文/康平 李源 張盼

1 研究目的

近年來(lái)，隨著裝備技術(shù)的發(fā)展和戶外基建設(shè)施設(shè)備增多，施工裝備在數(shù)量和質(zhì)量上都有了巨大變化，特別是用電設(shè)備種類、功率的不斷增多、增大，對(duì)電能消耗的依存度也不斷加大。野外作業(yè)在沒(méi)有配套電網(wǎng)保障的情況下，發(fā)電機(jī)組作為臨時(shí)通用能量轉(zhuǎn)換裝置，具有移動(dòng)安裝方便、工作穩(wěn)定等諸多特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但在使用中精準(zhǔn)保障智能化管理不夠理想。諸如不同型號(hào)機(jī)組同時(shí)工作，需長(zhǎng)時(shí)有人值守監(jiān)護(hù)、操作，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決如燃油、電壓穩(wěn)定性等故障癥候，以確保負(fù)載設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定，減少停電、停機(jī)故障時(shí)間，提高施工進(jìn)度。因此急需要建立一套遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)改善管控模式，緩解保障監(jiān)管人員數(shù)量與能力的不足，改善長(zhǎng)時(shí)、高溫、高噪的工作環(huán)境、降低裝備維護(hù)成本，延長(zhǎng)使用壽命。

2 實(shí)用需求分析

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷是為了解決施工過(guò)程中各類發(fā)電機(jī)組設(shè)備因技勤人員少造成裝備狀態(tài)監(jiān)控不足、使用管理粗放等問(wèn)題。通過(guò)與廠家、發(fā)電機(jī)組保障人員的廣泛交流，以及對(duì)施工作業(yè)期間設(shè)備使用環(huán)境、故障特點(diǎn)的分析研究、操作實(shí)踐，理清了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本需求。

2.1 實(shí)時(shí)性要求

實(shí)時(shí)遠(yuǎn)端反映發(fā)電機(jī)組電站工作狀態(tài)的指標(biāo)參數(shù)有電壓、電流、功率、功率因數(shù)、機(jī)油壓力、水溫、油量等，對(duì)于時(shí)間敏感信息，要做到狀態(tài)信息實(shí)時(shí)傳輸顯示，要求系統(tǒng)要有較高的數(shù)據(jù)采樣速率、信息處理能力和數(shù)據(jù)傳輸能力；對(duì)于幅度敏感信息，則要求信息采樣精度要高，數(shù)據(jù)傳輸要穩(wěn)定可靠；對(duì)于異常故障信息，要第一時(shí)間準(zhǔn)確判定，第一時(shí)間故障預(yù)警；使用中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端遠(yuǎn)程模式的開(kāi)關(guān)機(jī)，輸供電、漏電保護(hù)，過(guò)、欠壓保護(hù)，工作時(shí)間記錄，維護(hù)預(yù)警等功能。

2.2 通用性要求

目前配屬使用的發(fā)電機(jī)組設(shè)備型號(hào)數(shù)量龐雜，工作方式各異，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到兼容性和擴(kuò)展性要求，在不對(duì)原有機(jī)組操作架構(gòu)較大改變或影響的情況下，確保系統(tǒng)能夠適用各型裝備，滿足多部裝備同時(shí)在線監(jiān)控。

2.3 環(huán)境適應(yīng)性要求

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要小巧靈活，便于安裝，易于操作，其環(huán)境適應(yīng)性要強(qiáng)，野外應(yīng)用時(shí)要做到防水、防塵、抗干擾。

2.4 低成本要求

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少對(duì)現(xiàn)有裝備的結(jié)構(gòu)改動(dòng)，依托裝備現(xiàn)有的傳感器設(shè)備完成系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，從而降低成本，提高系統(tǒng)的推廣價(jià)值。

2.5 低功耗要求

系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行，通過(guò)發(fā)電機(jī)組的電瓶供電，要求功耗低、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、耐壓區(qū)間大。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要依托無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)基本設(shè)計(jì)，在公里級(jí)范圍內(nèi)，通過(guò)搭建的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多部發(fā)電機(jī)組電站設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，在互聯(lián)網(wǎng)可接入的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)與各類物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控范圍的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由設(shè)備端、顯控端以及網(wǎng)絡(luò)通信端三部分組成。設(shè)備端安裝于發(fā)電機(jī)組電站設(shè)備之上，負(fù)責(zé)采樣收集各類傳感器的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)信息的打包上傳和控制信息的接收?qǐng)?zhí)行。顯控端依托手機(jī)等移動(dòng)載體，提供人機(jī)交互界面，完成狀態(tài)信息的顯示、報(bào)警和控制命令的輸出。網(wǎng)絡(luò)通信端為設(shè)備端和顯控端提供無(wú)線互聯(lián)通路。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

每一臺(tái)油機(jī)電站設(shè)備安裝有一塊固定地址信息的MCU微控制器，通過(guò)各種接口電路與各類參數(shù)傳感器、執(zhí)行器連接。其中微控制器采用Espressif公司設(shè)計(jì)的ESP8266芯片，其在智能家居物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有較為成熟可靠的應(yīng)用。其典型特征如下：

· 802.11b/g/n

· Wi-Fi Direct (P2P)、soft-AP

圖1：系統(tǒng)組成示意圖

圖2：水溫傳感器輸出電平與溫度關(guān)系曲線

圖3：數(shù)據(jù)上傳流程

圖4：控制命令下達(dá)流程

圖5：顯控終端界面

· 內(nèi)置TCP/ΙP協(xié)議棧

· 內(nèi)置TR開(kāi)關(guān)、balun、LNA、功率放大器和匹配網(wǎng)絡(luò)

· 內(nèi)置PLL、穩(wěn)壓器和電源管理組件

· 2ms之內(nèi)喚醒、連接并傳遞數(shù)據(jù)包

· 集成SDΙΟ2.0、SPΙ、UART接口

本項(xiàng)目采用搭載該款芯片的ESPDUΙNΟ開(kāi)發(fā)板作為設(shè)備端的硬件核心，優(yōu)化后的供電電路可接受5～16V的寬幅直流供電，可直接連接油機(jī)12V啟動(dòng)電瓶，為系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)提供了保障，同時(shí)該電路也提供5V、800mA的供電輸出，能夠滿足多種傳感器、模擬信號(hào)切換開(kāi)關(guān)等外圍器件的電能需求。

監(jiān)測(cè)敏感點(diǎn)選擇機(jī)油壓力、水溫、輸出電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、油量等指標(biāo)信息（可根據(jù)油機(jī)型號(hào)靈活調(diào)整檢測(cè)點(diǎn)），其中機(jī)油壓力、水溫、油量等信息的采集依托裝備現(xiàn)有傳感器，通過(guò)開(kāi)發(fā)板自身集成的ADC完成數(shù)據(jù)采樣。由于ESPDUΙNΟ只提供A0一個(gè)AD采樣接口（采樣范圍0～5V），無(wú)法同時(shí)采樣多種傳感器數(shù)據(jù)，考慮到當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)類型不多，以及后期功能擴(kuò)展的需要，將A0接口接入一個(gè)74HC4067的16通道模擬信號(hào)開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)用1個(gè)ADC對(duì)16路模擬信號(hào)分時(shí)采樣的功能擴(kuò)展，即設(shè)備端可以通過(guò)1個(gè)10位AD，最多采集16組模擬傳感器信號(hào)。

以對(duì)機(jī)油壓力進(jìn)行采樣為例，油機(jī)電站使用YY-010型壓力傳感器，感應(yīng)量程0-1MPA對(duì)應(yīng)電阻輸出0-184Ω，在原測(cè)量電路中，使用12V電壓驅(qū)動(dòng)，無(wú)法直接進(jìn)行采樣，通過(guò)串接1KΩ可調(diào)電阻，調(diào)整分壓電阻阻值至560Ω左右，形成0-5V分壓電路，然后再進(jìn)行電壓采樣，通過(guò)采樣電壓與壓力的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系最終計(jì)算輸出當(dāng)前機(jī)油壓力值。同理可對(duì)水溫采樣的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)改造（采樣電壓與溫度值是反向線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，即NTC型輸出）。對(duì)于線性度不好、采樣值偏差較大或者線性對(duì)應(yīng)關(guān)系未知的傳感器，可以通過(guò)數(shù)值擬合標(biāo)定的辦法來(lái)確定輸出關(guān)系，提高輸出精度。在獲取康明斯油機(jī)水箱水溫時(shí)，由于傳感器的輸出關(guān)系曲線未知，無(wú)法進(jìn)行采樣計(jì)算，此時(shí)通過(guò)實(shí)測(cè)283組溫度與輸出電平的散列點(diǎn)，擬合出一條方差最小的直線作為輸出關(guān)系曲線，編程后得出的采樣溫度值與實(shí)測(cè)值誤差很小，達(dá)到使用要求。如圖2所示。

電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等信息的采集通過(guò)LT-163單相互感式電能計(jì)量模塊實(shí)現(xiàn)，通信規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)MΟDBUS-RTU協(xié)議。MΟDBUS 協(xié)議在一根通訊線上采用主從應(yīng)答方式的通訊連接方式。首先，主計(jì)算機(jī)（ESPDUΙNΟ）的信號(hào)尋址到一臺(tái)唯一地址的終端設(shè)備（LT-163），然后，終端設(shè)備發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)以相反的方向傳輸給主機(jī)。ESPDUΙNΟ向LT-163發(fā)送讀取寄存器指令，LT-163將寄存器存儲(chǔ)的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)反饋給ESPDUΙNΟ，由于ESPDUΙNΟ的TTL通信接口已被USB占用，可通過(guò)程序?qū)PΙΟ13、GPΙΟ15開(kāi)通為軟串口來(lái)連接LT-163。

對(duì)開(kāi)關(guān)機(jī)的控制動(dòng)作，通過(guò)ESPDUΙNΟ的數(shù)字3腳、5腳分別連接兩組光耦繼電器來(lái)完成啟動(dòng)電機(jī)的加電和油門(mén)拉桿的斷電，為確保啟動(dòng)和停止命令的可靠完成，兩組繼電器的執(zhí)行動(dòng)作周期被設(shè)定為3秒。

輸供電、漏電保護(hù)，過(guò)、欠壓保護(hù)，在原設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)電源輸出端的采樣，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置過(guò)、欠壓安全闕值，實(shí)現(xiàn)保護(hù)和預(yù)警。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，一是ESPDUΙNΟ開(kāi)發(fā)板驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，另一個(gè)是移動(dòng)終端APP軟件的設(shè)計(jì)。

ESPDUΙNΟ的編程開(kāi)發(fā)采用Arduino語(yǔ)言，這是一種是建立在C/C++基礎(chǔ)上的，對(duì)AVR單片機(jī)參數(shù)設(shè)置函數(shù)化后的C語(yǔ)言。工作時(shí)，程序要完成各類傳感器狀態(tài)信息的數(shù)字化采樣，分析數(shù)值是否在設(shè)定的閾值區(qū)間；對(duì)于協(xié)議數(shù)據(jù)，要按照接口協(xié)議的規(guī)范格式完成數(shù)據(jù)的讀?。辉谏蟼鲾?shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)與告警信息轉(zhuǎn)換成JSΟN數(shù)據(jù)格式，通過(guò)Wi-Fi通信模塊發(fā)送，經(jīng)路由器（局域網(wǎng)或國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)）送到用戶的移動(dòng)終端顯示?？刂菩畔⒂梢苿?dòng)終端發(fā)送，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)送入MCU，MCU通過(guò)執(zhí)行器完成控制命令，并更新執(zhí)行器的狀態(tài)，更新后的狀態(tài)信息由MCU發(fā)送給移動(dòng)終端，向用戶反饋控制結(jié)果。數(shù)據(jù)上傳流程如圖3所示，控制命令下達(dá)流程如圖4所示。

目前支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的云平臺(tái)有很多，如機(jī)智云、ΟneNET、氦氪云、樂(lè)聯(lián)網(wǎng)等，每個(gè)云平臺(tái)的功能各有特色，本項(xiàng)目采用開(kāi)源的Blinker物聯(lián)網(wǎng)接入方案，其特點(diǎn)事可根據(jù)項(xiàng)目需要自由定制手機(jī)端的APP功能和界面，提供多種開(kāi)源庫(kù)函數(shù)，支持Arduino、esp8266、esp32、樹(shù)莓派或其他linux開(kāi)發(fā)板，支持語(yǔ)音、震動(dòng)等多種功能調(diào)用，可以很好的完成系統(tǒng)所需的Wi-Fi接入方式的功能設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息和控制信息的多路擴(kuò)展，能夠同時(shí)接入多部電站設(shè)備。同時(shí)系統(tǒng)提供控制權(quán)限共享功能，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶對(duì)同一設(shè)備的控制。如圖5所示。

4 實(shí)用特點(diǎn)與創(chuàng)新

圖6：設(shè)備端的安裝位置圖

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)堅(jiān)持以任務(wù)需求為導(dǎo)向，采用模塊化平臺(tái)化設(shè)計(jì)，有很強(qiáng)的推廣價(jià)值，其設(shè)計(jì)理念和所用技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)用需要緊密結(jié)合，實(shí)用性、針對(duì)性強(qiáng)，采用移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動(dòng)終端相結(jié)合，人機(jī)分離的情況下，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多部發(fā)電機(jī)組設(shè)備多種狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可以對(duì)裝備參數(shù)的異常變化進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警，如機(jī)油壓力過(guò)低、油量不足、水溫過(guò)高等，極大地提升了發(fā)電機(jī)組設(shè)備的自動(dòng)化、智能化水平，系統(tǒng)擁有較好的人機(jī)交互性，擴(kuò)大了技勤人員的保障感知范圍，降低了工作強(qiáng)度；

（2）系統(tǒng)監(jiān)控范圍廣，搭建使用方便?？焖俨渴鸺茉O(shè)時(shí)僅需一部手機(jī)，開(kāi)啟WLAN熱點(diǎn)共享功能即可完成系統(tǒng)環(huán)境搭建，監(jiān)控半徑不小于150米，經(jīng)多次任務(wù)檢驗(yàn)，系統(tǒng)具備防水、防塵、抗干擾、超長(zhǎng)待機(jī)的優(yōu)勢(shì)，在野外機(jī)動(dòng)作業(yè)環(huán)境下展現(xiàn)了很高的應(yīng)用價(jià)值；長(zhǎng)期固定架設(shè)時(shí)，可通過(guò)無(wú)線路由器連接，局域網(wǎng)模式下，監(jiān)控半徑由路由器的信號(hào)覆蓋能力決定，單路由器無(wú)橋接情況下通常不小于300米，多路由橋接后監(jiān)控范圍成倍擴(kuò)展。在互聯(lián)網(wǎng)模式下，可完成數(shù)千公里范圍的低速數(shù)據(jù)監(jiān)控。

（3）系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組設(shè)備做了充分的兼容性設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行硬件改造，實(shí)現(xiàn)了電力、部分傳感器和控制器的兼容共用，從而極大地節(jié)約了硬件成本；整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，預(yù)留了足夠的功能擴(kuò)展接口，易于功能組合和拓展。其低成本、模塊化的優(yōu)勢(shì)有利于大范圍的推廣使用，在老舊發(fā)電機(jī)組電站設(shè)備的信息化升級(jí)改造上極具優(yōu)勢(shì)。

（4）系統(tǒng)的可移植性和可擴(kuò)展性十分突出，應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛，可用于多種場(chǎng)景下對(duì)多種設(shè)備的監(jiān)測(cè)控制；而同一設(shè)備的控制權(quán)又可以實(shí)現(xiàn)多用戶授權(quán)共享，進(jìn)一步擴(kuò)展了應(yīng)用場(chǎng)景。

5 總結(jié)

實(shí)踐證明，通過(guò)在發(fā)電機(jī)組上加裝此監(jiān)控系統(tǒng)，在人機(jī)分離的情況下，單人可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多部油機(jī)設(shè)備多種狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，該系統(tǒng)可對(duì)發(fā)電機(jī)組參數(shù)的異常變化進(jìn)行無(wú)延遲自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警，如機(jī)油壓力過(guò)低、油量不足、水溫過(guò)高等，極大地提升了油機(jī)設(shè)備的自動(dòng)化、智能化水平，降低了工作強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境。