。通过安卓系统触摸屏实现了对液压泵站的本地监控；经4G无线通信将各数据上传至物联网接入与控制平台中，最终完成对液压泵站的远程监控及存储数据等功能。系统测试结果表明：该系统能够对液压泵站中的压力、流量、温度、液位各参数进行监测，且能够对泵的输出流量自动控制，系统最大相对误差为0.82%，控制精度可达-0.75%，满足小于±1%的要求，为液压泵站的故障诊断及预测提供了一定的依据。目前，该系统已在某公司得到良好的应用。