基于傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖與各模塊功能分析

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

在工業(yè)領(lǐng)域，節(jié)能減排是國家提出的戰(zhàn)略要求，同時(shí)也是企業(yè)發(fā)展的方向，這對于降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本具有重大意義。以中國鋼鐵企業(yè)寶鋼為例，可近似估算，寶鋼2009年的鋼鐵年產(chǎn)量約為3000萬噸，噸鋼能源成本約為1000元，能源成本為300萬億，如果能夠提高1%的能源利用率，可節(jié)約能源成本3萬億，而寶鋼僅僅只是中國的一家企業(yè)，由此可見，在節(jié)能減排方面的研究所具有的巨大市場價(jià)值。更為細(xì)致的來看，在連續(xù)生產(chǎn)型的企業(yè)中，保障流水線的持續(xù)工作減少了因某個(gè)環(huán)節(jié)的故障帶來的重大損失。在電力生產(chǎn)型企業(yè)中，其配電裝置的正常工作對于企業(yè)的持續(xù)生產(chǎn)具有重大意義。

本方案將實(shí)現(xiàn)各個(gè)生產(chǎn)設(shè)備和配電盒的能耗和溫度檢測。通過對能耗歷史數(shù)據(jù)的處理，使得能耗數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化，對于企業(yè)找到重大耗能設(shè)備，精打細(xì)算地管理能耗，進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)能減排工作有重要意義。同時(shí)，對設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)檢測可以偵測流水線、配電裝置是否工作異常，當(dāng)發(fā)生異?，F(xiàn)象是，通過及時(shí)報(bào)警，能夠最大限度地降低異常狀況帶來的損失。由已有的歷史數(shù)據(jù)也可以對于未來的能耗和溫度變化趨勢作出預(yù)測，從而能夠提醒管理者何時(shí)溫度可能出現(xiàn)異常，提醒其采取措施或者進(jìn)行檢修。

總的來看，能耗檢測能夠幫助企業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排工作，降低企業(yè)的能源成本，溫度檢測對于防范故障帶來的損失有重大意義。

1.2 項(xiàng)目簡介

本項(xiàng)目在系統(tǒng)架構(gòu)上包含傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)的三個(gè)部分，如下圖所示：

圖一

傳感器節(jié)點(diǎn)由EVK1100的硬件平臺(tái)配合傳感器實(shí)現(xiàn)，將安置在每一個(gè)需要測量的生產(chǎn)設(shè)備和配電盒上，測量并顯示該設(shè)備的功率和溫度信息，同時(shí)將測得的數(shù)據(jù)通過通信模塊及時(shí)發(fā)送給相應(yīng)的匯聚節(jié)點(diǎn)，如果信息異常，會(huì)在發(fā)送的數(shù)據(jù)中加入報(bào)警信號(hào)。匯聚節(jié)點(diǎn)由一臺(tái)PC機(jī)、負(fù)責(zé)通信的硬件以及發(fā)出報(bào)警信號(hào)的硬件共同實(shí)現(xiàn)，將為每一個(gè)生產(chǎn)車間，或者為一定數(shù)量的生產(chǎn)設(shè)備配備一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)。它能夠存儲(chǔ)傳感器節(jié)點(diǎn)的歷史信息，并分析一定范圍內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備的工況，最終將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給管理節(jié)點(diǎn)，交給管理節(jié)點(diǎn)處理。管理節(jié)點(diǎn)可以由多臺(tái)PC機(jī)構(gòu)成，為整個(gè)企業(yè)能耗與溫度監(jiān)測的信息綜合中心，能夠在這里看到企業(yè)內(nèi)部所有生產(chǎn)設(shè)備的相應(yīng)信息，從而為企業(yè)執(zhí)行者決策提供依據(jù)。

二、需求分析

2.1 功能要求

從單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的功能上看，將實(shí)現(xiàn)單個(gè)生產(chǎn)設(shè)備和配電盒的能耗測量、溫度測量，某些節(jié)點(diǎn)可進(jìn)一步引入開關(guān)器件，在特殊情況下，主動(dòng)關(guān)掉電路，能量供給方面，開發(fā)板使用220V/380V電壓供電，引入的霍爾傳感器采用電池供電。

從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體功能來看，將實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠內(nèi)功率與溫度信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，使得相關(guān)信息可視化，并且提供了及時(shí)報(bào)警的機(jī)制；通過分析歷史數(shù)據(jù)，能夠預(yù)測工廠內(nèi)部的溫度變化趨勢，提供預(yù)警功能，管理者可在預(yù)測的溫度異常區(qū)間采取相關(guān)措施；同時(shí)在時(shí)間及空間兩個(gè)維度了解工廠內(nèi)部的能耗情況，采用可視化軟件使其很好的顯示在管理者面前，為管理者加強(qiáng)企業(yè)的節(jié)能降耗工作提供了良好的輔助。

2.2 性能要求

管理者最終看到的能耗和溫度信息有一定的延時(shí)，該延遲的時(shí)間為從傳感器節(jié)點(diǎn)檢測到相應(yīng)信息，發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而交由管理節(jié)點(diǎn)顯示所消耗的時(shí)間，同樣，預(yù)警功能也有一定的延遲，因?yàn)轭A(yù)警信息需要從傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。但是，信息顯示的延遲對于整個(gè)數(shù)據(jù)的監(jiān)測不會(huì)帶來太多負(fù)面影響，而報(bào)警的延遲只要控制在允許的范圍內(nèi)，同樣可以接受。

在傳感器節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)包給匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，存在遺失數(shù)據(jù)包的問題，可以引入ACK機(jī)制，即匯聚節(jié)點(diǎn)在成功接受到數(shù)據(jù)包時(shí)，發(fā)送ACK幀給傳感器節(jié)點(diǎn)，從而可保障數(shù)據(jù)的可靠傳輸；同時(shí)，可以給帶有報(bào)警信息的數(shù)據(jù)包引入優(yōu)先機(jī)制，使其優(yōu)先被匯聚節(jié)點(diǎn)處理。以上改進(jìn)方案可以改善丟失數(shù)據(jù)包的問題。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與模塊功能分析

3.1.1傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖與各模塊功能分析

傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖二

傳感器節(jié)點(diǎn)由能量供應(yīng)模塊、傳感器模塊、處理器模塊、顯示模塊、通信模塊五個(gè)部分組成。其中能量供應(yīng)模塊為其他各個(gè)模塊供應(yīng)能量；傳感器模塊選用霍爾傳感器來測量生產(chǎn)設(shè)備的電壓、電流，選用工業(yè)界常用的鎳鉻鎳硅熱電偶測量生產(chǎn)設(shè)備的溫度，并將信息傳遞給處理器模塊；處理器模塊由電壓電流信息計(jì)算設(shè)備的功率，再將功率、溫度信息傳遞給顯示模塊，在LCD屏幕上顯示，同時(shí)將溫度信息與預(yù)先設(shè)定的安全閾值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)溫度異常，則將報(bào)警信息加入到功率溫度信息中，并一起發(fā)送給通信模塊，通信模塊在將數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)包后，直接發(fā)送給附近的匯聚節(jié)點(diǎn)，交給匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一分析。

3.1.2匯聚節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖三

匯聚節(jié)點(diǎn)由能量供應(yīng)模塊、處理器模塊、通信模塊、報(bào)警模塊組成。能量供應(yīng)模塊為其他各個(gè)模塊供應(yīng)能量；通信模塊隨時(shí)偵聽空間中是否有來自傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，并將收到的信息發(fā)送給處理器模塊，同時(shí)也將處理模塊處理后的信息發(fā)送給管理節(jié)點(diǎn)；處理器模塊負(fù)責(zé)該區(qū)域內(nèi)所有信息的綜合與處理，并將處理后的信息交給通信模塊，如果有異常信息，則將相應(yīng)信息傳遞給報(bào)警模塊；報(bào)警模塊在收到報(bào)警信息后，會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，提示是哪一臺(tái)機(jī)器有溫度超標(biāo)的情況。

3.1.3管理節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖與各模塊功能分析

管理節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖四

管理節(jié)點(diǎn)由能量供應(yīng)模塊、處理器模塊、通信模塊組成。能量供應(yīng)模塊為其他各個(gè)模塊供應(yīng)能量；通信模塊負(fù)責(zé)與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并將收到的信息發(fā)送給處理器模塊，處理器模塊負(fù)責(zé)工廠內(nèi)所有信息的綜合與處理，從而得到整個(gè)工廠內(nèi)各生產(chǎn)設(shè)備的能耗與溫度狀況。

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

選用EVK1100硬件平臺(tái)，并引入霍爾傳感器，報(bào)警設(shè)備，PC機(jī)等硬件來建設(shè)整個(gè)系統(tǒng)的硬件體系。

3.2.1傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件使用

EVK1100開發(fā)板實(shí)現(xiàn)溫度測量、信息處理、信息顯示、通信的功能，引入霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)電流、電壓的測量。EVK1100開發(fā)板直接連接電源，提供持續(xù)供電，內(nèi)置溫度傳感器測量溫度，使用AT32UC3A0128的MCU負(fù)責(zé)信息的處理和指令的傳送，使用4 x 20藍(lán)色LCD屏來顯示信息，并且通過USART與匯聚節(jié)點(diǎn)通信。霍爾傳感器端則可以通過內(nèi)置電池供電，以保持其比較小的體積，易于安放，同時(shí)與EVK1100開發(fā)板連接，將測得的信息及時(shí)傳遞給EVK1100開發(fā)板。

3.2.2匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件使用

匯聚節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)模塊與處理器模塊由PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，具有能量供應(yīng)、信息處理和指令傳送等功能；報(bào)警模塊由報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)，在接收到報(bào)警信號(hào)后，發(fā)出警報(bào)聲。

而通信模塊的兩部分功能分別由不同硬件實(shí)現(xiàn)：一為與傳感器節(jié)點(diǎn)的通信，可采用cc2420信號(hào)收發(fā)器實(shí)現(xiàn)這一層面的通信，二為與管理節(jié)點(diǎn)的通信，可直接由PC機(jī)通過更新整個(gè)工廠內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的信息來實(shí)現(xiàn)，從而使得管理節(jié)點(diǎn)的PC機(jī)可以對相關(guān)的信息進(jìn)行處理。

3.2.3管理節(jié)點(diǎn)的硬件使用

各個(gè)PC機(jī)配合或者由一個(gè)功能十分強(qiáng)大的PC機(jī)處理整個(gè)工廠內(nèi)部的能耗和溫度信息，并通過可視化軟件顯示。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.3.1傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件架構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件架構(gòu)圖如下：

圖五

由Linux內(nèi)核作為引導(dǎo)，由多種硬件作為支持，實(shí)現(xiàn)設(shè)備通信和LCD顯示功能，在實(shí)際開發(fā)過程中，還可能引入其他應(yīng)用，因此留出其他應(yīng)用的API接口。

3.3.2匯聚節(jié)點(diǎn)與管理節(jié)點(diǎn)的軟件架構(gòu)

匯聚節(jié)點(diǎn)與管理節(jié)點(diǎn)通過PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，因此不再詳細(xì)畫出PC機(jī)實(shí)現(xiàn)的軟件架構(gòu)，而給出其匯聚節(jié)點(diǎn)與管理節(jié)點(diǎn)基于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通信的架構(gòu)圖。

圖六

管理節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的差異在于，管理節(jié)點(diǎn)還需要一個(gè)能耗、溫度的可視化軟件，從而可以讓管理者隨時(shí)可以看到整個(gè)工廠內(nèi)部的能耗和溫度情況；匯聚節(jié)點(diǎn)還需要加入報(bào)警服務(wù)與通信服務(wù)，報(bào)警服務(wù)用于出現(xiàn)異常時(shí)報(bào)警，通信服務(wù)用于與傳感器節(jié)點(diǎn)通信。（此處通信服務(wù)指與傳感器節(jié)點(diǎn)的通信，由cc2420實(shí)現(xiàn)，與管理節(jié)點(diǎn)的通信由PC機(jī)通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。）

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

3.4.1傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行流程圖

圖七

3.4.2匯聚節(jié)點(diǎn)運(yùn)行流程圖

圖八

3.4.3管理節(jié)點(diǎn)運(yùn)行流程圖

圖九

3.4.4系統(tǒng)運(yùn)行流程圖分析

由以上三個(gè)流程圖可以看出，上電后，各個(gè)模塊分別開始工作，通過檢測是否收到外部信號(hào)，以及是否有異常信息來決定流程圖的流向。

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

本方案將實(shí)現(xiàn)各個(gè)生產(chǎn)設(shè)備和配電盒的能耗和溫度檢測。通過對能耗歷史數(shù)據(jù)的處理，使得能耗數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化，對于企業(yè)找到重大耗能設(shè)備，進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)能減排工作有重要意義。同時(shí)，對設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)檢測可以偵測流水線、配電裝置是否工作異常，當(dāng)發(fā)生異?，F(xiàn)象是，通過及時(shí)報(bào)警，能夠最大限度地降低異常狀況帶來的損失。由已有的歷史數(shù)據(jù)也可以對于未來的能耗和溫度變化趨勢作出預(yù)測，從而能夠提醒管理者何時(shí)溫度可能出現(xiàn)異常，提醒其采取措施或者進(jìn)行檢修。
來源：EEFOCUS