基于物联网的矿井通风机远程监测系统设计.pdf

第 4 3卷 第 1期 2 0 1 7年 1月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 3 NO ． 1 J a n ． 2 0 1 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 1 0 0 8 1 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 0 1 ． 0 2 0 玄兆燕 ， 王凯良， 吴卓繁． 基于物联网的矿井通风机远程监测系统设计r J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 7 ， 4 3 1 8 1 8 4 ． 基于物联网的矿井通风机远程监测系统设计 玄 兆燕 ， 王 凯 良 ， 吴 卓繁。 1 ． 华 北理工 大学 机 械工程 学 院 ，河北 唐 山0 6 3 0 0 0 ； 2 ． 中国农 业 大学 工学 院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 针 对现 有通风 机状 态监 测 系统 只 能在现 场 工控机 或 服务 器上 查看 、 分析 数 据 的 问题 ， 设 计 了一 种 基 于物联 网的矿 井通风机 远程 监 测 系统 。该 系统 以 3 C2 4 4 O为 处理 器 、 Qt为编 程语 言 、 On e NET 物联 网平 台为数 据传输 平 台 ， 可 实 时获取 、 分析矿 井通 风机 的振动 信 号 ， 实时感知 矿 井通风机 的 运行状 态 ， 从 而 实现 矿 井通风机 设备 的预 知 维修 。 关 键词 矿 井通风机 ； 远 程监 控 ；振动 信 号 ；故 障诊 断 ；物联 网 ； On e NE T 中图分类 号 TD 6 3 5 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 1 2 3 0 1 0 3 3 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 1 2 3 0 ． 1 0 3 3 ． 0 2 0 ． h t m1 De s i gn o f r e mo t e mo ni t o r i ng s y s t e m o f mi n e v e n t i l a t o r ba s e d o n I nt e r n e t o f t h i ng s XUAN Zha oy a n ， W ANG Ka i l i a n g ， W U Zhuo f a n 1 ． C o l l e g e o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g ，No r t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Ta n gs ha n 06 3 0 00，Chi na； 2 ． En g i n e e r i n g I n s t i t u t e ，Ch i n e s e Ag r i c u l t r u a l Un i v e r s i t y，Be ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e m t h a t c u r r e n t c o n d i t i o n mo n i t o r i n g s y s t e m o f v e n t i l a t o r o n l y c a n i n q u i r e a nd a na l y z e d a t a on i n du s t r i a l PC or s e r ve r o n s c e n e，a r e mot e m o n i t o r i ng s y s t e m o f mi ne ve nt i l a t o r b a s e d o n I n t e r n e t o f t h i n g s wa s d e s i g n e d ． Th e s y s t e m t a k e s 3 C2 4 4 0 a s p r o c e s s o r ， QT a s p r o g r a mmi n g l a ng ua g e， On e NET ne t wo r ki ng pl a t f o r m a s d a t a t r a ns m i s s i o n pl a t f o r m ， a n d c a n o b t a i n a n d a n a l y z e vi br a t i on s i gn a l of mi n e v e nt i l a t o r r e a l t i me l y，pe r c e i v e r un ni n g s t a t u s o f mi n e v e n t i l a t or ，S O a s t o r e a l i z e p r e ma i n t e n a n c e o f mi n e v e n t i l a t o r ． Ke y wo r d s mi n e v e n t i l a t o r；r e m o t e mon i t o r i ng；v i br a t i on s i gn a l ；f a u l t d i a g no s i s；I nt e r ne t o f t hi n gs； 0ne N ET 0 引言 矿井 通 风机 是 重要 的矿 山安 全设 备 ， 现有 多 种 通 风 机状态 监测 系统 ， 监 测 系统 的 通 信方 式 多 种 多 样 ， 有 RS 4 8 5串 口通信协议 、 Z i g B e e无线 网络通信 协 议 、 B I TB US总 线 、 P r o f i b u s总 线 、 C AN 总 线 等 ， 但这些通信协议都为局域网络传输口 ] ， 所获取 的数 据只 能在现 场工 控机或 服务 器上 查看 。受 现场工 作 条件限制 ， 专业人员很难驻守现场对通风机设备的 运行状况进行分析评估 ， 只能依赖工控机内置 的故 障诊断程序来进行故障诊断 ， 缺乏准确性与智能性 ， 不能对复杂的工况环境做出严谨准确的判断 ， 会造 成维修滞后 ， 存在安全隐患。基于上述情况， 本文设 计 了一 种 基 于 0 n e NE T 物 联 网平 台 的矿 井通 风 机 远 程监测 系统 ， 通 过嵌 入 式 系 统对 矿井 通 风机 的振 动 信号进 行采 集 、 处 理并 传输 至 On e NE T物 联 网平 台， 实现了矿 山设备工作健康状况实 时感知 ] 。本 系统以 On e NE T物联 网平 台为振动信号的传输存 储平台， 通过互联网传输协议 ， 专家可以随时随地获 取 通风 机 的振 动数 据 ， 对 通 风 机运 行 状 况 进行 查 询 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 8 - 2 9 ； 修 回日期 2 0 1 6 一 1 0 0 8 ； 责任编辑 张强 。 作者简 介 玄兆燕 1 9 6 3 一 ， 女 ， 河北 唐山人 ， 教授 ， 博 士 ， 主要 研究 方向为信 号分析 、 机械故 障诊断 ， E ma i l x z y a n a n 1 2 6 ． c o m； 通 信作 者 王凯 良 1 9 9 1 一 ， 男 ， 河北邢台人， 硕 士研究生 ， 研究方向为信 号分析 、 机械故障诊断 ， E - ma il a 5 4 6 0 1 1 7 9 0 a 1 6 3 ． c o m。 8 2 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 分 析 ， 同时 也方便 多 专家协 作分 析 ， 具 有很 好 的网络 扩 展性 。 1系统硬 件设 计 基于物联网的矿井通风机远程监测系统 由 4 G 网络 、 振动速度传感器、 嵌入式系统及物联网平 台组 成 ， 系统结 构 如 图 1所示 。 图 1 基于物联网的矿井通风机远程监测系统结构 本 系 统 所 监 测 通 风 机 的 主轴 转 速 为 1 0 0 0 ～ 1 6 0 0 r ／ rai n ， 故选用 6路振动速度传感器分别测量 通风机电动机输出端、 通风机转子前端和后端振动 信号， 所测振动信号电流值经 AD转换后传输至嵌 入 式系统 中。 嵌入 式 系统 以 3 C 2 4 4 0为处 理 器 ， 同 时搭 载 外 围 部 件AD 采 集 芯 片 、触 摸 屏L C D、NAND F L AS H、 网络 芯片 D M9 0 0 A、 MI C R OS D卡接 口等 ， 以实现振动信号的采集 、 处理、 显示 、 保存 和传输等 功 能 。 本 系统 采用 4 G 网卡 与无 线 路 由器 组 成信 号 传 输所需 网络环境 ， 由移动电源对无线路 由器进行供 电 ] 。即使 现 场 没 有 连 通 互 联 网 ， 也 可 由 4 G 网络 连接物联网平台， 降低 了现场的布线难度 ， 消除了对 现场网络条件的依赖 。 2系统软 件设 计 本 系统 以 L i n u x 2 ． 6 ． 2 2 ． 6为 内核 ， 搭 载 Qt o p i a 为桌面系统组成操作系统， 实现对外设硬件的驱动 、 图形 显示 、 触摸 屏操 作 、 网络连 接等 功能 。通 风机 远 程监测系统软件模 块主要包括 AD采集及处理 模 块、 数据存 储模块 、 时域指标 分析模 块、 数 据传 输 模块 。 本系统所测取的通风机振动信号为 6 路振动速 度传感器测得 的电流信号 ， 经由 A D转换后传输至 嵌入式系统中， 将所采集 的振动信号经低通滤波处 理后存储为 x ml 格式文件 ， 每个 x ml 文件包含一组 振动信号， 即 6 路 5 1 2 个数据点， 当系统需要传输 数据时 ， 由网络传输程序解析数据文件并传输至物 联网平台， 供相关专家或技术人员下载或查看。通 风机振动信号传输流程如图 2所示 。 ／ ．匝 巫卜．匝 匦垂 ] _ 岖亟固 圈 率 l 垫 量 I 二二 r 一 匝蛰 区 卿 采样 ＼／ Y 甲 图 3 数 据采集程 序流程 2 ． 2数据存 储模 块 XML即可扩展标记语 言， 具有 简单 、 友好 的特 性 ， 被广泛应用于数据交换和数据存储。Qt 提供 了 Qt X ml 模 块 ， 帮 助用 户 实 现 x ml 文 件 的 读 写操 作 。 2 0 1 7年第 1 期 玄兆燕等 基 于物联网的矿井通风机远程监测系统设计 8 3 通 风 机 振 动 信 号 的 存 储 使 用Qt提 供 的 Q Xml S t r e a mWr i t e r 写 入x ml文 件 ，如 使 用 Q Xml S t r e a n Wr i t e S t a r t E l e me n t创建 开 始 标签 ， QX ml S t r e a n Wr i t e E n d E l e me n t创 建 结 束 标 签， QX ml S t r e a n Wr i t e s e t Au t o F o r ma t t i n g开 启 自动 缩进 ， QX ml S t r e a n Wr i t e wr i t e At t r i b u t e 设置标签 属性 ， QX ml S t r e a n Wr i t e w r i t e T e x t E l e me n t 写 入 包含文本内容的标签 ] 。数据存储程序流程如图 4 所示 。 创建开始标签A r r a y l 壁 堕 堡 竺 l 写入振动速度信号幅值I ’ 匝窭 ● 匦堕 T - 图 4数 据存 储 程 序 流 程 2 ． 3 时域 指标 分析模 块 直接对振动信号进行时间历程的分析和评估是 实现状态监测和故障诊断最简单和直接的方法。信 号的时域统计分析是指对动态信号 的各种 时域参 数 、 指标的估计或计算 ， 通过选择和考察合适的信号 动态分析指标 ， 可以对不同类 型的故障作 出准确 的 判断 。峭度指标 、 裕度指标在机械早期故 障有较高 的敏感性 ， 但是在稳定性方面不好。一般烈度指标 的稳定性较好 ， 但 是对 机械早期故 障信号不 敏感。 为了取得较好的故障诊断效果 ， 常常将多个指标 同 时应用 ， 以在敏感性和稳定性方面都取得较好 的效 果I 6 ] 。本系统中计算了采集信号的峰峰值、 均值 、 峰 值 、 烈度、 裕度、 峭度。 在嵌入式应用 中， 首先读取 x ml 文件中的振动 信号， 然后将振动信号单位转换为振动速度单位 ， 根 据各指标计算公式， 计算各 时域指标并显示 。时域 指标分析程序流程如图 5所示 。 2 ． 4数 据 传 输 模 块 振动信号的物联网传输应用主要实现的功能包 括解析包含 振动信号 的 x ml 文件 、 连接 物联 网平 台、 传输振动信号数据。Qt 本身提供 了大量 的类 ， 编程所需绝大多数 的功能可 由这些类的成员函数实 塑 囱 豳 I 在绘图区』 l 绘制波形 I 将 始 电压信号 转换 振动速度信号 二二 二二 查询信号幅值 的最大 值 、14 iiXm 。 。 千 一 r ‘ 1 J 计 算 峰 峰 值 l 厂 将幅值 总和 Z z s 与采样 点数Ⅳ 作商， 求平均值 显示 将疑大值 与均值 i 作差，求峰值 计算所有信号幅值的平方 和∑ ， 与采样点数Ⅳ 作商 计算上步结果的 算术平方根， 求烈度． 。 了 一 囱 将烈度 。 与信号平均 值腓 商， 求裕度 T一 厂 计算信号幅值的绝对值 与平 均值之差的4 次方和z 0 将 z 一 x 与 烈度 。作 商并除以采样 点数 ‘ 求出峭度 c n 显示 工 结束 图 5 时域指标分析程序流程 现m 。在连 接物联 网时 ， 使 用 Q t N e t w o r k模块 中的 Q S o c k e t 类 建 立 网络 客 户端 ， 并 连接 至 网络 服 务器 。 振动信号的物联网传输应用程序流程如图 6 所示。 I 解 析 x m j文 件l ● l 建 立 定 时 器I 一 I 判 断 数 据 分 组I 建立S o c k e t 客户端 I打包发送数据 l 关闭客户端 ● 盒 N 图 6 振动信号 的物联 网传输应用程序流程 2 ． 5 On e NET 平 台 On e NE T平 台支持多种传输协议 ， 如 HT TP 、 E D P、 Mo d b u s等 ， 具有 良好 的可视化应用 ， 数据存 8 4 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 储量大 ， 故选用其作为本 系统 中实现数据存储与传 输 的物联 网平 台。 本系统采用 HT TP协议作 为连接 On e NE T平 台的 网络协议 ， 由 网站 提 供 的协 议 文 档 可 获得 AP I 接 口及这些接 口的调用方式 、 参数说明等 ， 具体内容 见 表 1 、 表 2 。 表 1 HT TP方法及作用描述 HTT P方 法 作 用 描 述 P OS T PUT GET DELETE 新增资源信息 更新资源信息 查看资源信息 删除资源 表 2 P OS T方法上传数据 的参数 内容 P OS T方法 参数 内容 表 1给出了常用的 HTT P方法及其作用 ， 表 2 给出了使用 P OS T方法 上传 数据 的参数 内容。在 On e NE T平 台完成注册并建立设备后 ， 即可获得相 应的 a p i k e y与 ， 作 为 传输 数 据 至 O n e NE T 平 台的用 户权 限验证 。 传输数据至物联 网平台除需要遵守网络传输协 议外 ， 还需要将数据与数据特征组合为包含 HTT P 方法 、 a p i k e y 、 d e v i c e i d 、 传输数据等 内容 的规范文 本。通过 On e NE T平台的在线调试系统查看其传 输文本 ， 并在程序中按其规范组合发送。 振动信号传输至 On e NE T平 台后 的时域波形 如图 7 所示 。原始振动信号 时域波形如图 8所示 。 对比图 7与图 8可知， 传输过程无数据丢失。 6 0 i0 r △ b 测点 2 图 7 振动信号传输至 On e N E T平 台后 的时域波形 △ 图 8 原始振动信号 时域波形 3 结语 基于物联 网的矿井通风机远程监测系统利用嵌 入式 系统 体积 小 、 功耗 低 、 功 能定 制 等 特 点 ， 与 物 联 网实时传输、 物物相连的特点相结合 ， 实现了矿井通 风机 运行 状况 的实 时监 测 。系统 可测 取矿 井通 风机 振动速度信号 ， 并经由嵌入式系统传输 、 发送至物联 网平 台 ， 方便 相关 专 家 与技 术 人 员 通 过互 联 网查 看 及分 析 通风机 运行 状 况 ， 解 决 了现 有 系 统 只 能在 现 场服务器查看 、 分析数据的问题。 参 考文献 [1] 邓杏松 ， 朱 昌平 ， 王智 ， 等． 基于嵌 入式 技术 的矿井 安 全监控 系统设 计 [ J ] ． 苏 州大 学 学报 工科 版 ， 2 0 1 0 ， 3 0 1 7 1 1 ． [ 2] 王文庆 ， 唐 轩 ， 亢红波 ． 基 于 Z i g B e e的矿 井监 测 系统 中以太 网 网关 设 计 [ J ] ． 西 安 邮 电大 学 学 报 ， 2 0 1 5 ， 2 O 3 1 l 3 - 1 1 9 ． [ 3] 韩慧 ， 倪荣军 ， 刘明 ， 等． M B US总线 在矿井监测 系统 的设计与应用 [ J ] ． 煤炭科 学技术， 2 0 1 4 ， 4 2 1 1 8 l 一 8 4 ． [ 4] 金文兵． 矿井通风机监控软件的设 计与实现[ D] ． 北京 北京交通 大学 ， 2 0 1 1 ． [ 5] 杨书勇 ， 徐小力 ， 王立勇． 基于嵌入式技术 的往 复机械 数据 采 集 系 统 开 发 [ J ] ． 测 控 技 术 ， 2 0 1 2 ， 3 1 6 57 5 9． [6 ] 孙华敏． 面向设备监测 的嵌入 式数采分 析系统软硬件 设计与实现I- D ] ． 北京 北京交通大学 ， 2 0 1 4 ． [ 7] 张 申， 丁恩杰 ， 徐钊 ， 等． 物联 网与感知 矿 山专 题讲 座 之二感知矿 山与数字矿 山、 矿山综合 自动化[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 1 1 1 2 9 1 3 2 ． [ 8] 玄兆燕 ， 唐佳 明， 陈学斌 ， 等． 农 田环境 信息 采集 系统 设计与实现 [ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 1 4 ， 3 5 1 1 4 1 4 3 ． [ 9] 霍亚飞 ． Qt C r e a t o r 快速入 门[ M] ． 北 京 北 京航 空航 天 大学 出版社 ， 2 0 1 2 ． r 1 O ] BLANCHETTE J ，S UMMERFI EL D M ．C GUI Qt 4编程[ M] ． 2版．闫锋钦 ， 曾泉人 ， 张志强 ， 译．北 京 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 8 ．