李增亮，徐 崧，閆立強(qiáng)，胡 朋

（1.航空結(jié)構(gòu)件成型制造與裝備安徽省重點實驗室，合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，合肥 230009；3.安徽天富泵閥有限公司，安徽 天長 239300）

0 引言

屏蔽泵是一種結(jié)構(gòu)精密、安全性高和絕對無泄漏的新型無密封泵[1]。它主要應(yīng)用于工業(yè)輸送流體介質(zhì)領(lǐng)域，尤其是在核工業(yè)、石油和易燃易爆物品以及有毒有害氣體的輸送中[2]。因此，屏蔽泵運(yùn)行的健康狀況對于安全的輸送這些危險物品起到了至關(guān)重要的作用，及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)屏蔽泵的運(yùn)行故障，及早地進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，避免因為發(fā)現(xiàn)屏蔽泵故障不及時導(dǎo)致危險品的泄漏，從而對人和環(huán)境造成極大的傷害[3,4]。

屏蔽泵性能和運(yùn)行狀況監(jiān)測的傳統(tǒng)方法是依賴于監(jiān)控中心固定的定點PC監(jiān)測模式和TRG表等監(jiān)測模式，前者的不足之處在于占地面積大、維護(hù)和開發(fā)成本較高，并且監(jiān)測方式笨重、不靈活，受地理位置的影響較大。發(fā)現(xiàn)屏蔽泵故障也需要去工作現(xiàn)場進(jìn)行斷電處理，不能遠(yuǎn)程控制屏蔽泵。后者則是采用離線的方式來評估屏蔽泵性能狀況，不具備發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)測終端的能力。

目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，萬物互聯(lián)和萬物智聯(lián)已經(jīng)成為發(fā)展潮流。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展離不開云平臺的支持，越來越多的設(shè)備接入云平臺，真正地實現(xiàn)了各設(shè)備在廣域網(wǎng)下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，使得?shù)據(jù)交互不在受到地理位置的約束。因此，本文基于嵌入式和Qt技術(shù)對目前屏蔽泵運(yùn)行狀況的監(jiān)控模式提出了改進(jìn)方案。該方案主要分為采集控制端和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，兩者分別以ESP8266和4G模塊通過MQTT協(xié)議接入到OneNET云平臺。兩個終端互相訂閱對方的主題，則可實現(xiàn)在廣域網(wǎng)下的數(shù)據(jù)交互，不僅可以實時監(jiān)測屏蔽泵的運(yùn)行狀況，還能根據(jù)現(xiàn)實需求進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[5]。因此，本方案為遠(yuǎn)程監(jiān)控屏蔽泵運(yùn)行狀態(tài)提供了切實可行的思路，很好地解決了目前監(jiān)控屏蔽泵的痛點問題。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本文針對上述監(jiān)控屏蔽泵運(yùn)行狀態(tài)的痛點問題，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引用到屏蔽泵監(jiān)控領(lǐng)域，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控屏蔽泵狀態(tài)的需求。本系統(tǒng)主要由采集控制端、云服務(wù)平臺和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端這3部分組成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。采集控制端以STM32為微控制器并將其安裝在屏蔽泵的弱電控制箱中，現(xiàn)場實時監(jiān)測屏蔽泵的運(yùn)行狀態(tài)，采用ESP8266無線通信模塊將現(xiàn)場監(jiān)測到屏蔽泵運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)，通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺，數(shù)據(jù)以JSON格式進(jìn)行傳輸。OneNET云平臺相當(dāng)于數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，將數(shù)據(jù)推送給遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端運(yùn)行在Linux系統(tǒng)之上，在Linux系統(tǒng)上進(jìn)行Qt界面開發(fā)，將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過解析之后實時顯示在遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的Qt界面，設(shè)置各項指標(biāo)的閾值，對于超出閾值的數(shù)據(jù)進(jìn)行上報處理，通過Qt界面遠(yuǎn)程發(fā)送控制指令給身處各地的屏蔽泵，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控屏蔽泵的目的。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System principle block diagram

2 采集控制端設(shè)計

2.1 采集控制端硬件圖

屏蔽泵運(yùn)行時的健康狀況，主要由進(jìn)出口壓力、流量、定子溫度和屏蔽套濕度等參數(shù)決定。這些參數(shù)的異常會導(dǎo)致屏蔽泵不能正常工作，嚴(yán)重的情況下可能會導(dǎo)致傳輸液體的泄漏，必須要采取停機(jī)操作。因此，采集控制端主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場實時采集屏蔽泵相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)從云平臺接收到的指令對屏蔽泵進(jìn)行啟停等控制操作。采集控制端主要由主控模塊、采集模塊、通信模塊、控制模塊和供電模塊5部分組成。主控模塊負(fù)責(zé)采集控制端的整體協(xié)調(diào)配合；供電模塊負(fù)責(zé)采集控制端的電源供給；采集模塊主要負(fù)責(zé)采集屏蔽泵運(yùn)行狀況參數(shù)；通信模塊負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺；控制模塊負(fù)責(zé)控制屏蔽泵的運(yùn)行狀態(tài)。采集控制端的硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 采集控制端硬件圖Fig.2 Acquisition control terminal hardware diagram

2.2 采集控制端程序流程圖

屏蔽泵運(yùn)行時各項參數(shù)需要及時采集并上傳，所以STM32在上電以后需要持續(xù)向云平臺發(fā)送采集到的各項數(shù)據(jù)。具體的工作流程：系統(tǒng)上電以后，首先需要初始化資源，如串口、定時器、GPIO和其它外設(shè)資源等。若沒有接入云平臺，則需要對ESP8266無線模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)配置。先執(zhí)行WIFI復(fù)位模塊，然后通過USART3發(fā)送相關(guān)配置指令，設(shè)置為STA模式并連接路由器，連接路由器成功后就完成了無線模塊的配網(wǎng)，并將ESP8266工作模式設(shè)置為透傳，最后連接OneNET云平臺的MQTT服務(wù)器并訂閱相關(guān)主題。通過配置定時器2來定時上報采集到的數(shù)據(jù)，配置定時器3來定時發(fā)送心跳包給云平臺，配置定時器4來接收從云平臺返回的數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow chart

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)計

隨著嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，目前遠(yuǎn)程監(jiān)控終端已經(jīng)趨向于微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和便攜式等方向。由于屏蔽泵在工業(yè)領(lǐng)域的重要地位，所以對于屏蔽泵運(yùn)行狀況的實時監(jiān)控開發(fā)一款遠(yuǎn)程監(jiān)控終端有重要的研究意義。該終端基于嵌入式Linux和Qt技術(shù)并結(jié)合4G模塊真正地實現(xiàn)了廣域網(wǎng)下遠(yuǎn)程監(jiān)控屏蔽泵的目的。通過LCD觸摸屏不僅可以遠(yuǎn)程監(jiān)測屏蔽泵的運(yùn)行狀況，而且還能根據(jù)實際情況的需要對屏蔽泵進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。該終端以Cortex-A7為核心模塊，4G模塊選用移遠(yuǎn)公司的EC20，采用4.3寸LCD觸摸屏，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware structure diagram

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端開發(fā)流程

對于開發(fā)嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控終端來說，既涉及到硬件環(huán)境搭建也有軟件編程，從Linux底層驅(qū)動到應(yīng)用層Qt界面開發(fā)，硬件環(huán)境搭建和軟件開發(fā)兩者互相依賴。硬件環(huán)境搭建是開發(fā)的基礎(chǔ)，需要移植上層應(yīng)用所需要的各種依賴庫；軟件的開發(fā)主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面，將人的意愿傳輸?shù)降讓舆M(jìn)行相應(yīng)的操作。兩者互相配合才能發(fā)揮嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的優(yōu)勢，在開發(fā)調(diào)試過程中需要對硬件環(huán)境和軟件編程進(jìn)行全方位的考量。為了更好更快地進(jìn)行軟硬件調(diào)試，根據(jù)模塊化設(shè)計流程分為硬件環(huán)境搭建和軟件開發(fā)。具體的模塊設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 模塊設(shè)計流程圖Fig.5 Module design flow chart

3.2 搭建硬件平臺

3.2.1 Linux操作系統(tǒng)移植

該終端運(yùn)行在Linux系統(tǒng)之上，Qt軟件安裝在文件系統(tǒng)的/opt目錄下。一個完整的Linux系統(tǒng)包括BootLoader、Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)。

BootLoader主要負(fù)責(zé)初始化硬件，為系統(tǒng)運(yùn)行部署環(huán)境，負(fù)責(zé)將內(nèi)核讀取到內(nèi)存當(dāng)中，并給內(nèi)核傳遞參數(shù)。當(dāng)內(nèi)核運(yùn)行起來之后，它的使命也就完成了。

Linux內(nèi)核選取的版本為Linux-4.1.15，進(jìn)入內(nèi)核目錄后，修改Makefile，在Makefile文件中修改ARCH和CROSS_COMPILE這兩個變量，修改完成以后就指定了交叉編譯工具，然后添加相應(yīng)的配置文件和設(shè)備樹文件并交叉編譯內(nèi)核，最終生成內(nèi)核鏡像文件和設(shè)備樹文件。

文件系統(tǒng)選取開源的BusyBox來構(gòu)建最小文件系統(tǒng)，最小文件系統(tǒng)占用資源少，可以移植第三方軟件Qt進(jìn)行界面開發(fā)。首先，獲取BusyBox源碼，選取版本為BusyBox 1.29.0；然后，進(jìn)入源碼目錄，修改配置文件使其可以支持中文顯示，配置交叉編譯器；接著，使用make命令交叉編譯，并在最小文件系統(tǒng)中添加配置信息，將最小系統(tǒng)各個文件壓縮打包文件系統(tǒng)；最后，使用官方燒寫軟件將BootLoader、內(nèi)核鏡像、文件系統(tǒng)和設(shè)備樹燒寫進(jìn)開發(fā)板，至此Linux系統(tǒng)搭建完畢。

3.2.2 Qt開發(fā)環(huán)境移植

該終端界面開發(fā)選取Qt軟件，Qt具有跨平臺的優(yōu)勢，因此在嵌入式中廣泛應(yīng)用。選用qt-everywhere-opensourcesrc-5.7.0版本，進(jìn)入Qt源碼目錄，修改配置文件，配置交叉編譯器，該交叉編譯器與編譯文件系統(tǒng)一致。最后，通過執(zhí)行命令腳本生成Qt5.7.0。在開發(fā)板上部署Qt的運(yùn)行環(huán)境。

3.3 軟件功能分析

3.3.1 Qt移植MQTT

MQTT是一種低開銷、低帶寬占用和為遠(yuǎn)程設(shè)備提供實時可靠消息服務(wù)的即時通訊協(xié)議。它最大的優(yōu)點就是基于訂閱/發(fā)布機(jī)制，在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式移動設(shè)備中廣泛應(yīng)用。MQTT可以扮演3種不同的角色：發(fā)布者、訂閱者和服務(wù)器。在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中需要一臺固定IP的云主機(jī)，作為設(shè)備間通訊的中轉(zhuǎn)，OneNET云平臺支持MQTT協(xié)議的接入。因此，OneNET云平臺提供了有固定的IP和端口的MQTT服務(wù)器作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中轉(zhuǎn)站。MQTT協(xié)議實現(xiàn)方式如圖6所示。

圖6 MQTT協(xié)議實現(xiàn)方式Fig.6 MQTT Protocol implementation

Qt中移植MQTT庫，選用開源的第三方庫qmqtt進(jìn)行移植，將qmqtt源碼直接包含到開發(fā)工程目錄下，在.pro中添加路徑，然后一起進(jìn)行編譯。

3.3.2 Qt軟件編程

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的Qt界面主要由用戶登錄、實時監(jiān)測、報警控制和系統(tǒng)設(shè)置4部分組成，如圖7所示。用戶登錄主要設(shè)置了登錄賬號與密碼，驗證身份合格以后才可以進(jìn)入遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。實時監(jiān)測主要包含各個屏蔽泵運(yùn)行狀況的各項數(shù)據(jù)，從云平臺讀取數(shù)據(jù)后需要進(jìn)行JSON解析，并將數(shù)據(jù)的變化以折線圖的形式展現(xiàn)。報警控制主要負(fù)責(zé)解析后的數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行比較，若某項數(shù)據(jù)超出閾值則進(jìn)行報警。通過界面按鈕發(fā)送控制停機(jī)指令，將停機(jī)指令進(jìn)行JSON封裝處理發(fā)送到云平臺。系統(tǒng)設(shè)置包括管理員增加用戶登錄人員和退出系統(tǒng)等操作。

圖7 Qt界面Fig.7 Qt Interface

4 實驗測試與結(jié)果

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端上電開啟后，Qt程序會開機(jī)自啟動。首先會進(jìn)入到登錄界面，輸入正確的賬號和密碼后點擊登錄，進(jìn)入監(jiān)控終端的主界面，選擇要監(jiān)控的屏蔽泵，點擊連接云服務(wù)器按鈕，成功連接到OneNET云平臺。折線圖實時顯示參數(shù)的變化，如圖8所示。

圖8 實時監(jiān)測界面Fig.8 Real-time monitoring interface

若監(jiān)測的某項數(shù)據(jù)超過閾值則觸發(fā)報警，進(jìn)入報警控制界面，如圖9所示，進(jìn)行相應(yīng)的操作后點擊消除報警。

圖9 報警控制界面Fig.9 Alarm control interface

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一套基于嵌入式和Qt的屏蔽泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了目前監(jiān)控屏蔽泵的痛點問題。從實驗結(jié)果來看，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實時性好，可靠性強(qiáng)，很好地實現(xiàn)了對屏蔽泵的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，滿足了預(yù)期的目標(biāo)并具有良好的應(yīng)用價值，為屏蔽泵的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供了可行性方案。