智能儀表的遠程診斷系統設計概述

楊英翠

摘 要 針對傳統的電動執行機構在銷售過程中出現的現場報修和服務響應模式落后、儀表運行記錄和故障記錄難以及時發送給診斷專家、無法實現專家遠程同屏可視化監控和調整參數等缺點，提出了一種智能儀表的遠程診斷系統，該系統以STM32單片機為主控芯片，同時配有藍牙透傳模塊、數據管理模塊和手機APP客戶端;該系統能夠實現執行機構的歷史數據管理、可視化遠程監控、在線故障診斷以及預防性維護等功能;該系統具有操作簡單、性能穩定、技術先進等優點。

關鍵詞 STM32;數據管理;故障診斷;預防性維護;藍牙透傳;手機APP

Design of intelligent instrument remote diagnosis system

Yang Yingcui

Shanghai automatic instrument co.， LTD.， Shanghai 200072， China

Abstract In view of the traditional electric actuators at the scene of the sales in the process of the repair and backward service response mode， instrument operation records and the records to timely sent to the fault diagnosis expert， unable to realize remote with expert panel visual monitoring and adjusting parameters such as faults， puts forward a kind of intelligent instrument remote diagnosis system， the system the STM32 microcontroller as the main control chip， at the same time equipped with bluetooth passthrough module， data management module and mobile phone APP client;The system can realize the functions of historical data management， visual remote monitoring， online fault diagnosis and preventive maintenance.The system has the advantages of simple operation， stable performance and advanced technology.

Key words STM32; Data management; Fault diagnosis; Preventive maintenance; Bluetooth passthrough; The phone APP

引言

智能儀表涉及數據采樣和設備執行，一旦發生故障，會對工廠生產過程造成較大的影響，所以工廠希望在儀表發生故障時，能快速地解決存在的問題。由于電動執行機構的復雜性和多樣性，用戶往往對儀表不熟悉，無法快速排除，而在尋求儀表廠家幫助時，很多時候信息交流不順暢，廠家無法得到真實的使用情況，造成維修時間較長，對生產造成較大影響。特別是在一些化工、電力、核工業設施等大型工程中更明顯，這些部門都要求生產的穩定性，一旦故障長時間不能排除，將導致災難性的后果。相比之下，通過智能能儀表的遠程診斷系統，將儀表生產廠家和應用廠家之間建立了一個充分溝通的渠道，為新型智能儀表的選型指導、現場人機交互、可視化監控、遠程專家協同故障診斷、基于大數據的預防性維護等提供了新的技術手段， 實現了實時用戶APP、遠程專家APP多屏同步、遠程設置、快速解決儀表使用過程中突發問題，提升售后服務效率，監測產品全生命周期，降低產品運行維護成本、促進企業升級轉型。

1系統總體方案設計

該智能儀表的遠程診斷系統主要由新型智能儀表研制和綜合服務APP兩部分組成。①新型智能儀表研制。針對公司現有電動執行機構和流量計等新型智能儀表系列產品，采用藍牙4.0高速通信技術，實現智能儀表與手機APP數據交互。開發嵌入式應用軟件，擴展儀表自診斷和遠程專家協同診斷技術;②綜合服務APP開發。開發基于云平臺的工業自動化儀表綜合服務手機APP，涵蓋技術咨詢、安裝指導、可視化監控、運行優化、服務報修、實時故障診斷、產品健康評估、預防性維護等應用模塊[1]。

2智能手機APP設計

智能手機APP使用成熟的商用操作系統Android/IOS開發，集成了藍牙技術、云技術，實現了業務層、存儲層和感知層的智能互聯。普通市售智能手機或者平板電腦即可安裝運行，大大提高了用戶的適用性。

基于云平臺的智能手機APP 服務系統業務視圖涵蓋八項主要業務：技術咨詢、安裝指導、可視化監控、運行優化、服務報修、實時故障診斷、產品健康監測和預防性維護。其中，可視化監控指導其他五項業務的協調運行。通過技術咨詢、安裝指導、可視化監控、運行優化、服務報修、實時故障診斷提供的儀表設備保障、人員保障及應急保障，保證執行機構的工作模塊的正確運行。產品健康監測和預防性維護為執行機構提供預防方案和策略，實現一次性產品銷售模式轉變為長期性維護服務模式。

其中，技術咨詢包括發起咨詢、服務響應、專家匹配及選型指導;安裝指導包括發起請求、服務響應、專家匹配及在線指導;售后可視化監控包括設備連接、監控授權、多屏同步、狀態監控、故障報警記錄及維護記錄;運行優化包括參數設置、優化模型加載、動態優化及可視化;服務報修包括發起報修、設置授權碼、服務響應、專家匹配、在線服務及服務評價;實時故障診斷包括現場通信、設置授權碼、專家匹配、在線診斷、遠程授權控制及案例入庫;預防性維護包括歷史數據加載、模型選擇、數據挖掘、維護預測及預防性維護報告。

當智能儀表用戶在使用現場發現產品故障時，可以通過遠程手機APP申請遠程專家實時故障診斷。儀表用戶在遠程手機APP的對應界面發出遠程申請并填寫申請訂單信息，儀表生產廠家通過本地手機APP收到該遠程診斷申請后進行專家分配并設置授權碼實現遠程連接。指定專家和用戶在遠程診斷系統界面可通過視頻聊天、信息或圖片傳輸的形式進行現場通信。指定專家通過遠程可視化監控可以實現快速的在線故障診斷和可視化參數設置，指導用戶解決現場問題[2]。

3智能儀表內部的系統實現

新型智能儀表系統的主控制器采用基于Cortex-M3內核的嵌入式處理器STM32F107為，其具有72MHz主頻，五個USART接口，集成了各種高性能工業標準接口，且STM32不同型號產品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應更多的應用，能夠高效的實現高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用系統開發。

3.1 本地設備數據庫實現

建立本地設備數據庫，支持通過藍牙MAC，設備標簽，序列號等方式檢索及數據庫維護。完善的設備數據庫可以為智能儀表故障診斷和預防性維護提供有效依據，快速響應售后服務，延長產品的使用壽命。

由于智能儀表系統要處理的數據量很龐大導致主處理器內存空間不足，需要外擴一個鐵電存儲器用來存儲掉電后需要保存的歷史數據?？紤]到存儲容量大和使用壽命長的需求，選用鐵電存儲器MB85RS256A。MB85RS256采用串行外圍設備接口，無須備用電池即可保存數據，它使用的存儲單元可用于10^12次讀/寫操作，不需要等待時間。

本地設備數據庫記錄智能儀表的運行數據和統計量數據。數據記錄采用結構體形式進行分類存儲，其中智能儀表的運行方式、故障狀態和控制方式等組成了運行數據結構體，當且僅當這些參數的數據狀態發生變化時才執行一次數據存儲操作，此部分數據采用分頁顯示，最大運行數據記錄數為2000條，分成10頁，最新的數據記錄在第一頁第一條。當被記錄的數據量達到2000時，地址重新回到起始地址處開始計數，采用幀覆蓋的方法依次進行記錄刷新。

鐵電存儲器總記錄條數、電機總運行時間、產品總上電時間、開/關方向電機總啟動次數和電機每小時最大啟動次數等組成了統計數據結構體，此部分數據采用一次性存儲模式[3]。本地數據庫的程序框圖如下：

3.2 藍牙透傳系統

智能儀表和手機APP之間通過藍牙透傳技術進行數據交互，數據傳輸格式采用標準Modbus通信方式，數據結構保持一致方便擴展。數據管理過程中采用了嚴格的數據保護手段，為了防止通信過程中數據被沖掉采用了三重保護：軟件保護、硬件保護和標準MODBUS的CRC校驗。

藍牙透傳系統由無線藍牙模塊實現，用串口進行控制，直接控制模塊芯片寄存器就可以實現無線收發，且滿足標準的無線藍牙協議4.0，它具有簡單，易用，開發速度快，且可以用智能手機來實現控制等優點。同時，藍牙4.0最重要的特性是省電，極低的運行和待機功耗可以使一粒紐扣電池連續工作數年之久，此外，還有低成本和跨廠商互操作性，3毫秒低延遲、AES-128加密等諸多特色。

藍牙手機客戶端為主站，執行機構為從站。用戶產品通過藍牙透傳模塊與手機APP進行雙向通信，也就是藍牙透傳模塊把從用戶產品那里接收到的數據或命令原封不動地傳給手機APP，同樣藍牙透傳模塊把從手機APP那里接收到的數據或命令原封不動地傳給用戶產品，從而通過藍牙模塊這個中介實現了用戶產品和手機之間的無線數據傳輸。

本地數據庫可通過藍牙透傳技術與智能手機APP進行數據交換，記錄的數據可在手機APP顯示界面上顯示，并可記錄下載，在產品出現故障時，可以通過事件記錄了解產品在故障發生時以及故障發生前的產品運行情況，為執行機構的預防性維護與故障診斷提供全面的數據采集和分析[4]。

4結束語

智能儀表的遠程診斷系統均會集成先進的數據記錄器。它可記錄各種環境下的產品運行情況，記錄應用環境的工藝參數及其對產品運行的影響;所有關鍵的運行數據都被監控并保存，例如動作次數、報警記錄、操作記錄等，至少可保存1周，記錄在帶時間戳記的事件報告中。此外，可以記錄和監控力矩曲線，以便檢查智能特性是否發生改變，可根據變化提示是否要進行預防性的維護。

智能儀表還可通過藍牙技術與智能手機APP進行數據交換，可全局檢查設備的組態參數，包括各種數據處理及圖形的繪制，并可記錄下載，記錄的數據可在顯示屏上顯示，同時手機APP 可通過藍牙技術將執行機構內部數據讀取，并進行故障診斷，或將手機APP上的數據通過網絡發送給技術部門，技術人員用專用的軟件來進行分析，遠程提供技術支持。在產品出現故障時，可以通過事件記錄了解產品在故障發生時以及故障發生前的產品運行情況，可為電動執行機構的計劃保養與故障排除問題提供全面的數據采集和分析[5]。

智能儀表的遠程診斷系統的使用，將儀表生產廠家和應用廠家之間建立了一個充分溝通的渠道，使兩者之間的信息交流更為全面和快捷，能快速診斷自動化儀表現場故障，并提供解決方案，提升了企業售后服務效率，實現了快速的售后服務。

參考文獻

[1] 趙培宇，李其華.FRAM鐵電存儲器的應用[J].江漢大學學報（自然科學版），2004（3）：52-55.

[2] 佚名.Modbus的使用說明詳解[ED/OL]. https：//wenku.baidu.com/view/256de978974bcf84b9d528ea81c758f5f61f29d1.html，2017-11-10.

[3] 周琛暉.藍牙技術及應用簡析[J].中國新通信，2008（21）：68-70.

[4] 佚名.走進藍牙4.0[J].電腦知識與技術，2013（5）：97-99.

[5] 葛二靈.基于云計算的設備遠程故障診斷中心的設計與實現[D].南京：南京理工大學，2014.