CN107966921A - 一种嵌入式工业物联网控制器及监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种嵌入式工业物联网控制器及监测系统，该发明中控制器主要包括压力传感器、温度传感器和电流传感器的多路模拟信号输入，信号放大电路，滤波电路，多路控制信号输入，电平转换电路，光耦隔离，三相电压输入，复位电路，电源电路，继电器输出，模拟信号输出，状态显示，CAN总线接口电路，RS232接口电路等；监测系统包括ZigBee模块和监测软件界面；其中ZigBee模块包含ZigBee终端节点、ZigBee路由节点和ZigBee协调器节点三个部分，起到数据传输的作用；监测软件界面可以显示监测时间、对应控制信号的输入与输出、多种传感器采集的实时数值、相序监测的结果、故障报警信息和多路传感器采集的相应数值随时间轴的变化趋势。
Description
技术领域
本发明涉及控制器与监测系统，尤其涉及一种嵌入式工业物联网控制器及监测系统。
背景技术
工业中用到的控制器主要有可编程序控制器(PLC)、可编程自动化控制器(PAC)、总线工控机等类型。根据机电一体化系统的大小和控制参数的复杂程度，选用不同的微型计算机。
物联网其核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络。物联网是一种通过有线和无线通信技术，基于嵌入式智能，连接任何实体对象并进行普适计算与通信的网络，满足了大量基于人与人、人与物、物与人和物与物交互等服务要求。
随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机，使现代科学研究得到了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代工业控制领域带来了一次新的技术革命。嵌入式系统是继IT网络技术之后，又一个新兴的技术发展方向。嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征。基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前已经有大量的16、32位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统、军事国防、消费电子、网络通信等领域。嵌入式微处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得更大的发展。
当前，工业控制器一方面以分散对象应用和大系统为主，采用分布式系统结构发展分散型控制系统；另一方面发展适合中低应用层次需要的控制系统与工业测量。机械小型化、结构开放化、系统网络化，这是当前工业控制器发展的潮流。但现有的工业控制器造价成本高，系统不稳定，发生故障后维护较为复杂。近年来纷纷推出的新一代工业控制器，不仅使当今自动化更具灵活性、完整性、经济性和安全性，而且为将来的工厂信息集成和自动化提供了新的结构。鉴于此，将物联网和嵌入式结合起来，具有很大的发展前景。
发明内容
技术问题：
针对背景技术中提到的现有控制器的情况与缺点，本发明设计了一种性能优良，可靠性高，成本较低，系统故障率低，便于维护的嵌入式工业物联网控制器及监测系统，能够面向不同工业领域，针对多种场合的工业设备进行数据采集、控制等操作，起到降低工业物联网成本和简化工业物联网应用开发流程的作用。同时，在控制器的基础上，设计配套的监测系统，发挥了物联网在控制器应用上的重要作用。
技术方案：
为实现以上功能，本发明采用如下技术方案：
一种嵌入式工业物联网控制器及监测系统，其特征在于控制器包括如下几部分：
1)压力传感器。用于采集工业环境下控制对象的重量，通过压力传感器自带的压力变送器，将传感器量程内的压力数值转换成模拟量电压，传输至控制器模拟量采集接口。
2)温度传感器。用于采集工业环境下的作业温度，通过温度传感器自带的温度变送器，将传感器量程内的温度数值转换成模拟量电压，传输至控制器模拟量采集接口。
3)电流传感器。用于采集控制对象所配电机的电流，通过电流传感器自带的电流变送器，将传感器量程内的电流数值转换成模拟量电压，传输至控制器模拟量采集接口。
4)信号放大电路。将微弱的电压信号进行放大处理，转换成后续电路所需的电压范围。
5)滤波电路。用于滤除交流成分，变成平滑的直流电，为后续主芯片AD采集做准备。
6)多路控制信号输入。经主芯片程序响应后，用于控制对应的继电器闭合，即控制信号输出。
7)电平转换电路。将输入的控制电压转换成主芯片IO端口可接受范围的控制电压。
8)光耦隔离。主要起到隔离和保护的作用。由于光耦合器输入输出间相互隔离，电信号传输具有单向性特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力，可以提高信噪比。
9)三相电压输入。此输入作为相序监测的基础。三相电压输入后，经过分压、滤波等处理，转换为主芯片端口可接受范围的电压，用作AD采集。
10)复位电路。在控制器主芯片烧录程序和重启程序中起到复位作用。
11)电源电路。将外部供电电压转换成控制器内部多种器件电路所需的3种不同数值大小的电压。
12)继电器输出。主芯片接收到控制信号输入后，程序响应，再控制对应的IO端口来控制信号输出，驱动继电器的闭合。
13)模拟信号输出。用于配合外部显示屏的数据显示。
14)状态显示。若监测系统监测到异常情况，显示故障报警信息后，控制器对应的报警指示灯亮起。
15)CAN总线接口电路。用于多个控制器协调工作时的通信。
16)RS232接口电路。将主芯片响应后的串口数据，通过RS232接口传送至ZigBee的终端节点。
一种嵌入式工业物联网控制器及监测系统，其特征在于监测系统包括ZigBee模块和监测软件界面。
其中ZigBee模块包含ZigBee终端节点、ZigBee路由节点和ZigBee协调器节点三个部分。ZigBee终端节点是具体执行的数据采集传输的设备，他不能转发其他节点的消息，此发明专利中ZigBee终端节点与控制器RS232接口相连接；ZigBee路由节点是一种支持关联的设备，能够实现其他节点的消息转发功能。ZigBee的树形网络可以有多个ZigBee路由节点设备，ZigBee的星型网络不支持ZigBee路由节点设备。此发明专利中ZigBee路由节点用于传输ZigBee终端节点和ZigBee协调器节点间的数据信息；每个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器节点，协调器节点首先选择一个信道和网络标识，然后开始这个网络。因为协调器节点是整个网络的开始，他具有网络的最高权限，是整个网络的维护者，还可以保持间接寻址用的表格绑定，同时还可以设计安全中心和执行其他动作，保持网络其他设备的通信。此发明专利中ZigBee协调器节点与监测系统的数据接收端口相连接。
监测软件界面可以显示监测时间、对应控制信号的输入与输出、多种传感器采集的实时数值、相序监测的结果、故障报警信息和多路传感器采集的相应数值随时间轴的变化趋势。
有益效果：
本发明中的控制器能够采集多路传感器的数值、采集多路控制信号的输入和检测三相电压的相序等功能。控制器能够面向不同工业领域，针对多种场合的工业设备进行数据采集、控制等操作，监测系统能够监测工业环境中传感器、控制信号、三相电压的实时信息，控制器和监测系统的配套使用，起到降低工业物联网成本和简化工业物联网应用开发流程的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍：
图1为嵌入式工业物联网控制器的硬件框图；
图2为物联传输ZigBee模块框图；
图3为监测系统软件界面的状态监测部分；
图4为监测系统软件界面的传感器数据图表显示部分。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。
如图1，为实现以上功能，本发明中控制器主要包括压力传感器、温度传感器和电流传感器的多路模拟信号输入，信号放大电路，滤波电路，多路控制信号输入，电平转换电路，光耦隔离，三相电压输入，复位电路，电源电路，继电器输出，模拟信号输出，状态显示，CAN总线接口电路，RS232接口电路等。控制器主芯片选用飞思卡尔MC912DG128ACPVE芯片，它是16位嵌入式微处理器，向上兼容M69HC11的指令集，中断叠加和程序模型与M68HC11芯片相同，具有20位算术逻辑单元，它将各种存储器和子系统集成在芯片内，简化了外围集成电路。M68HC12的中央处理器CPU12由算术逻辑单元、控制单元和寄存器组构成。CPU内部总线频率为8MHz，寻址方式有16种，堆栈指针和变址寄存器均为16位。它具有很强的高级语言支持功能。CPU12的累加器A和B是16位的，也可以组成32位累加器D。它共有8种可能的操作模式，在不同的模式中工作配置各不相同，每一种配置都有与其相应的内存映射和外部总线配置。
MC912DG128ACPVE参数指标如下表1所示。
表1 MC912DG128ACPVE参数指标
其他特征主要包含如下16点：
1)压力传感器。用于采集工业环境下控制对象的重量，通过压力传感器自带的压力变送 器，将传感器量程内的压力数值转换成模拟量电压，传输至控制器模拟量采集接口。
2)温度传感器。用于采集工业环境下的作业温度，通过温度传感器自带的温度变送器，将传感器量程内的温度数值转换成模拟量电压，传输至控制器模拟量采集接口。
3)电流传感器。用于采集控制对象所配电机的电流，通过电流传感器自带的电流变送器，将传感器量程内的电流数值转换成模拟量电压，传输至控制器模拟量采集接口。
4)信号放大电路。将微弱的电压信号进行放大处理，转换成后续电路所需的电压范围。
5)滤波电路。用于滤除交流成分，变成平滑的直流电，为后续主芯片AD采集做准备。
6)多路控制信号输入。经主芯片程序响应后，用于控制对应的继电器闭合，即控制信号输出。
7)电平转换电路。将输入的控制电压转换成主芯片IO端口可接受范围的控制电压。
8)光耦隔离。主要起到隔离和保护的作用。由于光耦合器输入输出间相互隔离，电信号传输具有单向性特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力，可以提高信噪比。
9)三相电压输入。此输入作为相序监测的基础。三相电压输入后，经过分压、滤波等处理，转换为主芯片端口可接受范围的电压，用作AD采集。
10)复位电路。在控制器主芯片烧录程序和重启程序中起到复位作用。
11)电源电路。将外部供电电压转换成控制器内部多种器件电路所需的3种不同数值大小的电压。
12)继电器输出。主芯片接收到控制信号输入后，程序响应，再控制对应的IO端口来控制信号输出，驱动继电器的闭合。
13)模拟信号输出。用于配合外部显示屏的数据显示。
14)状态显示。若监测系统监测到异常情况，显示故障报警信息后，控制器对应的报警指示灯亮起。
15)CAN总线接口电路。用于多个控制器协调工作时的通信。
16)RS232接口电路。将主芯片响应后的串口数据，通过RS232接口传送至ZigBee的终端节点。
如图2，监测系统包括ZigBee模块和监测软件。其中ZigBee模块包含ZigBee终端节点、ZigBee路由节点和ZigBee协调器节点三个部分。ZigBee终端节点是具体执行的数据采集传输的设备，他不能转发其他节点的消息，此发明专利中ZigBee终端节点与控制器RS232接 口相连接；ZigBee路由节点是一种支持关联的设备，能够实现其他节点的消息转发功能。ZigBee的树形网络可以有多个ZigBee路由节点设备，ZigBee的星型网络不支持ZigBee路由节点设备。此发明专利中ZigBee路由节点用于传输ZigBee终端节点和ZigBee协调器节点间的数据信息；每个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器节点，协调器节点首先选择一个信道和网络标识，然后开始这个网络。因为协调器节点是整个网络的开始，他具有网络的最高权限，是整个网络的维护者，还可以保持间接寻址用的表格绑定，同时还可以设计安全中心和执行其他动作，保持网络其他设备的通信。此发明专利中ZigBee协调器节点与监测系统的数据接收端口相连接。ZigBee终端节点、ZigBee路由节点和ZigBee协调器节点选用的硬件芯片型号是CC2530，由美国德州仪器生产，支持IEEE 802.15.4标准、ZigBee标准、ZigBeeRF4CE标准的无线网络协议。CC2530集成了一个高性能的RF收发器与一个8051微处理器、8KB的RAM、32/64/128/256KB闪存，以及其他强大的支持功能和外设。外设包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO等。CC2530具有优秀的RF性能、选择性和标准增强8051MCU内核，提供了101dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，支持低功耗无线通信。CC2530还配备了TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈来简化开发，可广泛用于物联网、自动控制、消费电子、家庭控制、计量和智能能源、工业自动化应用等领域。
如图3，监测系统软件界面的状态监测部分，可以实时显示监测时间、对应控制信号的输入与输出、多种传感器采集的实时数值、相序监测的结果、故障报警等信息。
如图4，监测系统软件界面的传感器数据图表显示部分，可以实时显示多路传感器采集的相应数值随时间轴的变化趋势。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (4)
1.本发明涉及一种嵌入式工业物联网控制器及监测系统，该发明中控制器主要包括压力传感器、温度传感器和电流传感器的多路模拟信号输入，信号放大电路，滤波电路，多路控制信号输入，电平转换电路，光耦隔离，三相电压输入，复位电路，电源电路，继电器输出，模拟信号输出，状态显示，CAN总线接口电路，RS232接口电路等；监测系统包括ZigBee模块和监测软件界面。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式工业物联网控制器及监测系统，其特征在于控制器包括如下几部分：
1)压力传感器。用于采集工业环境下控制对象的重量，通过压力传感器自带的压力变送器，将传感器量程内的压力数值转换成模拟量电压，传输至控制器模拟量采集接口。
2)温度传感器。用于采集工业环境下的作业温度，通过温度传感器自带的温度变送器，将传感器量程内的温度数值转换成模拟量电压，传输至控制器模拟量采集接口。
3)电流传感器。用于采集控制对象所配电机的电流，通过电流传感器自带的电流变送器，将传感器量程内的电流数值转换成模拟量电压，传输至控制器模拟量采集接口。
4)信号放大电路。将微弱的电压信号进行放大处理，转换成后续电路所需的电压范围。
5)滤波电路。用于滤除交流成分，变成平滑的直流电，为后续主芯片AD采集做准备。
6)多路控制信号输入。经主芯片程序响应后，用于控制对应的继电器闭合，即控制信号输出。
7)电平转换电路。将输入的控制电压转换成主芯片IO端口可接受范围的控制电压。
8)光耦隔离。主要起到隔离和保护的作用。由于光耦合器输入输出间相互隔离，电信号传输具有单向性特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力，可以提高信噪比。
9)三相电压输入。此输入作为相序监测的基础。三相电压输入后，经过分压、滤波等处理，转换为主芯片端口可接受范围的电压，用作AD采集。
10)复位电路。在控制器主芯片烧录程序和重启程序中起到复位作用。
11)电源电路。将外部供电电压转换成控制器内部多种器件电路所需的3种不同数值大小的电压。
12)继电器输出。主芯片接收到控制信号输入后，程序响应，再控制对应的IO端口来控制信号输出，驱动继电器的闭合。
13)模拟信号输出。用于配合外部显示屏的数据显示。
14)状态显示。若监测系统监测到异常情况，显示故障报警信息后，控制器对应的报警指示灯亮起。
15)CAN总线接口电路。用于多个控制器协调工作时的通信。
16)RS232接口电路。将主芯片响应后的串口数据，通过RS232接口传送至ZigBee的终端节点。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入式工业物联网控制器及监测系统，其特征在于监测系统包括ZigBee模块和监测软件界面。其中ZigBee模块包含ZigBee终端节点、ZigBee路由节点和ZigBee协调器节点三个部分。
ZigBee终端节点是具体执行的数据采集传输的设备，他不能转发其他节点的消息，此发明专利中ZigBee终端节点与控制器RS232接口相连接；ZigBee路由节点是一种支持关联的设备，能够实现其他节点的消息转发功能。ZigBee的树形网络可以有多个ZigBee路由节点设备，ZigBee的星型网络不支持ZigBee路由节点设备。此发明专利中ZigBee路由节点用于传输ZigBee终端节点和ZigBee协调器节点间的数据信息；每个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器节点，协调器节点首先选择一个信道和网络标识，然后开始这个网络。因为协调器节点是整个网络的开始，他具有网络的最高权限，是整个网络的维护者，还可以保持间接寻址用的表格绑定，同时还可以设计安全中心和执行其他动作，保持网络其他设备的通信。此发明专利中ZigBee协调器节点与监测系统的数据接收端口相连接。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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