CN114879579A - 一种电动阀门远程故障监测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种电动阀门远程故障监测系统，包括：MCU、硫化氢传感器、氢气传感器、拉压传感器、执行机构；其中，拉压传感器通过信号放大器与MCU的A/D转换接口连接，硫化氢传感器、氢气传感器分别通过各自的信号变送器与MCU的A/D转换接口连接，MCU的D/A转换接口通过电压转电流变送器与执行机构的开度控制端口连接。所述执行机构的开到位信号和关到位信号与MCU的GPIO输入接口连接，MCU的GPIO输出接口分别通过执行机构继电器与执行机构的控制开端口、控制关端口连接。本申请的系统可以实现不同执行机构以及不同气体的监测环境，可以实现快速扩展与复用。

Description

一种电动阀门远程故障监测系统

技术领域

本申请涉及化工行业电动阀门控制技术领域，尤其涉及一种电动阀门远程故障监测系统。

背景技术

在化工行业中，易挥发、易燃易爆、有毒的气体液体大多通过管道传输，不可避免要使用阀门控制。传统的阀门现场控制方式，难以及时发现阀门泄漏等情况。阀门作为管道系统中的关键部件，其智能化水平的提高是化工行业的热门研究问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提出一种电动阀门远程故障监测系统，本申请能够针对性的解决现有的问题。本申请以通用嵌入式计算机(GEC)架构为基础，以窄带物联网(NB-IoT)为通信手段，选取硫化氢(H₂S)、氢气(H₂)两种代表性危险气体，设计并实现了一种人机交互良好、安全性较高且可维护的化工行业电动阀门远程故障监测系统。

基于上述目的，本申请还出了一种电动阀门远程故障监测系统，包括：

MCU、硫化氢传感器、氢气传感器、拉压传感器、执行机构；其中，

拉压传感器通过信号放大器与MCU的A/D转换接口连接，硫化氢传感器、氢气传感器分别通过各自的信号变送器与MCU的A/D转换接口连接，MCU的D/A转换接口通过电压转电流变送器与执行机构的开度控制端口连接。

进一步地，所述执行机构的开到位信号和关到位信号与MCU的GPIO输入接口连接，MCU的GPIO输出接口分别通过执行机构继电器与执行机构的控制开端口、控制关端口连接。

进一步地，所述系统还进一步包括ME3616模块匹配电路、STM32硬件最小系统，分别与MCU的UART接口连接，STM32硬件最小系统还通过5V转24V电压放大器与信号放大器、电压转电流变送器连接。

进一步地，所述系统进一步包括NB-IoT模组，与所述MCU连接以将所述MCU的数据在MCU和外部服务器之间进行收发。

进一步地，所述拉压传感器用于测量阀门转动时力矩的大小，执行机构用于通过蜗杆蜗轮结构控制电动阀门转动，执行机构控制蜗杆带动蜗轮转动。

进一步地，所述执行机构为开关型或调节型电动执行机构。

进一步地，所述系统与所述服务端进行密钥、隐私数据协商，其中密钥为可逆矩阵C，隐私数据为m×n条，所述系统通过以下步骤实现数据隐私保护：

(1)IMSI作为系统的终端标识，系统生成[1,15]的随机值b，终端认证标识取值为IMSI号的第b位；

(2)将系统终端需要保护的数据以及终端认证标识作为原始数据X，维度为m×n；

(3)使用矩阵C加密原始数据X，得到加密数据Y；

(4)将加密数据Y、随机值b发送至服务器；

(5)服务器接收到数据使用C的逆矩阵C^-1解析得到原始数据X；

(6)服务器通过认证标识检验、发送时间验证结合数据帧完整性验证，验证通过则进行存储、转发操作，否则丢弃数据。

进一步地，所述加密数据Y的公式为：

进一步地，所述原始数据X的公式为：

进一步地，所述系统在触发中断源后执行开关阀时间中断服务程序，包含中断源信号验证和开关阀时间计数功能；在中断源信号验证中，系统首先对当前中断触发方式进行判断，同时系统通过20ms防抖验证，过滤掉阀门在转动期间的非正常电压拉高或拉低；在开关阀时间计数中，系统通过判断进入中断的时间戳以及通过防抖验证后的时间戳之间的时间差来进行时间计算，并且系统对五秒内重复触发的中断信号进行过滤。

总的来说，本申请的优势及给用户带来的体验在于：本申请的系统可以实现系统的预期功能，提供一种化工行业电动阀门远程故障监测的可行解决方案以及实际案例，经过简单的更改可以实现不同执行机构以及不同气体的监测环境，可以实现快速扩展与复用。

附图说明

在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本申请公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本申请范围的限制。

图1示出本申请的电动阀门远程故障监测系统架构原理示意图。

图2示出根据本申请实施例的5V转24V电路原理图。

图3示出拉压传感器接口电路图。

图4示出根据本申请实施例的气体传感器采样电路图。

图5示出了本申请开关型执行机构接线图。

图6示出了本申请调节型执行机构接线图。

图7示出根据本申请实施例的终端通信数据结构图。

图8示出根据本申请实施例的终端主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本系统使用的终端系统框架如图1所示。所述系统包括MCU、硫化氢传感器、氢气传感器、拉压传感器、执行机构；拉压传感器通过信号放大器与MCU的A/D转换接口连接，硫化氢传感器、氢气传感器分别通过各自的信号变送器与MCU的A/D转换接口连接，MCU的D/A转换接口通过电压转电流变送器与执行机构的开度控制端口连接。执行机构的开到位信号和关到位信号与MCU的GPIO输入接口连接，MCU的GPIO输出接口分别通过执行机构继电器与执行机构的控制开端口、控制关端口连接。还进一步包括ME3616模块匹配电路、STM32硬件最小系统，分别与MCU的UART接口连接，STM32硬件最小系统还通过5V转24V电压放大器与信号放大器、电压转电流变送器连接。

终端硬件包括基础硬件平台以及阀门相关模块。基础硬件平台以实现传感器采样、传输、计算、控制等功能为目的，根据系统需要及芯片手册将输入输出的引脚对应在表1中列出；通过基础硬件平台的空余引脚以及所需功能外设引脚接出，为阀门相关传感器以及执行机构提供外接接口，将所有外接模块所需VCC、GND、ADC、GPIO等封装成统一接口，满足各种传感器和执行机构的接入需求，同时为后续扩展提供可能。

表1输入输出引脚对应

本申请根据软硬件构件化设计的思想，设计电动阀门终端软硬件。在实GEC架构的基础上，完成传感器、执行机构软件构件；通过主程序实现数据汇总、发送及设备控制功能，部分数据采集使用中断处理程序获取。终端软件围绕终端节点硬件共性设计，提高可移植性，实现终端节点数据采集的准确性、设备控制的稳定性。

1终端功能分析

系统终端软硬件的稳定性和准确性是正确地测量与计算电动阀门相关信号和周围环境情况的前提，而信号和数据的准确采集又是保证阀门正常运行的关键，也是电动阀门故障监测的基础。

在化工行业中容易产生内部有害介质外漏的一般为关键装置和设备区域。由于管道安装后均处于稳定静止位置，在满足标准规范要求及使用寿命范围内产生外漏的情况相对较少。而对于传动设备，如压力泵、控制阀等，这类设备处于连续或经常性运转和开关动作之中，产生内部介质外漏的可能性极高。控制阀一般安装在压力泵前、后端或装置中的关键位置，对这些高危介质的流量、压力、温度等实时进行控制。因此，本系统选择在这些关键位置的控制阀中建立阀门远程故障监测系统，完成对化工行业工厂内苛刻环境与关键区域的监测。

同时由于化工行业管道流体介质中包含许多作用在高温、高压下的介质，其中易挥发、易燃易爆的气液体极易造成管道和阀门外漏。造成这一现象的主要介质有易挥发性液体(如汽油、航空煤油、液氯、烃类等)、燃气、氯气、氢气等，外漏挥发到空气中的气体中多数含有硫化氢(H₂S)等对人体有害的成分，而易挥发性气体中以氢气(H₂)最具有代表性。

综上所述，本系统阀门选用0→90度旋转球阀，对H₂S和H₂两种气体进行监测，同时结合电动执行机构相关数据以及环境基本数据进行电动阀门远程故障监测系统的终端软硬件设计，具体设计目标包括以下几点：

(1)数据准确采集。终端的主要作用是为应用层提供准确的数据，系统采集的数据主要有：周围环境气体中H₂S或H₂气体浓度、终端芯片温度、信号强度、执行机构带动阀门转动时的扭矩大小。

(2)阀门开关角度精确控制。实时获取电动执行机构的开关信号、开度信号，以及开关到位时执行机构的转动时间。在准确获取执行机构状态数据的同时能够对阀门进行高精度开关控制和角度控制。

(3)终端设备高鲁棒性。终端硬件选型应达到工业防护等级IP67；终端软件设计保证容错性高、可移植性强。同时设备进行定时检查，保证终端设备能够持续进行数据采集以及阀门控制监测工作。

系统使用的基本动态参数如表2所示。其中芯片温度与信号强度通过主控芯片与NB-IoT模组获取，物理量序号3～9通过传感器与电动执行机构获取。所有数据经过主控芯片整合后使用NB-IoT模组发送。

表2系统基本动态参数

2终端硬件选型与搭建

电动阀门终端硬件包括基础硬件平台和传感器、电动执行机构三部分组成，其中基础硬件平台由主控芯片、NB-IoT模组组成。本节分别讲解其余各部分设备选型以及终端硬件搭建。

2.1传感器选型与接口设计

基础硬件平台通过传感器采集相关数据，数据采集的可靠性关系到终端设备以及复杂化工行业环境生产运行的安全性。本节对终端使用的传感器选型标准以及接入开发板的接口电路设计进行详细描述。

1.扭矩采集模块

本系统使用拉压传感器来测量阀门转动时力矩的大小。电动执行机构是通过蜗杆蜗轮结构控制阀门转动的，执行机构控制蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮感受到不同的力矩大小从而使得蜗杆感受到一个反作用力。系统选用球阀型号为HQ941F16-50，安全扭矩范围为0→30N，通过拉压传感器感受蜗杆的反作用力来实时采集拉压力值用来保证阀门阀杆扭矩大小在正常范围，保证阀门的正常运转。

本系统选用BSLM-6膜盒拉压传感器结合BSFY-1单路传感器信号电压变送器进行扭矩测量，额定测量范围为0→±50KG，输出灵敏度为2.0mV/V，工作温度为-35℃→80℃，防护等级为IP67，符合本系统对阀门转动扭矩监测的需求。

BSLM-6膜盒拉压传感器为五线制传感器，传感器上的膜片感受到拉压力的作用会产生一个位移，位移与拉压力成正比，从而使传感器内部电阻发生同样比例的变化，这种变化通过传感器输出对应拉压值的标准信号。BSFY-1单路传感器信号电压变送器供电电压为24V，使用5V转24V升压模块进行供电，图2为该升压电路原理图。

升压电路中，XL6009芯片的VIN脚连接到开发板5V供电、FB脚为输出电压采样端，电阻R601、R602决定升压电路的输出电压，计算公式为V_out＝1.25×(1+R602/R601)，最终升压电路输出24V电压供电给拉压传感器信号变送器。拉压传感器与信号变送器相应端口连接，信号变送器在正常供电后通过8、9脚接入主控芯片相应ADC端口输出拉压值模拟信号数据，具体接线方式如图3所示。

2.硫化氢气体采集模块

硫化氢气体传感器在本系统中用于监测阀门上部环境空气中的硫化氢气体的浓度，根据工业企业设计卫生标准工作场所空气中的H₂S最高容许浓度为10mg/m³，即空气中的硫化氢含量不能超过6.6ppm(parts per million，百万分比浓度)。

本系统选用霍尼韦尔4HSC硫化氢气体传感器来检测H₂S浓度。4HSC传感器是一种三电极微型催化氧化传感器，其测量范围为0→100ppm，灵敏度为0.7±0.15μA/ppm，最大过载为500ppm，量程满足大于等于硫化氢气体容许浓度值的三倍，持续工作的温度范围为-40℃→+55℃，能够满足本系统对于阀门泄漏监测的需求。

4HSC传感器包含用来氧化或还原气体的工作电极(W)、用来稳定工作电极电动势的参比电极(R)、用来还原工作电极上被反应的气体并形成电化学电路的辅助电极(C)。当环境中不存在待检测可燃气体时，W和C两个电极之间电桥达到平衡，输出信号为零；当存在可燃气体时，W电极对气体进行氧化，W与C之间电桥不再平衡，输出与气体浓度成正比的信号值。三电极电化学传感器运行时的输出信号与气体浓度成线性关系，具体计算公式如下：

输出信号(μA)＝时效灵敏度(μA/ppm)×气体浓度(ppm). (3.1)

为了保证霍尼韦尔电化学传感器能正常工作，使用图4所示的放大电路进行传感器数据的获取。该采样电路参考Honeywell官方提供的S系列气体传感器使用指南进行设计，使用Q501场效应晶体管把R和W电极短接来保证气体传感器能够在未连通电源时使用，同时在U501上通过C501、R501、R502提供偏置电压。R503为负载电阻，参考传感器说明进行设置为5Ω，经过负载电阻输出信号为0→70μA，R504为45K增益电阻，输入到PTA6脚的信号为0→3.29V。

3.氢气气体采集模块

氢气传感器在本系统中用于监测阀门上部环境空气中的氢气的浓度，公知H₂爆炸体积浓度：下限4.0％，上限75％。在实际运行过程中只需要测量氢气浓度保证不高于爆炸浓度的下限。

氢气气体采集模块选用霍尼韦尔4H₂-40000传感器，型号为CLE-0644-400。其测量范围为0→40000ppm，灵敏度为0.007±0.002μA/ppm，工作温度范围为-20℃→50℃，满足本系统对H₂浓度监测的需求。氢气传感器测量原理以及传感器采样电路设计同硫化氢气体传感器类似，在此不过多赘述。

2.2电动执行机构选型与接口设计

电动执行机构作为系统中的最重要的组成部分，负责控制阀门精准地转动到指定的位置。执行机构控制阀门的过程要求能够连续、准确地控制位置信号输出，所以对于电动执行机构的选择有以下几个要求：角度定位精准；输入输出动态响应；稳定性高，有自我保护机制；切换时间短；防护等级高；可远程、现场控制选择。

本系统采用角行程电动执行机构对90°开关控制的球阀进行阀门控制。为满足用户多样化需求，选择了一体化设计的开关型、调节型两种电动执行机构，开关型如图3-7所示，型号为AOX-R-005，调节型如图3-8所示，型号为AOX-R-003P。两种执行机构的驱动电源都为AC220V交流电源，通过输出信号控制阀门转动到指定位置，输出扭矩为50N·M，防护等级为IP67。AOX-R-005控制信号为高低电平；AOX-R-003P控制信号为电流信号，范围为4→20mA。

1.开关型电动执行机构

开关型电动执行机构选用AOX-R-005，其接线图如图5所示。

其中，单相交流电源控制执行器供电，2、3脚输入电源控制执行机构开，2、4脚输入电源控制执行机构关，通过继电器控制电源接通3脚或者4脚控制执行机构开关。8、9脚分别为无源反馈输出开到位信号、关到位信号。开到位与关到位信号输出为高低电平，可使用GPIO引脚进行状态获取。

2.调节型电动执行机构

调节型电动执行机构选用AOX-R-003P，可根据输入电流信号的大小控制执行机构的转动角度，图6为其接线图。

其中，2、3脚输入单相交流电源给执行机构供电。4、5脚接输入拟量信号正、负极；6、7脚分别为反馈模拟量正、负极；9、10脚为执行机构开、关到位信号输出脚。执行机构输入模拟量的范围是工业设计规范的4→20mA电流，系统使用DAC输出电压信号，通过GOSLINGASC-201模块将电压信号转换成相应的电流输入到执行机构；执行机构输出信号为模拟量电流信号，范围为4→20mA，系统通过GOSLING ASC-301模块，使用ADC将采集到的执行机构电流信号转化成实际开关角度数字量；开关到位信号同开关型执行机构一样使用GPIO引脚获取。上述GOSLING ASC-201模块为电压转电流模块，其输入为0→3.3V，输出为4→20mA，GOSLING ASC-301模块为电流转电压模块，其输入为4→20mA，输出为0→3.3V，满足本系统对执行机构的控制与监测需求。

3终端软件程序设计

系统终端软件设计在GEC架构软件平台基础上进行，主要包括相关传感器以及电动执行机构应用构件设计、终端软件主程序以及中断处理程序流程设计。本系统所有终端构件及程序均使用Cppcheck进行代码静态缺陷检测，结合编译器实现对代码问题的全面检查，以保证终端软件的健壮性。

3.1系统应用构件

为实现终端软件的可移植性和应用构件的可复用性，将系统使用的拉压传感器、H₂S传感器、H₂传感器数据采集程序以及执行机构采集控制程序封装成接口统一、功能完备的应用构件。本节分别对各传感器应用构件以及执行机构应用构件设计流程进行详细阐述。

1.传感器构件

下面以BSLM-6膜盒拉压传感器为例，从传感器数据采集流程方法、应用构件封装设计以及构件测试来介绍各个传感器应用构件。

1)输入输出分析

在传感器数据采集之前，首先要求确定传感器的输入输出，从而确定该传感器通过何种外设获取采集数据，例如GPIO、ADC、UART等。然后确定传感器信号传输方式为单端传输还是差分传输，例如本系统使用的拉压传感器为差分传输，而气体传感器为单端传输。

BSLM-6膜盒拉压传感器输出信号为差分信号，有两根信号线Sig+(信号+)、Sig-(信号-)，区别于传统的一根信号线和一根地线的传感器，传感器同时在两根信号线输出数据，真实数据为两根信号线数据之间的差值。传感器输出的数据为拉压力产生的模拟量，需要连接开发板ADC端口进行模拟数据采集。

2)传感器数据采集

首先将传感器信号线连接开发板ADC端口，激励线连接相应高电平和低电平，保证传感器采集数据真实，并且可以与开发板通信。因为BSLM-6膜盒拉压传感器的量程为0→±50KG，所以在传感器接入后需要在空载状态将基准值调节为AD参考电压的一半，保证量程之内数据都可以输出。之后，采用均值、中值滤波方法，通过ADC获取传感器两根信号线的采集数据，将K次采样结果的平均值作为传感器一次采样结果的准确值。构件中K取值为12，K值越大时信号平滑度越高、灵敏度越低。最后进行物理量回归，将获取的传感器数据转换成真实拉压值。

3)传感器构件封装

为保证终端相关传感器软件的可移植与可复用，根据传感器的数据接入流程将传感器数据采集程序封装成统一接口。根据传感器数据采集流程，将传感器构件分成模块初始化、模块基准初始化、拉压值采集三部分。表3给出BSLM-6膜盒拉压传感器构件的对外函数接口。

表3拉压传感器构件函数

其他传感器接入流程与应用构件封装方法与BSLM-6膜盒拉压传感器类似，表4列出其他传感器接入流程与应用构件。

表4其他传感器构件函数

4)传感器构件测试

终端应用构件设计完成后需要进行准确性测试保证终端采集数据的真实性，为后续软件设计提供良好的基础。使用VS2019开发工具，利用C#语言设计PC端的终端测试人机交互软件进行终端应用构件准确性测试。

BSLM-6膜盒拉压传感器接入开发板，在传感器两端使用重物进行拉压操作，通过串口输出模拟信号。测试软件连接开发板串口，输出实时测量的拉压值，并提供可视化界面显示拉压值变化。

通过BSLM-6膜盒拉压传感器真实拉压值与测量值对比，除去传感器作用力不稳定时的数据，经过计算，100条终端采集数据与真实拉压值之间的均方差为0.0021，可以完成本系统对拉压值监测的需求。其余传感器测试流程与此类似，在此不作赘述。

2.电动执行机构构件

本系统选用了两种电动执行机构，为实现对执行机构操作的可移植、可复用，基于GPIO、ADC和DAC等基础构件，将与执行机构控制相关的操作封装成应用构件，通过函数调用与传参的方式实现对执行机构控制与状态获取。

AOX-R-005电动执行机构是开关型，控制信号只需要输入开关量确定连接开通道还是关通道，执行机构的信号反馈也是开关量，可直接通过GPIO控制和获取。AOX-R-005P电动执行机构是调节型，控制信号为4→20mA电流信号，需通过DAC将相应的数字信号转换为模拟信号输入到执行机构。执行机构的信号反馈也是4→20mA电流信号，需通过ADC将相应的模拟信号转换成数字信号。执行机构驱动构件函数设计如表5所示。

表5执行机构应用构件函数

阀门开度信号能否准确获取是检测阀门开关角度控制成功与否的前提，本系统使用K-C703S信号发生器和万用表结合电动执行机构开度信号联合测试。使用信号发生器控制执行机构旋转到特定角度，通过万用表以及执行机构应用构件获取当前开度信号值进行联合测试，以保证阀门开度信号能够准确采集。在此基础上，编写自动测试程序检验阀门开关控制是否准确。由于执行机构开关信号范围为4→20mA，开关状态反转所需时间为30秒，所以自动测试终端在4-20选择随机值控制执行机构转动，当控制信号发出30秒后，获取执行机构信号进行对比。

测试结果表明在连接稳定时，终端可以控制阀门开关到固定角度，控制信号误差在0.2mA以内，部分数据如表6所示。对于开关型电动执行机构，仅有开到位与关到位两种状态，通过GPIO引脚输出高/低电平信号控制执行机构开/关到位。

表6阀门开度信号控制数据(单位：mA)

3.2数据结构及隐私保护

阀门终端作为整个系统的感知层，是所有数据的来源。通过数据结构以及隐私保护设计来确定终端采集并发送的数据格式，确保服务端能够与终端进行良好的通信。

1.数据结构设计

图7给出系统终端所使用和采集的数据结构，对阀门设备以及采集、控制信息进行描述。

产品信息结构体(FlashData)是对产品名称、所属公司以及网络服务地址等进行描述；设备信息结构体(UserData)由阀门终端产品信息、NB-IoT通信信息、阀门终端采集信息以及传感器阈值和执行机构控制信息组成，实现终端对传感器以及执行机构数据采集的存储以及运行范围的描述。

2.隐私保护设计

为了确保终端与服务端之间的相互认证，鉴于终端计算资源、存储资源的限制，本申请基于可逆信息隐藏对终端数据进行了隐私保护。终端与服务端首先需要进行密钥、隐私数据协商，此处密钥为可逆矩阵C，隐私数据为m×n条，终端数据隐私保护从以下几个步骤实现：(1)IMSI作为终端标识，是区别移动用户的标志，本系统使用物联网卡号的长度为15位。终端生成[1,15]的随机值b，终端认证标识取值为IMSI号的第b位；(2)将终端需要保护的数据以及终端认证标识作为原始数据X，维度为m×n；(3)使用矩阵C加密原始数据X，得到加密数据Y，公式为：

(4)将加密数据Y、随机值b发送至服务端；(5)服务端接收到数据使用C的逆矩阵C^-1解析得到原始数据X，公式为：

(6)服务端通过认证标识检验、发送时间验证结合数据帧完整性验证，验证通过则进行后续存储、转发等操作，否则丢弃该数据。

由于终端采集的气体浓度正常情况下数值较低，并且存在数值为0的情况较多，所以本系统使用可逆信息隐藏算法时，增加随机值b，以避免可逆矩阵选择不当造成加密数据与真实数据相同的情况。经过对数据的隐私保护，传输过程中的数据不再为真实数据，即使终端数据在传输过程中被拦截或泄漏，也不易解析出真实数据。该方案仅对数据进行变换，对整体数据结构不产生影响，所以选择在终端采集数据之后进行隐私保护，再将保护后的数据通过UECom构件发送至服务端。同时，服务端向终端发送的数据也进行保护，所以数据保护软件构件函数如表7所示。

表7执行机构应用构件函数

本系统在终端与服务端进行隐私数据协商时，选择进行隐私保护数据包括：终端采集的传感器、执行机构数据以及服务器端口和终端认证标识等10个数据，在进行隐私保护之前均为uint8_t、uint16_t类型，总计11字节。为避免出现数据溢出的问题，终端将所有隐私保护数据设置为int32_t类型，保证数据能够被解析为原始数据，类型更改使用空间为40字节，加上随机值占用空间，总计比原始数据增加30字节。经过终端编写测试程序进行计算，密钥选取范德蒙矩阵，实际使用过程中加解密时间约为0.2秒，对系统数据传输的实时性影响在可接受范围内。由于本系统中将数据限制为整数类型，该方案仅适用于整数数据类型进行隐私保护。

3.3.3终端主程序流程

系统终端主程序在GEC架构的基础上进行设计，实现对各类数据的采集以及对电动执行机构的控制功能，并定时发送终端数据至服务端，同时针对服务端向终端回发数据进行相应处理和控制从而完成整个系统的远程控制运行。

1.GEC架构主程序基础

STM32的GEC架构软件已经在NB-IoT通信构件UECom的基础上实现了终端与服务端通信的功能。UECom构件是GEC架构提供的基于UART构件设计的NB-IoT通信构件，作用是实现硬件终端与服务端之间的数据通信。主控芯片通过UART将封装好的AT指令发送至通信模组，通信模组同样使用UART将反馈信息传输至主控芯片，实现硬件终端与服务端的通信功能。本系统进行终端主程序设计时，仅需通过对数据结构的更改和赋值即可完成NB-IoT基础通信功能。

2.终端主程序流程

系统终端软件实现流程如图8所示。实现对阀门终端及环境数据采集和执行机构控制功能，同时实现各种终端参数以及传感器阈值的远程动态更新功能。通过在GEC架构主程序基础上增加传感器阈值判断以及数据隐私保护，同时对终端接收数据后的处理函数进行修改，确保终端能够执行服务端的控制指令。

3.4中断处理程序

终端中采用中断处理方式来精确计算阀门运行过程中的开关时间，即开关阀时间。在无操作系统程序中，函数只能按既定顺序执行，无法应对实时任务或精确计算要求。中断处理函数能够在触发中断源时通过产生硬件中断并执行。本系统对阀门开关时间设置了时间记录的IO中断以及超时判断的定时器中断。结合上述原理，以系统中开关阀时间记录的IO中断处理程序为例，设计流程如下：

(1)中断程序选择。开关型执行机构控制阀门在开到位时相关引脚会持续输出高电平，反之则输出低电平。根据执行机构开关信号输出方式，系统采用IO中断，中断源为相关引脚输出电压水平，中断触发方式为双边沿触发。调节型执行机构则在此基础上，进行判断开关位置判断，保证一次控制开关到位的时间被记录。

(2)中断程序设计。系统会在触发中断源后执行开关阀时间中断服务程序。开关阀时间中断服务程序主要包含中断源信号验证和开关阀时间计数功能。由于采用了单引脚双边沿触发方式，因此在中断源信号验证功能中，系统首先对当前中断触发方式进行判断。同时，系统通过20ms防抖验证，过滤掉阀门在转动期间的非正常电压拉高、拉低问题。在开关阀时间计数功能中，系统通过判断进入中断的时间戳以及通过防抖验证后的时间戳之间的时间差来进行精确时间计算。并且系统对五秒内重复触发的中断信号进行过滤。

4本申请小结

综合考虑系统实际应用的需求，选取STM32微控制器、ME3616模组组成的GEC架构NB-IoT通信的基础硬件平台，从传感器、执行机构两个主要硬件组成部分的选型与接口电路设计切入，基于硬件构件搭建电动阀门终端硬件。在GEC架构软件构件的基础上，将传感器采集程序封装成接口统一、功能完备的应用构件，并对终端数据结构重新设计并对重要数据进行隐私保护，完成终端软件主程序流程，实现终端数据稳定采集与精确控制的功能。

需要说明的是：

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备有固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本申请也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本申请的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本申请的最佳实施方式。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本申请的示例性实施例的描述中，本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本申请的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本申请的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本申请实施例的虚拟机的创建系统中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本申请还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本申请的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本申请可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电动阀门远程故障监测系统，其特征在于，包括：

MCU、硫化氢传感器、氢气传感器、拉压传感器、执行机构；其中，

拉压传感器通过信号放大器与MCU的A/D转换接口连接，硫化氢传感器、氢气传感器分别通过各自的信号变送器与MCU的A/D转换接口连接，MCU的D/A转换接口通过电压转电流变送器与执行机构的开度控制端口连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述执行机构的开到位信号和关到位信号与MCU的GPIO输入接口连接，MCU的GPIO输出接口分别通过执行机构继电器与执行机构的控制开端口、控制关端口连接。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，

所述系统还进一步包括ME3616模块匹配电路、STM32硬件最小系统，分别与MCU的UART接口连接，STM32硬件最小系统还通过5V转24V电压放大器与信号放大器、电压转电流变送器连接。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，

所述系统进一步包括NB-IoT模组，与所述MCU连接以将所述MCU的数据在MCU和外部服务器之间进行收发。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，

所述拉压传感器用于测量阀门转动时力矩的大小，执行机构用于通过蜗杆蜗轮结构控制电动阀门转动，执行机构控制蜗杆带动蜗轮转动。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，

所述执行机构为开关型或调节型电动执行机构。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，

所述系统与所述服务端进行密钥、隐私数据协商，其中密钥为可逆矩阵C，隐私数据为m×n条，所述系统通过以下步骤实现数据隐私保护：

(1)IMSI作为系统的终端标识，系统生成[1,15]的随机值b，终端认证标识取值为IMSI号的第b位；

(2)将系统终端需要保护的数据以及终端认证标识作为原始数据X，维度为m×n；

(3)使用矩阵C加密原始数据X，得到加密数据Y；

(4)将加密数据Y、随机值b发送至服务器；

(5)服务器接收到数据使用C的逆矩阵C^-1解析得到原始数据X；

(6)服务器通过认证标识检验、发送时间验证结合数据帧完整性验证，验证通过则进行存储、转发操作，否则丢弃数据。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

所述加密数据Y的公式为：

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

所述原始数据X的公式为：

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述系统在触发中断源后执行开关阀时间中断服务程序，包含中断源信号验证和开关阀时间计数功能；在中断源信号验证中，系统首先对当前中断触发方式进行判断，同时系统通过20ms防抖验证，过滤掉阀门在转动期间的非正常电压拉高或拉低；在开关阀时间计数中，系统通过判断进入中断的时间戳以及通过防抖验证后的时间戳之间的时间差来进行时间计算，并且系统对五秒内重复触发的中断信号进行过滤。

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