以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測智能化物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計研究

陳文波，鄭麗歐

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院宣鋼分院，河北張家口 075000）

在社會經(jīng)濟快速發(fā)展，城市化進程不斷加快的影響下，各個領(lǐng)域都積極引進了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以優(yōu)化各多元化系統(tǒng)，工業(yè)領(lǐng)域也不例外。而由于工業(yè)鍋爐的自動化控制水平相對較低，難以就自身實際需求對燃燒與運行狀況進行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以此促使其滿足實際工況。對此，監(jiān)測診斷與自動控制需要全面依賴于工業(yè)鍋爐軟件與硬件設(shè)計，這是現(xiàn)階段節(jié)能減排的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。就既有監(jiān)督管理手段而言，因為工業(yè)鍋爐的容量較小，數(shù)量較大，布點分散，無法實現(xiàn)集中化監(jiān)督管理，在既定區(qū)域范圍內(nèi)工業(yè)鍋爐的基本信息與動態(tài)監(jiān)管等數(shù)據(jù)信息獲取難度比較大，這就直接加大了全面監(jiān)測工作的難度[1]。基于嵌入式技術(shù)的工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測智能化物聯(lián)網(wǎng)終端能夠有效緩解這些問題，主要方式是進行傳感器適當(dāng)安裝，或者采用既有傳感器，進行實時狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和編碼，并及時傳輸?shù)竭h程管理平臺，以此分析基于物聯(lián)網(wǎng)的實時動態(tài)監(jiān)測工業(yè)鍋爐實際運行狀況[2]。

1 工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測系統(tǒng)功能與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 功 能

其一，工業(yè)鍋爐的實時運行功能，全面顯示并集中管理相關(guān)數(shù)據(jù)，并全面加強監(jiān)督管理力度。其二，數(shù)據(jù)趨勢曲線功能，據(jù)此能夠全方位掌握鍋爐運行趨勢與動態(tài)變化，以及實時趨勢和歷史趨勢之間的任何轉(zhuǎn)換，有助于對數(shù)據(jù)變化規(guī)律進行全程追蹤分析，以此找到問題根源。其三，報警提醒與查詢功能，報警信息的獲取有利于進行聲光報警，并根據(jù)相關(guān)規(guī)定與用戶自定義，設(shè)定報警的具體限定值，從而確保報警的安全性與可靠性。其四，多功能報表查詢和打印功能，提供多種形式報表，查詢并導(dǎo)出具體運行狀態(tài)信息，從而為集中化數(shù)據(jù)管理提供幫助。其五，攝像監(jiān)控功能，可以實時監(jiān)控并展示區(qū)域內(nèi)的工業(yè)鍋爐運行狀況，以實現(xiàn)對鍋爐房現(xiàn)場的全方位監(jiān)控[3]。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

首先，利用工業(yè)級別微處理器進行嵌入式工業(yè)鍋爐運行參數(shù)采集體系設(shè)計，以此采集并遠程統(tǒng)一傳輸工業(yè)鍋爐的安全節(jié)能等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。其次，開發(fā)以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的工業(yè)鍋爐運行參數(shù)信號傳輸模塊和協(xié)議。再次，進行音頻視頻信號采集傳輸模塊設(shè)計，確保能夠全過程進行視頻實時監(jiān)測與語音對聊。最后，基于3G無線服務(wù)器，利用此網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)音頻視頻數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸，在輸出端采用硬件或軟件解碼的形式，進行解析，從而實現(xiàn)全方位監(jiān)測[4]。

2 以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測智能化物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計

就實際需求而言，終端需要實時采集現(xiàn)場視頻信息與溫度濃度傳感器數(shù)據(jù)信息，并開啟Web Service 服務(wù)，基于互聯(lián)網(wǎng)幫助瀏覽器或智能手機客戶端提供數(shù)據(jù)信息相關(guān)服務(wù)[5]。客戶在查詢監(jiān)控信息時，還可以利用瀏覽器控制輸出終端I/O點。具體如圖1所示。

圖1 終端系統(tǒng)功能圖

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

工業(yè)鍋爐狀態(tài)遠程監(jiān)測終端硬件系統(tǒng)與其監(jiān)測性能、安全性、全面性、可靠性等息息相關(guān)。根據(jù)功能性能多元化要求，明確硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。

其中，在硬件系統(tǒng)中，主要分為上位機與下位機，主要包含以下幾大模塊。

2.1.1 傳感器

傳感器包含四種，即溫度、壓力、流量、氧量，需要基于工業(yè)鍋爐安裝，并以測溫點溫度范圍值為依據(jù)，選取穩(wěn)定性與可靠性突出，精確度較高，驅(qū)動流程簡化的熱電阻，將其作為測溫傳感器。而其他則應(yīng)選取帶有變送信號傳輸?shù)膫鞲衅鳌?/p>

2.1.2 顯示模塊

顯示模塊基于集成化以ARM 內(nèi)核為輔助的串口TFT 液晶觸摸顯示屏進行展示，其作為硬件系統(tǒng)上位機，通過RS232方式實現(xiàn)和CPU模塊之間的通信。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.3 模擬信號采集模塊

模擬信號采集模塊主要是溫度測量電路與信號采樣電路，選擇帶有數(shù)字量輸出的芯片與四線制PT100之間相互配合，以此精確測量溫測點的溫度。電流模擬信號采樣采用的是I/V轉(zhuǎn)變模式，通過精密度的電阻實現(xiàn)電流信號向電壓信號的轉(zhuǎn)變，然后基于芯片阻抗變換與濾波之后輸出到CPU中的ADC端口，其采樣的精確度較高，滿足既定標(biāo)準(zhǔn)要求。工業(yè)鍋爐系統(tǒng)自帶傳感器信號采集則是采取串聯(lián)差分方式輸入到結(jié)構(gòu)中，從而防止信號發(fā)生中斷，避免對工業(yè)鍋爐系統(tǒng)造成不必要的干擾。

2.1.4 開關(guān)信號采集模塊

這一模塊是安全隔離時提取出來的開關(guān)信號。而開關(guān)量是工業(yè)鍋爐的開關(guān)與報警信息，其中鍋爐的類型不同，則必然會存在差異，采集方式則是通過控制柜繼電器、接觸器、指示燈等進行信號提取，通過光電隔離器采集干接點的開關(guān)信號，通過繼電器與光電隔離器相互配合，以此采集帶電接點開關(guān)信號。

2.1.5 CPU模塊

CPU 模塊主要任務(wù)是采集、控制、計算、通信處理相關(guān)數(shù)據(jù)，采用以ARM Cortex-M3內(nèi)核為載體的芯片。此系列的芯片主要是為了給具備高性能、低成本、低能耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計提供幫助，保留了片內(nèi)外周圍的設(shè)施設(shè)備，其性能和條件都可以較高程度滿足工業(yè)鍋爐狀態(tài)監(jiān)測需要。

2.1.6 串行通信接口電路

串行通信接口電路基于芯片，配合共模電感、自恢復(fù)保險絲等，形成保護性電路，進而為RS485通信道路的實現(xiàn)奠定良好的基礎(chǔ)條件，其抗干擾能力和電磁兼容性比較占優(yōu)勢。

2.1.7 GPRS通信模塊

GPRS 通信模塊通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化接口與無線模塊開展，基于無線模塊的AT指令，實現(xiàn)和ARM微處理器的交互運轉(zhuǎn)。

2.1.8 電源模塊

電源模塊主要是以集成化的AC 轉(zhuǎn)變DC 模塊作為載體，并切實結(jié)合穩(wěn)壓芯片，以實現(xiàn)12 V、5 V、4.2 V等直流電壓，為硬件系統(tǒng)的其他各模塊進行電能傳輸[6-7]。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)計采用的是μC/OS-II 軟件，據(jù)此促進任務(wù)處理與進程控制，此軟件的執(zhí)行率非常高，占用空間較小，而且具備良好的實時性與擴展性，很容易快速轉(zhuǎn)移到各種微處理器中[9]。軟件系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)具體如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于模塊化結(jié)構(gòu)劃分軟件系統(tǒng)，相應(yīng)分配任務(wù)，通過軟件操作系統(tǒng)實現(xiàn)正常有序運轉(zhuǎn)，相互協(xié)同以完成所有任務(wù)。其中，系統(tǒng)管理主要負(fù)責(zé)存儲管理與任務(wù)切換等各種基礎(chǔ)部分。模擬量輸入的任務(wù)是對溫度和氧量等模擬信號進行監(jiān)測與適當(dāng)處理。開關(guān)量輸入任務(wù)則是對各回路開關(guān)量具體運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并作出指定操作。串行通信任務(wù)是實現(xiàn)與外部設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)信息之間的通信處理、傳輸、分析等。GPRS 通信任務(wù)的目標(biāo)是遠程數(shù)據(jù)通信的有效實現(xiàn)，且進一步傳輸接收數(shù)據(jù)信息、控制指令。顯示管理和人機接口則所要承擔(dān)的是對觸摸屏進行實時監(jiān)測，采取相應(yīng)策略加以處理，同時監(jiān)測并響應(yīng)指示燈具體按鈕操作。而在線能效計算任務(wù)融合了各種類型工業(yè)鍋爐能效計算數(shù)學(xué)模型，并嚴(yán)格按照測試規(guī)則進行數(shù)學(xué)模型編制，以監(jiān)測參數(shù)作為依據(jù)，開展各相關(guān)能效參數(shù)計算，依據(jù)工業(yè)鍋爐運行指標(biāo)評價模型對報警信息進行判斷。

上位機人機界面包括六大部分，具體如圖4所示。

圖4 上位機人機界面

3 工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測智能化物聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)的節(jié)能實現(xiàn)

首先，加強高效運行管理節(jié)能，工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測智能化物聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)能夠?qū)I(yè)鍋爐的運行效率進行實時在線反饋，以指導(dǎo)正常運行操作，保證工業(yè)鍋爐的技術(shù)性能與運行狀況良好，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)，從而促使各個環(huán)節(jié)的損失能夠顯著降低，處于最低狀態(tài)，而相反熱效率則上升于最高形態(tài)，進而獲得節(jié)能環(huán)保良好效果。但是，一旦運行數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)任何偏差，監(jiān)測中心的相關(guān)工作人員可以快速發(fā)現(xiàn)問題，采取一定的應(yīng)急措施，并及時利用專家系統(tǒng)進行詳細分析，向企業(yè)傳輸告警信息。另外，通過數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)節(jié)能改造與技術(shù)節(jié)能，例如對工業(yè)鍋爐的運行狀態(tài)進行全程監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)狀況不佳；因為工業(yè)鍋爐結(jié)構(gòu)、技術(shù)、老化等因素，難以采取調(diào)整運行參數(shù)的方式提升運行效率的時候，用戶可以實際情況進行技術(shù)改造[10]。

4 結(jié) 論

綜上所述，基于嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)，進一步設(shè)計并實現(xiàn)工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測智能物聯(lián)網(wǎng)終端，其中以ARM 微處理器與無線模塊為系統(tǒng)硬件的核心組成部分，而μC/OS-II嵌入式軟件則為系統(tǒng)軟件的內(nèi)核，采用液晶觸控屏，引進高性價比模式，實現(xiàn)了信號數(shù)據(jù)采集、GPRS無線傳輸、人機觸控交互、遠程配置監(jiān)管等多元化功能。并且，通過實踐證明，以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)鍋爐遠程監(jiān)測智能化物聯(lián)網(wǎng)終端可以進一步實時監(jiān)測工業(yè)鍋爐節(jié)能與運行狀態(tài)，其具備各種獨特性優(yōu)勢，最為突出的主要是結(jié)構(gòu)十分嚴(yán)謹(jǐn)，集成化程度較高，具備很高的穩(wěn)定性、可靠性、安全性，市場發(fā)展前景良好，值得大力推廣。