黎志生，王叁軍，唐福輝

（1.華南理工大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)工程研究中心，廣州 510641；2.廣州城建職業(yè)學(xué)院 繼續(xù)教育學(xué)院，廣州 510900；3.廣州熵利節(jié)能技術(shù)有限公司，廣州 511400）

隨著近年國(guó)家對(duì)農(nóng)村邊遠(yuǎn)地區(qū)的支持不斷深入，配合農(nóng)產(chǎn)品的銷售推廣，田邊冷庫(kù)的配套建設(shè)越來(lái)越常見；另外在城市里，目前各種冷鏈物流配送供應(yīng)鏈在攻城略地[1]，對(duì)冷庫(kù)的需求也呈現(xiàn)迅猛增長(zhǎng)的趨勢(shì)[2]。廠家面對(duì)廣域的用戶分布，如何做到更好地管控和準(zhǔn)確定位故障，對(duì)用戶和維護(hù)方都有著重要意義。

互聯(lián)網(wǎng)思維是解決跨區(qū)域大規(guī)模應(yīng)用的必然手段，文獻(xiàn)[3]提出了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)遠(yuǎn)程運(yùn)維等功能，遠(yuǎn)程監(jiān)控制冷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)了解掌握產(chǎn)品的各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在機(jī)器出現(xiàn)異常的時(shí)候，系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，讓營(yíng)運(yùn)方及廠家了解故障的原因；文獻(xiàn)[4]探索研究了大型冷庫(kù)智能控制與監(jiān)控系統(tǒng)，其監(jiān)控系統(tǒng)是基于上下位機(jī)為主的控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本文研究利用物聯(lián)網(wǎng)手段管控冷庫(kù)制冷設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建分布式[5]的大規(guī)模云管控系統(tǒng)[6]，具有更靈活的用戶組管理，能實(shí)現(xiàn)管控小組交叉管理設(shè)備的功能，技術(shù)人員的參與度更多；另外系統(tǒng)可視化程度較高，數(shù)據(jù)圖表化更直觀，制冷設(shè)備的數(shù)據(jù)全面，有利于為提高傳熱性能[1]提出更好的解決方案，也有利于系統(tǒng)故障分析，及為檢修工作指明目標(biāo)根源，在提升服務(wù)效率的同時(shí)為下一步實(shí)現(xiàn)智能化大數(shù)據(jù)分析打好基礎(chǔ)。

1 冷庫(kù)構(gòu)成

本文中介紹的冷庫(kù)是由物聯(lián)網(wǎng)云控部分、冷凝機(jī)組部分和保溫庫(kù)房等構(gòu)成，技術(shù)核心是基于文獻(xiàn)[7]的專利“一種冷熱庫(kù)”技術(shù)構(gòu)建的，其中冷熱庫(kù)包括保溫庫(kù)房、電控系統(tǒng)以及熱泵等冷凝機(jī)組，如圖1所示。

圖1 冷庫(kù)構(gòu)成示意圖Fig.1 Schematic diagram of cold storage

另外物聯(lián)網(wǎng)云控部分主要由以下幾大模塊來(lái)完成數(shù)據(jù)的收集、傳輸和處理[8]，包括各類傳感器、主控板、無(wú)線通信模塊，還有云數(shù)據(jù)庫(kù)和遠(yuǎn)程支撐系統(tǒng)，它能對(duì)制冷系統(tǒng)的主要控制元素進(jìn)行連接與控制，并把數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)到對(duì)應(yīng)系統(tǒng)，還可通過系統(tǒng)修改參數(shù)發(fā)送指令來(lái)改變目標(biāo)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)從收集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、應(yīng)用到控制的整個(gè)過程，如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)交互過程Fig.2 Data interaction process

2 數(shù)據(jù)收集與通信

2.1 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)檢測(cè)與收集工作由主控板完成，其平臺(tái)架構(gòu)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層3 部分組成[9-10]，其集成連接的各類傳感器是系統(tǒng)的神經(jīng)末梢，擔(dān)負(fù)著信息感知的功能，肩負(fù)設(shè)備監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集等工作，利用Modbus 485 接口把數(shù)據(jù)經(jīng)通信模塊加密后傳輸?shù)皆贫薣11]，自動(dòng)存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。主控板電路如圖3 所示。

圖3 主控板電路圖（局部）Fig.3 Circuit diagram of main control board（local）

2.2 數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊（DTU）是整個(gè)系統(tǒng)的橋梁，最好自帶加密功能，能確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。?dāng)DTU 與目標(biāo)設(shè)備通信時(shí)，遵從Modbus 485 通信協(xié)議，波特率與485 端口輸入一致，采用“從機(jī)地址_ 功能號(hào)_數(shù)據(jù)地址_讀取數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)_CRC 校驗(yàn)”的格式，主機(jī)對(duì)從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢，把數(shù)據(jù)讀入指定的寄存器中。為了更直接讓目標(biāo)設(shè)備與云端數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行溝通，可把點(diǎn)位信息對(duì)照寫在嵌入式程序中一起燒錄到DTU 里，缺點(diǎn)是不方便調(diào)試修改。本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)后不做修改的方式，期間DTU 只做二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制的翻譯，然后直接傳輸?shù)较到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，DTU完成數(shù)據(jù)橋梁的工作，由系統(tǒng)平臺(tái)來(lái)處理不同分類和點(diǎn)位信息匹配。這樣的好處是在系統(tǒng)面對(duì)多個(gè)不同類型的設(shè)備時(shí)，減輕DTU 調(diào)試對(duì)接工作，DTU 的適用面更廣，方便同一套系統(tǒng)對(duì)接不同類型的目標(biāo)設(shè)備。

DTU 采用MQTT 通信協(xié)議與云端進(jìn)行通信。過程中服務(wù)器端根據(jù)需要訂閱三個(gè)主題，分別為上報(bào)狀態(tài)主題和上報(bào)數(shù)據(jù)主題，另外服務(wù)器端可以下發(fā)一個(gè)指令主題，由DTU 設(shè)備來(lái)訂閱，用以修改設(shè)備端（如空調(diào)）的寄存器值，這樣DTU 就完成數(shù)據(jù)信息的上傳下達(dá)工作。

系統(tǒng)接收到的狀態(tài)報(bào)告如下，主要提示受監(jiān)控設(shè)備正常在線：

{"data_id"：35，"cmd_type"：5，"cmd_arg"：2，"device_id"："868618 0532****"，"online"：0，"version："："v2.00_35_tongyi_HotColdWater"}

系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)報(bào)告：

{"data_id"：35，"data_type"：5，"device_id"："8686180532****"，"signal"：20，"status"：1，"version"：1，"c_type"：401，"card_num"："89860 4B02622D0****"，"collect_time"：1，"data"：{"p"："12，283，2，76，280，302，0，277，215，0，0，360，328，0，4，25，20，0，186，1320，450，3，15，0，0，0，0，51，80，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，180"，"c"：""，"e"：""}}

為了適應(yīng)大多數(shù)設(shè)備不同數(shù)量點(diǎn)位參數(shù)的要求，DTU 預(yù)設(shè)了90 個(gè)寄存器來(lái)傳參，讓系統(tǒng)的適應(yīng)性更好，但又不能盲目太長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳輸過程如果產(chǎn)生中斷，太長(zhǎng)就會(huì)受影響。

3 云監(jiān)控平臺(tái)

3.1 平臺(tái)架構(gòu)與構(gòu)成

系統(tǒng)可以同時(shí)管控多個(gè)用戶組，每個(gè)用戶組可以設(shè)置若干個(gè)管理員，而且可以同時(shí)管控對(duì)應(yīng)若干臺(tái)設(shè)備，廠家統(tǒng)管眾多冷庫(kù)設(shè)備和用戶群，形成龐大的分布式管控平臺(tái)，如圖4 所示。

圖4 遠(yuǎn)程管控平臺(tái)架構(gòu)圖Fig.4 Remote control platform architecture diagram

系統(tǒng)為應(yīng)對(duì)多種用戶需求，采用了C#，Bootstrap，Html5，CSS3，Jsp，Ajax，Jquery 等多種語(yǔ)言和先進(jìn)的前端技術(shù)編程方法來(lái)完成。用戶終端采用B/S 架構(gòu)，用戶在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可以隨時(shí)通過瀏覽器來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[12]，客戶端采用圖形化界面，監(jiān)控狀態(tài)和數(shù)據(jù)通過Web 方式呈現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了友好的數(shù)據(jù)前端可視化[13]。

云監(jiān)控平臺(tái)主要功能包括用戶管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)等幾個(gè)模塊[14]，通過分布式架構(gòu)，管控眾多的設(shè)備數(shù)據(jù)資源。設(shè)備安裝后，系統(tǒng)通過MQTT 通信協(xié)議把遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)。系統(tǒng)提供客戶端給用戶自行匹配設(shè)備，用戶可以選取對(duì)應(yīng)的設(shè)備參數(shù)，匹配設(shè)備數(shù)據(jù)，對(duì)參數(shù)表進(jìn)行點(diǎn)位調(diào)配，然后通過手動(dòng)在地圖上捕獲位置進(jìn)行定位，完成設(shè)備與后臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)初始化。

3.2 數(shù)據(jù)處理與呈現(xiàn)

云端系統(tǒng)接收從通信模塊發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)，由于DTU 對(duì)數(shù)據(jù)只做了簡(jiǎn)單二轉(zhuǎn)十的處理，所以系統(tǒng)必須通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)位配置修改好后才能存入數(shù)據(jù)庫(kù)，特別是有些是沒有小數(shù)點(diǎn)，有些是一位小數(shù)，有些是兩位小數(shù)，有正數(shù)又有負(fù)數(shù)，還有些是時(shí)間類別的，必須配合不同參數(shù)不同的處理方式。比如時(shí)間參數(shù)在DTU 中通過二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制后數(shù)據(jù)必須再采用六十進(jìn)制轉(zhuǎn)回時(shí)間制式，數(shù)字除以60取整就是小時(shí)，取余就是分鐘，再判斷分鐘小于10補(bǔ)0，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

系統(tǒng)采用微軟.net MVC 框架，先從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出硬件上行的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶配置的點(diǎn)位信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，利用JS 渲染，結(jié)合百度ECHART 圖表控件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)圖表動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)效果。如圖5 所示，可清晰看到設(shè)備位置和運(yùn)行狀態(tài)。

圖5 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)系統(tǒng)界面Fig.5 Equipment operation status interface

ECharts 是基于JavaScript 的數(shù)據(jù)可視化開源圖表庫(kù)[15]，系統(tǒng)采用圖層堆疊形式定義了多個(gè)參數(shù)圖形標(biāo)簽（包括溫度、排氣、壓力、頻率、電流、電壓等），用戶瀏覽時(shí)通過激活它們關(guān)聯(lián)的圖層來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)頁(yè)面展示多種參數(shù)圖形。前端實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵代碼參考如下：

4 預(yù)警與故障診斷

利用云監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)可以設(shè)定預(yù)警值，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)臨界狀態(tài)，有效減低故障率；對(duì)發(fā)生故障的設(shè)備，也能準(zhǔn)確診斷出故障原因，為事后維修提供參考數(shù)據(jù)，大大減免無(wú)頭緒的現(xiàn)場(chǎng)摸索排查過程。遠(yuǎn)程診斷流程如圖6 所示。

圖6 遠(yuǎn)程診斷流程Fig.6 Remote diagnosis flow chart

4.1 設(shè)備報(bào)警

系統(tǒng)日常對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，當(dāng)需要預(yù)警/報(bào)警判斷時(shí)，首先獲取目標(biāo)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息和特征信號(hào)，包括溫度、振動(dòng)、壓力等，通過把各信號(hào)當(dāng)前的狀態(tài)信息與設(shè)定的預(yù)警/報(bào)警值進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)判斷是否有故障傾向，然后發(fā)出預(yù)警提示同時(shí)通知管理員，例如：

（1）當(dāng)前回氣溫度≥P073 設(shè)定值，且持續(xù)P074時(shí)間，則發(fā)出回氣溫度過高報(bào)警；

（2）當(dāng)前回氣溫度≤P075 設(shè)定值，且持續(xù)P074時(shí)間，則發(fā)出回氣溫度過低報(bào)警；

（3）當(dāng)前排氣溫度≥P077 設(shè)定值，且持續(xù)P074時(shí)間，則發(fā)出排氣溫度過高報(bào)警。冷凝機(jī)組的冷媒有泄漏的可能。

4.2 遠(yuǎn)程故障診斷及處理

某冷庫(kù)，用戶反映庫(kù)溫達(dá)不到-18 ℃要求，一直在-2～-5 ℃左右，通過查看系統(tǒng)記錄的圖表數(shù)據(jù)和分析，發(fā)現(xiàn)庫(kù)房溫度確實(shí)無(wú)法達(dá)標(biāo)，如圖7 所示。

圖7 庫(kù)房溫度變化Fig.7 Temperature change of warehouse

故障診治分析：

（1）除霜間隔短，頻次多，導(dǎo)致供冷時(shí)間少，庫(kù)房輸入的冷量少，從而導(dǎo)致庫(kù)房溫度無(wú)法下降，如圖8 所示。

圖8 除霜狀態(tài)Fig.8 Defrosting state

（2）當(dāng)?shù)仉妷旱?，設(shè)計(jì)要求是380 V 電源供電，但實(shí)際只有330～360 V 左右，導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行電流大，到達(dá)了保護(hù)值從而導(dǎo)致停機(jī)，再次啟動(dòng)后也無(wú)法恢復(fù)正常要求，從而反復(fù)不斷開、關(guān)，冷量供應(yīng)自然就少。如圖9 和圖10 所示。

圖9 輸入電壓數(shù)據(jù)Fig.9 Input voltage data

圖10 壓縮機(jī)相電流值Fig.10 Compressor phase current value

處理措施：

（1）通過系統(tǒng)修改參數(shù)，遠(yuǎn)程調(diào)整除霜間隔、除霜次數(shù)；

（2）通知用戶方，重新接電源，保證恒定電壓380 V 供電。

正常故障排查是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的事，但利用系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)減少安排工程師進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)排查檢測(cè)[16]的情況，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析能大概掌握“病癥”，并快速為用戶開出“藥方”，解決故障，盡早恢復(fù)庫(kù)房營(yíng)運(yùn)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的一站式冷庫(kù)云平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，幫助廠家實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備資源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的自動(dòng)采集、診斷、控制及展示，可以同時(shí)管控眾多的目標(biāo)設(shè)備，可以積累不同類型、不同指標(biāo)的大量數(shù)據(jù)，為后期產(chǎn)品精細(xì)化分析與數(shù)據(jù)挖掘提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有利于產(chǎn)品的改進(jìn)和新品研發(fā)。

通過系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)的視圖和數(shù)據(jù)分析，能給用戶專業(yè)指導(dǎo)或可通過系統(tǒng)協(xié)助用戶改正相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，從而讓設(shè)備能效達(dá)到最佳狀態(tài)，為業(yè)主節(jié)約能耗開銷。出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)解決問題，提升工作效率，大大降低遠(yuǎn)程維修支持的資源開銷，減少庫(kù)內(nèi)生鮮食品和農(nóng)產(chǎn)品的損失。