基于物联网技术的多电机监控系统的设计

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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
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
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
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。
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。
第 15 期
丁 俊，等：基于物联网技术的多电机监控系统的设计
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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。
收稿日期：2015⁃02⁃02 基金项目：江苏省教育厅高校科研成果产业化推进工程
项目（JHB2012⁃43）
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
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 com⁃ munication，and remote data transmission 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.
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
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。
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Leabharlann 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
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。
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 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。
2015 年 8 月 1 日 第 38 卷第 15 期
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现代电子技术 Modern Electronics Technique
Aug. 2015 Vol. 38 No. 15
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 李多贵 3，王 斌 1，朱金荣 1
（1.扬州大学，江苏 扬州 225002；2.中国移动通信集团 江苏有限公司，江苏 南京 3.扬州广播电视总台 技术传输中心，江苏 扬州 225009）