基于物联网的功率检测系统的设计

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随着科学技术的发展，电能的广泛运用。人们通过对电能各个参数的检测如电压、电流、功率因数等，然后根据采集的数据运用-定的方式，实现对工作机的自动化控制，从而达到对工作机故障的检查、加工产品精度的控制、提高产品的效率；同时能够提高能源的利用率，减少排放，实现绿色环保、节能等目的。

2物联网技术物联网即是通过射频识I](RFID)装置 、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的-种网络。物联网的本质主要表现：(1)互联网特征，即对需要联网的物-定要能够实现互联互通的互联网络；(2)识别与通信特征，即纳人物联网的物”-定要具备自动识别与物物通信的功能；(3)智能化特征，即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。

物联网应用可以分为三层：(1)传感网络层，即以二维码、RFID、传感器为主，实现对物”或环境状态的识别；(2)传输网络层，即通过现有的互联网、广电网、通信网或者下-代互联网(IPv6)，实现数据的传输和计算；(3)应用网络层，即输入输出控制终端，包括电脑、手机等终端。三层之间的关系为：感知识别是- 个基矗网络传输是-个平台、支撑。智能应用是-个标志和体现Ⅲo3基于物联网的功率检测系统设计原理系统由终端节点层、主控节点层、GPRS网络层、应用层组成日，如图 1所示。

来稿日期：2012-03-i0基金项目：四川侍育厅项目究(1 1ZA128)作者简介：彭奥(1967，3)，男，湖南武冈人，教授，从事计算机应用和智能控制研究图 1系统的设计原理图Fig.1 The System Design Principle Diagram8 彭 奠等：基于物联网的功率检测系统的设计(1)终端节点层。终端节点层主要负责采集功率相关的因素如电压、电流、功率因素等，然后经过滤波、放大、A/D变换、自动增益、计算、处理得到功率，再经过无线通信把采集到的数据传到主控节点。(2)主控节点层。主控节点层汇集终端采集到的信息，并向上通过GPRS网络发送给应用层的检控中心。(3)GPRS网络。GPRS网络实现把主控节点采集到信息，联上互联网。方便应用层的监控中心的远程读娶监控、管理圈。(4)应用中心。应用中心把终端采集到的功率等相关因素应用到各个方面。如：检测机床的在线功率、远程抄表、电能质量的监控等H。

4检测系统实现4.1检测系统硬件设计4.1.1终端节点的设计终端的设计主要分为：功率检测、MCU处理拈及其相关的外围电路、电源拈嘲。终端层的系统设计，如图2所示。

图2终端层的系统设计Fig.2 Terminal Layer System Design(1)功率检测功率检测部分主要作用是通过-定的方式采集工作机工作时的电压、电流等因素，然后经过功率检测芯片的处理计算等到机床工作时的功率，最后通过-定的通信方式把它传络MCU处理。该部分包括数据的采集、功率检测芯片电路的设计。由于工作机工作时的电压220V/380V与功率检测芯片的采集的电压相差很远，因些必需通过-定的方式把大电压的信号变成小电压的信号，方便信号的采集。采用互感器实现。

(2)MCU处理拈及其相关的外围电路设计部分主要包括MCU处理拈、通信拈、控制拈、LCD显示拈、按键拈、报警拈、外部存储拈、时钟拈的设计。

MCU处理拈。MCU(Micro Control Unit)为微控制单元，用来处理计量拈得到的数据，实现人机交互；实现与其它设备的通信等重要组成拈。通信拈包括Pc通信拈和无线通信模块∝制拈把从通信拈接收到的指令经过MCU具体实施到工作机上，同时也把工作机的工作状况反馈到MCU，便于自动化的控制及管理。LCD显示拈显示测量所得到的数据，方便人的读取数据，是由MCU驱动的。按键拈采用键盘扫描的方式，由- 定数量的按键组成。不同的键，实现不同的功能。报警拈采取- 定方式，用来警告工作机工作在错误的状态或者提示电压、电流等超过了额定电压或额定电流。外部存储拈为扩展MCU的f渚存容量，用来存储 MCU的运行程序以及-些处理的数据。时钟拈显示具体时间等。

(3)电源拈电源拈是为终端节点正常工作提供工作电压的。-般常用选用耐久的、容量大的纽扣电池。同时也要根据使用的环境不同，选择合适的电池。

4.1.2主控节点层的设计在主节点层中，主控节点主要作用：(1)向下收集底层的传感信息；(2)向上通过GPRS网络发送给应用层的监控中心；(3)构建和生成网络并能够向下允终端的连接与断开实现路由功能，同时横向能够与其它主控节点进行通信。主控节点中的通信装置是Intemet和工作机通过ZigBee构成的无线局域网的网关。该节点把ZigBee技术与GPRS技术有效的融合在-起，工作机实时的在线功率等数据发送给应用中心。其结构图，如图3所示。

图3主控节点Fig.3 The Design of Master Node复位拈实现系统上电复位以及运行时的按键复位功能。

晶振拈为MCU提供工作时钟。电源拈为MCU提供工作电压。时钟拈显示时间。调试拈用来调试所编写的软件程序，采用的是 JATK接口的在线调试。GPRS通信拈是把终端汇集到的数据传送到应用中心。RF通信拈是实现主控节点与终端之间的通信，以及发现网络与构建网络。

4.2系统的软件设计系统的软件设计包括两个部分：终端节点的软件设计和主控节点的软件设计。

4.2.1主控节点的程序设计主控节点的功能：(1)与上层应用平台的之间的通信，包括有线通信和基于GPRS、WIFI方式无线通信同；(2)与终端层的网络通信，通信方式有蓝牙、红外、Zigbee等，其中采用 Zigbee方式，要与终端层的网络通信主要包括建立网络、节点ID的设置、清理邻近表、清理绑定表等[71。

在集中器节点建立网络时，首先要初始化 RF拈，设置 RF的工作速率、工作频率等参数，使RF模 挂 低功耗模式。在初始化时，要不断询问网络初始化是否完成，-直等到肯定的应答为止，因为网络初始化完成并不代表网络初始化成功，只有确认网络初始化成功，才能在当前信道上建立-个新的网络，否则就要报错并返回初始化状态圈。主控节点的程序流程图，如图4所示。

主控节点的主程序嗍：void main(void)wDTcTI wDTPwwDTH0LD；朕 闭看门狗int- clk；/系统时钟初始化int usart；砌 始化串口void Zigbeemain；，彻 始Zigbee通信协议void gprs(void)；砌 始化 gprs通信协议No.1Jan.2013 机械设计与制造 9P4DIROXFF；腚 义要使用的端口P4OUT0X00；- EINT；/，打开串口中断图4主控节点的程序流程图Fig.4 The Program Flow Chart of Master Node4.2.2检测终端的程序设计检测终端的主要功能：(1)与上层主控节点的数据传输，系统采用的是RF无线通信方式建立的连接 ；(2)检测端的数据的采集与预处理191。程序流程，如图5所示。

图5检测终端的程序流程图Fig.5 The Program Flow Chaa of Detection Terminal检测终端的主程序：intmain(void)WDTCTL'WDTPWWDTHOLD；/，关闭看门狗int- elk；/系统时钟初始化voidinit- SPI；腑Ⅱ始化 sP1(与检测芯片的通信)ce2420init； 玎始化RF芯片void Zigbeeslave； 始化 Zigbee通信协议P2DIR&～0XFD；，/定义使用端口P2SEL&OXFD；IE2&URXIE1；P2IESI0X02；P2IE0x02：- EINT；/，打开中断)5结论运用基于物联网技术，采用标准数据采集和仪器控制技术设计出-种功率检测系统。该系统可实现工作机的功率监控，并有效地监控工作机的运行状态，应用于工作机故障诊断，提高工作机的自动'f-O平等。