基于物联网的纺纱机监控系统

引 言

随着科学技术的快速发展，物联网技术已迅速深入到人们日常生活的多个领域 [1]。文献 [2] 将物联网技术运用于矿山，提出一种矿井突水预警方法。文献 [3] 将物联网技术应用于农业，提出一种小麦苗情管理系统。文献 [4] 将物联网技术应用于医学，设计一种血糖监控系统。纺织企业在线监控系统及纺织信息化是我国纺织工业“十一五”规划的重要内容之一 [5]，随着纺织业的发展与对纺纱技术智能制造的要求，连续化与智能化是纺纱技术发展的趋势。由于纺纱机分布广泛、数量众多，目前主要依靠人工在现场或监控室对纺纱机进行故障监控，而采用人工现场监控的方式费时费力， 维护成本高，且事后排查故障存在较大滞后性，故给工作人员带来不便，容易造成经济损失。实时监控纺纱机的运行状态与工况参数，能够对其进行及时修正，避免不必要的损失。根据纺纱机的运行记录，可提前预估纺纱机故障，存储历史运行数据与报警信息，便于故障分析，提高维修效率。因此， 本文将物联网技术与纺纱机相结合，提出一种纺纱机远程监控系统，便于对纺纱机进行实时监控，及时发现故障，从而为纺纱机的可靠运行提供技术保证。

1 系统整体结构设计

本文系统主要由现场监控子系统、数据库子系统与远程监控子系统构成。现场监控子系统主要由传感器、ARM STM32F107 芯片及现场工控机组成。传感器将采集到的纺纱机运行数据上传至 ARM STM32F107 芯片进行处理，处理后的数据最终通过 CAN 总线上传至工控机，工控机可通过判断纺纱设备数据实现对现场纺纱设备的控制。通信子系统是连接远程监控子系统及现场监控子系统的桥梁，无线通信模块可以实现远程监控计算机与现场监控计算机的透明数据通信。远程监控计算机既可通过运行组态王软件显示纺纱机运行状况，又可通过其对纺纱机各参数设置上下限，还可将采集到的数据以报表的形式进行存储、分析及汇总，便于管理者对数据进行历史查阅。同时，系统运行过程中的非正常信号可通过手机短消息发送至相关设备维护人员，便于工作人员对设备故障进行及时处理。监控系统总体框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 采集节点设计

数据采集模块主要以 STM32F107 为核心完成数据采集及控制功能。STM32F107型微处理器是一款采用 ARM Cortex-M3核微处理器的性能较强的产品，能够满足高性能、低功耗的要求，被广泛应用于工业生产。其内核工作频率为72MHz，内置 256KB 闪存以及 64KBSRAM，其标准外设包括 10 个定时器、2 个 12 位 A/D、2 个 12 位 D/A、2 个 I2C 接口、5个 USART接口与 3个 SPI端口，本身集成了 CAN 控制器，可提供高达 1Mbit/s 的传输速率，完全满足电路设计要求。采集节点硬件框图如图 2 所示。

图 2 采集节点硬件框图

2.2 CAN节点设计

CAN 通信节点电路主要由 STM32F107 与 CTM8251T 构成。CTM8251T 内部集成了 CAN 收发器及隔离器，在 24 V 系统中防止电池对地短路，对电磁干扰具有较强的抗干扰性。另外，其 TVS 管具有防总线过压功能。STM32F107 与CTM8251T 接口简单，接线方便。CAN 通信节点电路图如图 3 所示。

2.3 无线传输模块

无线传输模块采用ZWG-20AL，这是一款基于 GPRS 网络的无线数据传输终端设备，能够提供全透明数据通道，可方便地实现远程、无线、网络化的通信方式。该设备具有网络覆盖范围广、组网灵活快捷、运行成本低等优点，可应用于工业监控。其内嵌完备可靠的协议栈，数据全透明传输， 用户无需了解复杂的 TCP/IP，PPP 等协议，通过该设备即可实现远端监控计算机与现场的透明数据通信。

3 软件设计

CAN节点初始化

CAN 节点初始化主要包括模式寄存器设置、中断方式设置、波特率初始化 [6]，以及错误警告、发送优先级模式寄存器设置等。CAN 节点初始化流程如图 4 所示。

图 4 CAN 节点初始化流程图

3.2 DTU模块设置

DTU 的主要功能是把远端设备的数据通过无线方式传送回后台中心。DTU 上电后注册到移动的 GPRS 网络，然后和设置在 DTU 中的数据中心建立 Socket 连接。以数据中心作为 Socket 服务端，DTU 作为 Socket 连接的客户端。建立连接后，前端设备就可通过DTU 与数据中心进行无线数据传输。DTU 组网通信过程如图 5 所示。

图 5DTU 组网流程图

3.3 远程计算机界面设计

本文系统使用组态王软件进行界面设计。组态王软件可运行于 Win7 系统，开发周期短，工作量小，应用广泛。

登录界面如图 6 所示。工作人员可通过输入正确的用户名与密码进入监控系统，在用户名或密码输入错误 3 次后， 点击“登录”按钮则系统提示“禁止登录”。点击“重置” 按钮可将输入的用户名及密码全部删除。“注销”按钮也可删除用户名及密码，同时退出登录界面。

图 6 登录界面

纺纱机监控系统监控界面如图 7 所示，包括纺纱机的运行状态、阈值设置、根据实时数据生成的实时趋势曲线、历史趋势曲线、报警记录查询、生成报表六个模块。

状态监控主要对纺纱机运行状态与运行参数进行监控 ；

阈值设置对纺纱机正常工作范围数值进行设定，当超出阈值时自动进行报警操作 ；

实时趋势曲线显示纺纱机的工作速度与张力 ；

历史趋势曲线显示以往纺纱机的工作状态 ；

报警记录查询负责记录实时报警信息及过去的报警信息，有利于对纺纱机进行故障排查 ；

生成报表可对关键参数进行记录与存储，并可以打印以便观看。

图 7 监控界面

3.4 手机 APP设计

智能手机已广泛使用，具有 WiFi 与移动通信网络等多种接入网方式，且用户界面友好、易操作。本文系统利用智能手机客户端软件实现数据的监测显示，采用 Qt 编写手机客户端界面 [7]。用户可通过智能手机 APP 使用电话号码注册用户账号，注册成功并登录后可通过手机界面对监控数据进行查询。

4 结 语

针对纺纱机远程监控的需要，本文研究了纺纱机联网远程监控系统的网络架构，通过 DTU 模块实现了数据远程传输，利用组态王软件对监控界面进行设计，使用手机 APP 突破了远程监控的地点限制。实际应用表明，该系统具有成本低、易实现、运行可靠等特点，具有较大的实用价值。