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金沙基于传感器节点的结构框图与各模块功能分

发布日期:2020-06-14 04:54

  在工业领域,节能减排是国家提出的战略要求,同时也是企业发展的方向,这对于降低了企业的生产成本具有重大意义。以中国钢铁企业宝钢为例,可近似估算,宝钢2009年的钢铁年产量约为3000万吨,吨钢能源成本约为1000元,能源成本为300万亿,如果能够提高1%的能源利用率,可节约能源成本3万亿,而宝钢仅仅只是中国的一家企业,由此可见,在节能减排方面的研究所具有的巨大市场价值。更为细致的来看,在连续生产型的企业中,保障流水线的持续工作减少了因某个环节的故障带来的重大损失。在电力生产型企业中,其配电装置的正常工作对于企业的持续生产具有重大意义。

  本方案将实现各个生产设备和配电盒的能耗和温度检测。通过对能耗历史数据的处理,使得能耗数据实现可视化,对于企业找到重大耗能设备,精打细算地管理能耗,进一步加强节能减排工作有重要意义。同时,对设备温度的实时检测可以侦测流水线、配电装置是否工作异常,当发生异常现象是,通过及时报警,能够最大限度地降低异常状况带来的损失。由已有的历史数据也可以对于未来的能耗和温度变化趋势作出预测,从而能够提醒管理者何时温度可能出现异常,提醒其采取措施或者进行检修。

  总的来看,能耗检测能够帮助企业进行节能减排工作,降低企业的能源成本,温度检测对于防范故障带来的损失有重大意义。

  本项目在系统架构上包含传感器节点、汇聚节点和管理节点的三个部分,如下图所示:

  传感器节点由EVK1100的硬件平台配合传感器实现,将安置在每一个需要测量的生产设备和配电盒上,测量并显示该设备的功率和温度信息,同时将测得的数据通过通信模块及时发送给相应的汇聚节点,如果信息异常,会在发送的数据中加入报警信号。汇聚节点由一台PC机、负责通信的硬件以及发出报警信号的硬件共同实现,将为每一个生产车间,或者为一定数量的生产设备配备一个汇聚节点。它能够存储传感器节点的历史信息,并分析一定范围内的生产设备的工况,最终将得到的数据发送给管理节点,交给管理节点处理。管理节点可以由多台PC机构成,为整个企业能耗与温度监测的信息综合中心,能够在这里看到企业内部所有生产设备的相应信息,从而为企业执行者决策提供依据。

  从单个传感器节点的功能上看,将实现单个生产设备和配电盒的能耗测量、温度测量,某些节点可进一步引入开关器件,在特殊情况下,主动关掉电路,能量供给方面,开发板使用220V/380V电压供电,引入的霍尔传感器采用电池供电。

  从网络系统整体功能来看,将实现整个工厂内功率与温度信息的实时监测,使得相关信息可视化,并且提供了及时报警的机制;通过分析历史数据,能够预测工厂内部的温度变化趋势,提供预警功能,管理者可在预测的温度异常区间采取相关措施;同时在时间及空间两个维度了解工厂内部的能耗情况,采用可视化软件使其很好的显示在管理者面前,为管理者加强企业的节能降耗工作提供了良好的辅助。

  管理者最终看到的能耗和温度信息有一定的延时,该延迟的时间为从传感器节点检测到相应信息,发送给汇聚节点,进而交由管理节点显示所消耗的时间,同样,预警功能也有一定的延迟,因为预警信息需要从传感器节点发送给汇聚节点。但是,信息显示的延迟对于整个数据的监测不会带来太多负面影响,而报警的延迟只要控制在允许的范围内,同样可以接受。

  在传感器节点传递数据包给汇聚节点时,存在遗失数据包的问题,可以引入ACK机制,即汇聚节点在成功接受到数据包时,发送ACK帧给传感器节点,从而可保障数据的可靠传输;同时,可以给带有报警信息的数据包引入优先机制,使其优先被汇聚节点处理。以上改进方案可以改善丢失数据包的问题。

  传感器节点由能量供应模块、传感器模块、处理器模块、显示模块、通信模块五个部分组成。其中能量供应模块为其他各个模块供应能量;传感器模块选用霍尔传感器来测量生产设备的电压、电流,选用工业界常用的镍铬镍硅热电偶测量生产设备的温度,并将信息传递给处理器模块;处理器模块由电压电流信息计算设备的功率,再将功率、温度信息传递给显示模块,在LCD屏幕上显示,同时将温度信息与预先设定的安全阈值进行比较,如果发现温度异常,则将报警信息加入到功率温度信息中,并一起发送给通信模块,通信模块在将数据打包成数据包后,直接发送给附近的汇聚节点,交给汇聚节点进行统一分析。

  汇聚节点由能量供应模块、处理器模块、通信模块、报警模块组成。能量供应模块为其他各个模块供应能量;通信模块随时侦听空间中是否有来自传感器节点的信息,并将收到的信息发送给处理器模块,同时也将处理模块处理后的信息发送给管理节点;处理器模块负责该区域内所有信息的综合与处理,并将处理后的信息交给通信模块,如果有异常信息,则将相应信息传递给报警模块;报警模块在收到报警信息后,会发出警报声,提示是哪一台机器有温度超标的情况。

  管理节点由能量供应模块、处理器模块、通信模块组成。能量供应模块为其他各个模块供应能量;通信模块负责与汇聚节点进行通信,并将收到的信息发送给处理器模块,处理器模块负责工厂内所有信息的综合与处理,从而得到整个工厂内各生产设备的能耗与温度状况。

  选用EVK1100硬件平台,并引入霍尔传感器,报警设备,PC机等硬件来建设整个系统的硬件体系。

  EVK1100开发板实现温度测量、信息处理、信息显示、通信的功能,引入霍尔传感器实现电流、电压的测量。EVK1100开发板直接连接电源,提供持续供电,内置温度传感器测量温度,使用AT32UC3A0128的MCU负责信息的处理和指令的传送,使用4 x 20蓝色LCD屏来显示信息,并且通过USART与汇聚节点通信。霍尔传感器端则可以通过内置电池供电,以保持其比较小的体积,易于安放,同时与EVK1100开发板连接,将测得的信息及时传递给EVK1100开发板。

  汇聚节点的能量供应模块与处理器模块由PC机实现,具有能量供应、信息处理和指令传送等功能;报警模块由报警装置实现,金沙在接收到报警信号后,发出警报声。

  而通信模块的两部分功能分别由不同硬件实现:一为与传感器节点的通信,可采用cc2420信号收发器实现这一层面的通信,二为与管理节点的通信,可直接由PC机通过更新整个工厂内部的数据库服务器的信息来实现,从而使得管理节点的PC机可以对相关的信息进行处理。

  各个PC机配合或者由一个功能十分强大的PC机处理整个工厂内部的能耗和温度信息,并通过可视化软件显示。

  由Linux内核作为引导,由多种硬件作为支持,实现设备通信和LCD显示功能,在实际开发过程中,还可能引入其他应用,因此留出其他应用的A。

  汇聚节点与管理节点通过PC机实现,因此不再详细画出PC机实现的软件架构,而给出其汇聚节点与管理节点基于数据库服务器通信的架构图。

  管理节点和汇聚节点的差异在于,管理节点还需要一个能耗、温度的可视化软件,从而可以让管理者随时可以看到整个工厂内部的能耗和温度情况;汇聚节点还需要加入报警服务与通信服务,报警服务用于出现异常时报警,通信服务用于与传感器节点通信。(此处通信服务指与传感器节点的通信,由cc2420实现,与管理节点的通信由PC机通过数据库服务器实现。)

  由以上三个流程图可以看出,上电后,各个模块分别开始工作,通过检测是否收到外部信号,以及是否有异常信息来决定流程图的流向。

  本方案将实现各个生产设备和配电盒的能耗和温度检测。通过对能耗历史数据的处理,使得能耗数据实现可视化,对于企业找到重大耗能设备,进一步加强节能减排工作有重要意义。同时,对设备温度的实时检测可以侦测流水线、配电装置是否工作异常,当发生异常现象是,通过及时报警,能够最大限度地降低异常状况带来的损失。由已有的历史数据也可以对于未来的能耗和温度变化趋势作出预测,从而能够提醒管理者何时温度可能出现异常,提醒其采取措施或者进行检修。

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