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基于无线网络的电机温度监控系统

摘要

传统的有线监控系统不仅布线困难、麻烦，而且维护成本也很高。针对这一情况，本方案设计基于无线WiFi网络的电机温度监控系统。根据实际情况，从低成本，高安全性的角度出发，对该系统软硬件进行设计。网络节点的设计采用AT89C51芯片，传感器节点采用DS18B20温度传感器，具有一定的实用价值。
关键词：远程监控；电机温度；

ABSTRACT
Traditional wired monitoring system not only wiring difficulties and trouble, and maintenance cost is also high. Aimed at this situation, the scheme design of motor temperature monitoring system based on wireless WI_FI network. According to the actual situation, from the low cost, high safety point of view, to design the system hardware and software. The design of the network node AT89C51 chip, sensor node USES DS18B20 temperature sensor, has a certain practical value

引言
　 电气传动系统中的电机, 如泵站泵机、炉窑风机等, 常常是昼夜连续运行的。这类系统中，如果电机出现异常运行情况而未及时发现与排除, 可能会造成电机及相关设备损坏, 产生重大经济损失。电机温度过热的原因可以从如下四个方面考虑。电源方面：一、电源电压过高或过低；二、电源电压不对称；三、电源电压不平衡。负载方面：一、电动机过载运行；二、拖动的机械负载工作不正常或机械存在故障。电机自身方面：一、电动机绕组短路或短路；二、电动机接法错误；三、电动机自身机械故障。通风散热方面：一、环境温度过高，使进风温度高；二、电动机内部灰尘过多或杂物挡住进风口；三、风扇损坏或装反。如何获得实时电机温度变化信号并准确传输到工作站, 及时采用相关信息处理技术快速发现及处理, 可以防止电机损坏, 保证系统正常运行。这是工程应用领域十分关心的问题。
1.电机温度无线监控系统设计
1.1系统方案设计原则
构建远程温度采集网络时需要考虑数据的传输方式、数据安全，安装是否方便和所需成本等问题。本系统用于在监控室内工作人员无线监控机房电动机的运行温度状态，所以要考虑周围环境可能带来的干扰。
无线的远距离数据传输方式主要有无线传感器网络、GSM短信、GPRS、卫星通信和WiFi等。相比较而言，GSM短信由于传输速率慢、传输不可靠，所以不适宜作为传输的应用，并且运营时还需缴纳一定的通信费用；GPRS远程数据采集的应用，需要较高的通信费用；卫星通信费用、基站的成本较高；WiFi相比无线传感器网络的传输速度高的多，而且可靠性也较高。因此，以WiFi网络的方式构建无线监控电机温度网络是较合适的方案。

1.2系统方案设计原理
本系统利用WIFI网络传输汇总节点数据的完整无线网络，主站的工控机通过串口与WIFI模块通信，在电机网络中每个需要监测的电机上安装温度传感器组成传感器网络。当温度传感器检测温度信号后，经过AD模块、单片机、MMF(监控服务器)模块将数据经过WIFI网络传输至监控中心，监控中心可将信息实时显示、存储、查询、报警等功能，最后通过人工控制电机运行状态。
2 电机温度无线监控系统的硬件结构组成
2.1系统结构如图2.1：

图2.1 电机温度无线监控结构图

其中工控机与控制器模块通过无线网络连接，控制器与DAI、ADI模块，以及ADI、DAI与温度对象之间通过有线方式连接。
图中无线传输单元包括MST(管理站点)，AP（接收节点）,CST(
控制站点)，RAP(中继接收节点)，RST(中继站点)组成。MST用于连
接管理单元和无线传输单元。AP用于实现RST和MST之间的正常通
信。RAP和RST共同组成一组中继器，用于延长网络传输距离。CST
用于连接传输单元和控制单元。控制单元由监控服务器（MMF）、模
数转换器（ADI）、数模转换器（DAI）、有源低通滤波器(LPF)、单片
机装置和传感器部分组成。ADI和所述的DAI用于实现数字量和模拟
量的相互转化。LPF用于过滤掉工业现场的干扰信号。

2.2 硬件系统模块功能
（1）控制器部分
该部分中的单片机控制器与ADI、DAI模块通过内部端口直接连接在一起。ADI模块将从被测电机上采集到的信息转换为数字量输入单片机，单片机将所得信号传送到MMF部分再通过无线网络送到监控中心，监控中心可将信息实时显示、存储、查询、报警等功能，按照工控机指定的给单片机的命令通过DAI模块转换为模拟量输出电动机，实现电动机的运行状态的改变。
（2） 无线网络部分
无线控制网络由分别与相应模块相连接的无线收发节点组成。通过访问接收方的无线节点IP地址实现无线网络连接并进行相应的数据传输。
（3） 工控机
在无线温度控制过程中，工控机起监控的作用。可以通过监控显示窗口查看无线网络传送过来的电机温度信息，并通过有线网络将相应的控制指令发送到单片机控制器中，从而对被测电机的运行状态的改变。
2.3 系统设计所需器件的介绍
（1） DS18B20温度传感器简介
　 DS18B20是单线总线温度传感器, 一根总线上可以挂多个芯片, 每一芯片都有相应的标志号;能在90 ～ 750 m s时间内将- 55 ～ 125 °C范围的温度信号转换为9位到12位的数字量输出;可以自由设定温度上、下限报警值, DS18B20通常由寄生供电方式工作, 即从通讯线高电平时获取能量, 并存储于内部电容;当它采集运行电机温度、A /D 转换读取数据等功能操作时, 由内部电容获得电能。DS18B20有64 bit的ROM、温度暂存寄存器、非易失性温度报警寄存器TH、TL和组态寄存器。图2.2中ROM 指令的功能包括:确定总线上温度传感器的个数, 读传感器序列号等。数据指令包括:启动温度测量与转换, 读选中序列号传感器的温度值, 设定温度报警上下限的值等。

图2.2 DS18B20操作顺序

（2） STC89C51单片机简介
AT89C51单片机是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

图2.3 单片机部分硬件总体框图
（3） RS485简介
RS485采用差分信号负逻辑，+2V～+6V表示“0”，- 6V～- 2V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制是全双工通讯方式，两线制是半双工通讯方式。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。RS232接口标准出现较早，存在一些不足之处：（1） 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。（2） 传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。（3） 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式， 这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。（4） 传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能 用在50米左右。
RS-485接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 RS-485的数据最高传输速率为10Mbps ，RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。 RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）。综合所诉，本系统会采用RS485通信接口。
2.4 单片机部分原理图

3. 数据采集与收发软件设计

数据采集与发送软件由主程序、定时中断程序与串口中断程序组成。温度数据采集及发送在定时中断程序中实现。主程序流程见图3.1主程序流程图：
开始

调用初始化子程序

无线接收数据

N
无线接收数据是否可靠？

Y

读DS18B20数据，处理无线发送数据

开无线收发，无线发送数据

图3.1 主程序流程图

　串口中断程序功能为接收由上位机发送的数据采集周期以及开始、停止指令。上位机实时监测与RS 485总线连接的串行口, 接收数据。

从存储器读传感
器并初始化

N
N
Y
Y
退出中断程序进
入低功耗休闲模式
发送数据
所有器件都测温完成？
检测是否超限？
报警
信号滤波与缓存
启动当前器件检
测并读取温度信号

图3.2 定时中断程序流程图
下位机软件主要实现传感器节点的数据采集和发送，WiFi网络与传感器节点的通信，使用c语言编程并借组MMF模块向无限装置发送数据。传感器节点主要负责采集网络中电机各测温点的温度信息，将这些数据处理后传送给路由节点，路由节点将信息送达监控中心，监控中心再通过单片机来实现被测电机的运行状态的控制。软件系统程序设计：

总结
本文完成了基于WiFi技术的电机温度无线监控技术的前期准备工作，包括设备所需硬件的框架构建和软件编写的基本流程设计。系统的硬件电路设计和软件编写工作还尚未完成，存在一些并不是很明白的知识，需要向老师以及各位学长同学请教，自己还有许多的专业知识需要进一步的完善。