基于传感器网络的工业能耗实时监测与安全预警系统

一、项目概述

1.1 引言

在工业领域，节能减排是国家提出的战略要求，同时也是企业发展的方向，这对于降低了企业的生产成本具有重大意义。以中国钢铁企业宝钢为例，可近似估算，宝钢2009年的钢铁年产量约为3000万吨，吨钢能源成本约为1000元，能源成本为300万亿，如果能够提高1%的能源利用率，可节约能源成本3万亿，而宝钢仅仅只是中国的一家企业，由此可见，在节能减排方面的研究所具有的巨大市场价值。更为细致的来看，在连续生产型的企业中，保障流水线的持续工作减少了因某个环节的故障带来的重大损失。在电力生产型企业中，其配电装置的正常工作对于企业的持续生产具有重大意义。

 

本方案将实现各个生产设备和配电盒的能耗和温度检测。通过对能耗历史数据的处理，使得能耗数据实现可视化，对于企业找到重大耗能设备，精打细算地管理能耗，进一步加强节能减排工作有重要意义。同时，对设备温度的实时检测可以侦测流水线、配电装置是否工作异常，当发生异常现象是，通过及时报警，能够最大限度地降低异常状况带来的损失。由已有的历史数据也可以对于未来的能耗和温度变化趋势作出预测，从而能够提醒管理者何时温度可能出现异常，提醒其采取措施或者进行检修。

 

总的来看，能耗检测能够帮助企业进行节能减排工作，降低企业的能源成本，温度检测对于防范故障带来的损失有重大意义。

 

1.2 项目简介

本项目在系统架构上包含传感器节点、汇聚节点和管理节点的三个部分，如下图所示：

 

图一

 

传感器节点由EVK1100的硬件平台配合传感器实现，将安置在每一个需要测量的生产设备和配电盒上，测量并显示该设备的功率和温度信息，同时将测得的数据通过通信模块及时发送给相应的汇聚节点，如果信息异常，会在发送的数据中加入报警信号。汇聚节点由一台PC机、负责通信的硬件以及发出报警信号的硬件共同实现，将为每一个生产车间，或者为一定数量的生产设备配备一个汇聚节点。它能够存储传感器节点的历史信息，并分析一定范围内的生产设备的工况，最终将得到的数据发送给管理节点，交给管理节点处理。管理节点可以由多台PC机构成，为整个企业能耗与温度监测的信息综合中心，能够在这里看到企业内部所有生产设备的相应信息，从而为企业执行者决策提供依据。

 

二、需求分析

2.1 功能要求

从单个传感器节点的功能上看，将实现单个生产设备和配电盒的能耗测量、温度测量，某些节点可进一步引入开关器件，在特殊情况下，主动关掉电路，能量供给方面，开发板使用220V/380V电压供电，引入的霍尔传感器采用电池供电。

 

从网络系统整体功能来看，将实现整个工厂内功率与温度信息的实时监测，使得相关信息可视化，并且提供了及时报警的机制；通过分析历史数据，能够预测工厂内部的温度变化趋势，提供预警功能，管理者可在预测的温度异常区间采取相关措施；同时在时间及空间两个维度了解工厂内部的能耗情况，采用可视化软件使其很好的显示在管理者面前，为管理者加强企业的节能降耗工作提供了良好的辅助。

 

2.2 性能要求

管理者最终看到的能耗和温度信息有一定的延时，该延迟的时间为从传感器节点检测到相应信息，发送给汇聚节点，进而交由管理节点显示所消耗的时间，同样，预警功能也有一定的延迟，因为预警信息需要从传感器节点发送给汇聚节点。但是，信息显示的延迟对于整个数据的监测不会带来太多负面影响，而报警的延迟只要控制在允许的范围内，同样可以接受。

 

在传感器节点传递数据包给汇聚节点时，存在遗失数据包的问题，可以引入ACK机制，即汇聚节点在成功接受到数据包时，发送ACK帧给传感器节点，从而可保障数据的可靠传输；同时，可以给带有报警信息的数据包引入优先机制，使其优先被汇聚节点处理。以上改进方案可以改善丢失数据包的问题。

 

三、方案设计

3.1 系统结构框图与模块功能分析

3.1.1传感器节点的结构框图与各模块功能分析

 

传感器节点的系统结构框图如下：

 

图二

 

传感器节点由能量供应模块、传感器模块、处理器模块、显示模块、通信模块五个部分组成。其中能量供应模块为其他各个模块供应能量；传感器模块选用霍尔传感器来测量生产设备的电压、电流，选用工业界常用的镍铬镍硅热电偶测量生产设备的温度，并将信息传递给处理器模块；处理器模块由电压电流信息计算设备的功率，再将功率、温度信息传递给显示模块，在LCD屏幕上显示，同时将温度信息与预先设定的安全阈值进行比较，如果发现温度异常，则将报警信息加入到功率温度信息中，并一起发送给通信模块，通信模块在将数据打包成数据包后，直接发送给附近的汇聚节点，交给汇聚节点进行统一分析。

 

3.1.2汇聚节点的结构框图与各模块功能分析

汇聚节点的系统结构框图如下：

 

图三

 

汇聚节点由能量供应模块、处理器模块、通信模块、报警模块组成。能量供应模块为其他各个模块供应能量；通信模块随时侦听空间中是否有来自传感器节点的信息，并将收到的信息发送给处理器模块，同时也将处理模块处理后的信息发送给管理节点；处理器模块负责该区域内所有信息的综合与处理，并将处理后的信息交给通信模块，如果有异常信息，则将相应信息传递给报警模块；报警模块在收到报警信息后，会发出警报声，提示是哪一台机器有温度超标的情况。

3.1.3管理节点的结构框图与各模块功能分析

管理节点的系统结构框图如下：

 

图四

 

管理节点由能量供应模块、处理器模块、通信模块组成。能量供应模块为其他各个模块供应能量；通信模块负责与汇聚节点进行通信，并将收到的信息发送给处理器模块，处理器模块负责工厂内所有信息的综合与处理，从而得到整个工厂内各生产设备的能耗与温度状况。

 

3.2 硬件平台选用及资源配置

选用EVK1100硬件平台，并引入霍尔传感器，报警设备，PC机等硬件来建设整个系统的硬件体系。

 

3.2.1传感器节点的硬件使用

EVK1100开发板实现温度测量、信息处理、信息显示、通信的功能，引入霍尔传感器实现电流、电压的测量。EVK1100开发板直接连接电源，提供持续供电，内置温度传感器测量温度，使用AT32UC3A0128的MCU负责信息的处理和指令的传送，使用4 x 20蓝色LCD屏来显示信息，并且通过USART与汇聚节点通信。霍尔传感器端则可以通过内置电池供电，以保持其比较小的体积，易于安放，同时与EVK1100开发板连接，将测得的信息及时传递给EVK1100开发板。

 

3.2.2汇聚节点的硬件使用

汇聚节点的能量供应模块与处理器模块由PC机实现，具有能量供应、信息处理和指令传送等功能；报警模块由报警装置实现，在接收到报警信号后，发出警报声。

 

而通信模块的两部分功能分别由不同硬件实现：一为与传感器节点的通信，可采用cc2420信号收发器实现这一层面的通信，二为与管理节点的通信，可直接由PC机通过更新整个工厂内部的数据库服务器的信息来实现，从而使得管理节点的PC机可以对相关的信息进行处理。

 

3.2.3管理节点的硬件使用

各个PC机配合或者由一个功能十分强大的PC机处理整个工厂内部的能耗和温度信息，并通过可视化软件显示。

 

 

3.3系统软件架构

3.3.1传感器节点的软件架构

 

传感器节点的软件架构图如下：

 

图五

      

由Linux内核作为引导，由多种硬件作为支持，实现设备通信和LCD显示功能，在实际开发过程中，还可能引入其他应用，因此留出其他应用的API接口。

 

3.3.2汇聚节点与管理节点的软件架构

汇聚节点与管理节点通过PC机实现，因此不再详细画出PC机实现的软件架构，而给出其汇聚节点与管理节点基于数据库服务器通信的架构图。

 

图六

 

管理节点和汇聚节点的差异在于，管理节点还需要一个能耗、温度的可视化软件，从而可以让管理者随时可以看到整个工厂内部的能耗和温度情况；汇聚节点还需要加入报警服务与通信服务，报警服务用于出现异常时报警，通信服务用于与传感器节点通信。（此处通信服务指与传感器节点的通信，由cc2420实现，与管理节点的通信由PC机通过数据库服务器实现。）

3.4 系统运行流程图

3.4.1传感器节点运行流程图

 

图七

 

3.4.2汇聚节点运行流程图

 

图八

3.4.3管理节点运行流程图

 

图九

 

3.4.4系统运行流程图分析

由以上三个流程图可以看出，上电后，各个模块分别开始工作，通过检测是否收到外部信号，以及是否有异常信息来决定流程图的流向。

 

 

3.5 系统预计实现结果

本方案将实现各个生产设备和配电盒的能耗和温度检测。通过对能耗历史数据的处理，使得能耗数据实现可视化，对于企业找到重大耗能设备，进一步加强节能减排工作有重要意义。同时，对设备温度的实时检测可以侦测流水线、配电装置是否工作异常，当发生异常现象是，通过及时报警，能够最大限度地降低异常状况带来的损失。由已有的历史数据也可以对于未来的能耗和温度变化趋势作出预测，从而能够提醒管理者何时温度可能出现异常，提醒其采取措施或者进行检修。