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        基于NB-IoT的紡織車間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

        2022-08-20 09:21:38侯秀月于會山
        現(xiàn)代計算機(jī) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:煙霧溫濕度車間

        侯秀月,于會山

        (聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院,聊城 252059)

        0 引言

        中國紡織業(yè)歷史悠久,是我國一大傳統(tǒng)行業(yè),隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,許多智能紡織車間應(yīng)運(yùn)而生,促進(jìn)了紡織業(yè)的快速發(fā)展。而在紡織品生產(chǎn)過程中,存在很多外在因素影響生產(chǎn)效率,進(jìn)而影響紡織企業(yè)的發(fā)展。例如,溫濕度會對紡織車間中所使用紗線的強(qiáng)力、斷頭率、回潮率等因素造成影響,因此需控制紡織車間內(nèi)的溫濕度在合適范圍內(nèi),以保證產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境安全;隨著機(jī)械化、大批量生產(chǎn)需求的增大,電氣設(shè)備使用需求也隨之增大,就會存在線路老化、分布不合理等問題,容易引發(fā)火災(zāi),故采用煙霧傳感器檢測車間氣體濃度以便及時排查火情,從而保證紡織車間的生產(chǎn)安全。受我國勞動力成本低的影響,許多紡織車間還無法擺脫對人力的依賴。依舊采用人工檢測方法對紡織車間環(huán)境的溫濕度及煙霧濃度進(jìn)行監(jiān)測,既費(fèi)時又費(fèi)力,進(jìn)而阻礙了紡織車間智能化發(fā)展。

        窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)是一種基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù),具有覆蓋范圍廣、功耗低、海量連接等特點,廣泛應(yīng)用于智能農(nóng)業(yè)、智能表計、智能停車等領(lǐng)域?;谏鲜霰尘?,本文設(shè)計了一種基于NB-IoT的紡織車間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)集合無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù),實時采集溫濕度及煙霧濃度,利用NB-IoT無線傳輸技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸至云平臺,使工作人員及時查看紡織車間環(huán)境情況,保證生產(chǎn)效率。

        1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計

        如圖1所示,系統(tǒng)整體框架主要由環(huán)境監(jiān)測采集終端、NB-IoT無線通信模組、OneNET云平臺、監(jiān)測顯示終端組成。

        圖1 整體框架圖

        環(huán)境監(jiān)測采集終端可以通過溫濕度、煙霧濃度傳感器檢測車間環(huán)境變化,傳至主控芯片進(jìn)行解析并做出響應(yīng);NB-IoT無線通信模組將采集的環(huán)境信息通過MQTT協(xié)議經(jīng)由NB-IoT移動基站發(fā)送至OneNET云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)解析,云平臺可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲、保存、匯總等;在監(jiān)測顯示終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、語音報警模塊、無線通信模塊、顯示模塊、電源模塊構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)采集模塊為溫濕度傳感器及煙霧傳感器,對紡織車間進(jìn)行環(huán)境檢測;語音報警模塊通過接收主控模塊發(fā)送的報警信號進(jìn)行喇叭報警;主控模塊選擇STM32F103C8T 6作為主控芯片,并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET云平臺;顯示模塊為7英寸串口屏,進(jìn)行數(shù)據(jù)實時顯示;電源模塊采用12V電源為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

        圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

        2.1 主控模塊

        本系統(tǒng)選用STM32F103C8T6作為MCU主控核心。該芯片基于ARM Cortex M3內(nèi)核,是32位微控制器,具有廣泛的增強(qiáng)型外設(shè)和I/O口,提供標(biāo)準(zhǔn)且先進(jìn)的通信接口,如IC、SPI、USART等;此外,它還包含一個12位ADC、七個通用16位定時器和一個高級控制PWM定時器,可在-40~85℃的溫度范圍內(nèi)工作,電源電壓為2~3.6 V。其原理圖如圖3所示。

        圖3 主控芯片

        2.2 電源模塊

        系統(tǒng)采用鋰電池進(jìn)行供電,供電電壓為12 V。為保證語音芯片及傳感器正常工作,采用AMS1117降壓芯片降壓至5 V為其供電,由于單片機(jī)工作電壓為3.3 V,NB模塊工作電壓為2.1~3.63 V,所以需再次降壓至3.3 V為單片機(jī)及NB模塊供電,這樣既保證了單片機(jī)及其他外設(shè)正常工作,又保證了電路穩(wěn)定性。降壓電路如圖4所示。

        圖4 降壓電路

        2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

        溫濕度傳感器采用SHT31高精度數(shù)字型傳感器,濕度范圍為0~100%RH,溫度范圍為-40~125℃,供電電壓為2.4~5.5 V,其測量精度及靈敏度滿足此系統(tǒng)要求。STM32F103C8T 6單片機(jī)與SHT31傳感器使用IC協(xié)議通信,SHT31的SDA數(shù)據(jù)端和SCL時鐘端分別與單片機(jī)的PB9和PB8連接,進(jìn)行信息交互。SHT31溫濕度傳感器接口電路如圖5所示。

        圖5 溫濕度傳感器接口電路

        對于紡織車間環(huán)境中的煙霧檢測,采用MQ2型煙霧傳感器,其具有較高的靈敏度和抗干擾性。其檢測可燃?xì)怏w與煙霧濃度范圍在100~10000 ppm之間,輸出模擬量為0~5 V電壓,輸出電壓隨紡織車間煙霧的升高而增大。MQ2的AO引腳與MCU的PA4相連,將采集到的數(shù)據(jù)直接發(fā)送至MCU,利用公式換算成煙霧濃度值發(fā)送至顯示屏進(jìn)行顯示。MQ2型煙霧傳感器接口電路如圖6所示。

        圖6 煙霧傳感器接口電路

        2.4 語音報警模塊

        系統(tǒng)選用JQ8400語音芯片作為語音報警模塊主控芯片,支持MP3 WAV硬件解碼及FAT文件系統(tǒng),最大優(yōu)勢在于能夠靈活地更換SPIflash內(nèi)的語音內(nèi)容,滿足系統(tǒng)需求。系統(tǒng)設(shè)置閾值,當(dāng)環(huán)境監(jiān)測采集終端采集的數(shù)據(jù)超過閾值時,單片機(jī)會通過USART將報警信息傳至語音芯片進(jìn)行報警提示。JQ8400語音芯片電路如圖7所示。

        圖7 語音芯片電路

        2.5 NB-Io T無線通信模塊

        NB-IoT對于遠(yuǎn)距離、低功耗、低頻率的數(shù)據(jù)通信是非常有優(yōu)勢的,因此,此設(shè)計中的NB-IoT無線通信模塊選用移遠(yuǎn)BC26型號。圖8所示為BC26模塊實物圖。BC26有豐富的外部接口,如UART、SPI、ADC等;此外,它還擁有眾多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,如TCP、CoAP、MQTT等,支持OneNET云平臺。在系統(tǒng)主控電路設(shè)計中只需對相關(guān)I/O口和串口進(jìn)行配置即可實現(xiàn)相關(guān)功能,其主要作用是MCU通過串口發(fā)送相關(guān)AT指令,把采集到的數(shù)據(jù)實時上傳至OneNET云平臺,實現(xiàn)模塊間無線通信。

        圖8 NB-IoT模塊

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

        系統(tǒng)初始化設(shè)定閾值并開啟定時器,每隔十秒鐘MCU控制處理MQ2與SHT31所采集到的數(shù)據(jù),通過USART通訊協(xié)議與顯示屏及NB模塊進(jìn)行通訊,將顯示屏相應(yīng)控件屬性值及云端數(shù)據(jù)實時更新為當(dāng)前采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。若超過閾值,MCU通過USART協(xié)議與語音模塊進(jìn)行通信發(fā)送報警相關(guān)報文,此時語音模塊將提取報警音頻進(jìn)行播放,提示相關(guān)工作人員注意防范。主程序流程如圖9所示。

        圖9 主程序流程圖

        3.2 數(shù)據(jù)采集部分軟件設(shè)計

        MCU微控制器與SHT31之間通過I2C協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集。系統(tǒng)首先對SHT31初始化,然后開啟定時器,每隔十秒MCU通過IC協(xié)議發(fā)送寫信號(Wr=0)及工作模式指令;等待一段時間再次通過IC協(xié)議發(fā)送讀信號(Rd=1),此時讀取命令的高八位,再讀取余下的低八位,最終讀取環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù);如果使時鐘延長功能,只需要通過while(SCL==0)阻塞程序,等待其釋放總線然后MCU讀取數(shù)據(jù)即可。溫濕度采集流程如圖10所示。

        圖10 溫濕度采集流程圖

        要實現(xiàn)對MQ2煙霧濃度的采集,首先將煙霧傳感器通電,給傳感器一個初始化信號;然后進(jìn)行AD信號采集,MCU微控制器配置ADC引腳,讀取AO引腳傳輸?shù)哪M量,根據(jù)MQ2的計算公式將所測電壓值轉(zhuǎn)換為濃度值,公式為log=log+(,均為常數(shù)),其中為電阻值,為濃度值,最終將得到實際的煙霧濃度值進(jìn)行輸出。煙霧濃度采集流程如圖11所示。

        圖11 煙霧濃度采集流程圖

        3.3 顯示報警部分軟件設(shè)計

        系統(tǒng)使用顯示屏配備的上位機(jī)軟件完成界面UI的設(shè)計。系統(tǒng)初始化后,當(dāng)MCU微控制器接收到采集模塊的數(shù)據(jù)時,通過USART通訊協(xié)議發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)顯示控件文本屬性值至顯示屏,顯示屏接收并進(jìn)行顯示。當(dāng)采集數(shù)據(jù)超過所設(shè)閾值時,微控制器向顯示屏發(fā)送報警控件文本屬性值,同時通過JQ8400語音報警模塊播放報警信息。待環(huán)境恢復(fù)正常后,清空顯示屏報警文本。顯示報警流程如圖12所示。

        圖12 顯示報警流程圖

        3.4 NB-Io T模塊軟件設(shè)計

        MCU微控制器與NB模塊使用USART通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,通過MCU的TX端和RX端分別與NB-IoT模塊的RX端和TX端連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。系統(tǒng)使用NB模塊與OneNET平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET平臺,NB-IoT模塊的工作和運(yùn)營主要是通過發(fā)送AT指令進(jìn)行的,模塊通過AT指令實現(xiàn)入網(wǎng)、駐網(wǎng)、配置工作模式和發(fā)送數(shù)據(jù)等操作。用戶使用相關(guān)AT指令執(zhí)行采集端與平臺之間的數(shù)據(jù)交互。部分AT指令集如表1所示。

        表1 AT指令集

        4 系統(tǒng)測試

        系統(tǒng)測試包含環(huán)境數(shù)據(jù)采集、顯示終端、報警響應(yīng)、數(shù)據(jù)上傳等功能測試。此次測試時間為夏季,測試界面如圖13所示。

        圖13 測試界面

        系統(tǒng)每隔十秒采集一次數(shù)據(jù),實現(xiàn)顯示終端及云端數(shù)據(jù)實時更新、報警及時響應(yīng)等功能。故系統(tǒng)可分為兩種工作狀態(tài),一是正常環(huán)境狀態(tài)下,采集環(huán)境數(shù)據(jù)實時顯示并上傳至云端遠(yuǎn)程監(jiān)控、記錄;二是環(huán)境數(shù)據(jù)超出安全狀態(tài)時,進(jìn)行報警顯示及語音提醒,當(dāng)前數(shù)據(jù)及報警信息傳至云端記錄,以達(dá)到快速排查的目的。

        5 結(jié)語

        本文設(shè)計了一種基于NB-IoT的紡織車間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),選擇STM32F103C8T6作為主控芯片,利用各種傳感器并通過USART或I2C協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集,搭載移遠(yuǎn)BC26無線通信模塊及OneNET平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。該系統(tǒng)采用NB-IoT技術(shù),具有低功耗、廣覆蓋、海量連接等特點,更符合節(jié)能降耗的要求,在后期生產(chǎn)中可降低成本。此系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)安全性更高、成本更低,可同時在紡織車間放置多個終端節(jié)點,對車間全方位、多節(jié)點進(jìn)行實時監(jiān)控。

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