图1 基于物联网的矿井通风机远程监测系统结构
玄兆燕1， 王凯良1， 吴卓繁2
(1.华北理工大学 机械工程学院, 河北 唐山 063000； 2.中国农业大学 工学院， 北京 100083)
摘要：针对现有通风机状态监测系统只能在现场工控机或服务器上查看、分析数据的问题，设计了一种基于物联网的矿井通风机远程监测系统。该系统以S3C2440为处理器、Qt为编程语言、OneNET物联网平台为数据传输平台，可实时获取、分析矿井通风机的振动信号，实时感知矿井通风机的运行状态，从而实现矿井通风机设备的预知维修。
关键词：矿井通风机； 远程监控； 振动信号; 故障诊断； 物联网； OneNET
矿井通风机是重要的矿山安全设备，现有多种通风机状态监测系统，监测系统的通信方式多种多样，有RS485串口通信协议、ZigBee无线网络通信协议、BITBUS总线、Profibus总线、CAN总线等，但这些通信协议都为局域网络传输[1-6]，所获取的数据只能在现场工控机或服务器上查看。受现场工作条件限制，专业人员很难驻守现场对通风机设备的运行状况进行分析评估，只能依赖工控机内置的故障诊断程序来进行故障诊断，缺乏准确性与智能性，不能对复杂的工况环境做出严谨准确的判断，会造成维修滞后，存在安全隐患。基于上述情况，本文设计了一种基于OneNET物联网平台的矿井通风机远程监测系统，通过嵌入式系统对矿井通风机的振动信号进行采集、处理并传输至OneNET物联网平台，实现了矿山设备工作健康状况实时感知[7]。本系统以OneNET物联网平台为振动信号的传输存储平台，通过互联网传输协议，专家可以随时随地获取通风机的振动数据，对通风机运行状况进行查询分析，同时也方便多专家协作分析，具有很好的网络扩展性。
基于物联网的矿井通风机远程监测系统由4G网络、振动速度传感器、嵌入式系统及物联网平台组成，系统结构如图1所示。
图1 基于物联网的矿井通风机远程监测系统结构
本系统所监测通风机的主轴转速为1 000～1 600 r/min，故选用6路振动速度传感器分别测量通风机电动机输出端、通风机转子前端和后端振动信号，所测振动信号电流值经AD转换后传输至嵌入式系统中。
嵌入式系统以S3C2440为处理器，同时搭载外围部件AD采集芯片、触摸屏LCD、NAND FLASH、网络芯片DM900A、MICROSD卡接口等，以实现振动信号的采集、处理、显示、保存和传输等功能。
本系统采用4G网卡与无线路由器组成信号传输所需网络环境，由移动电源对无线路由器进行供电[8]。即使现场没有连通互联网，也可由4G网络连接物联网平台，降低了现场的布线难度，消除了对现场网络条件的依赖。
本系统以Linux2.6.22.6为内核，搭载Qtopia为桌面系统组成操作系统，实现对外设硬件的驱动、图形显示、触摸屏操作、网络连接等功能。通风机远程监测系统软件模块主要包括AD采集及处理模块、数据存储模块、时域指标分析模块、数据传输模块。
本系统所测取的通风机振动信号为6路振动速度传感器测得的电流信号，经由AD转换后传输至嵌入式系统中，将所采集的振动信号经低通滤波处理后存储为xml格式文件，每个xml文件包含一组振动信号，即6路×512个数据点，当系统需要传输数据时，由网络传输程序解析数据文件并传输至物联网平台，供相关专家或技术人员下载或查看。通风机振动信号传输流程如图2所示。
图2 矿井通风机振动信号传输流程
2.1 数据采集模块
本系统中所监测的通风机振动主轴转动频率为16.7 Hz，使用CD-6型振动速度传感器采集矿井通风机的振动速度信号，振动速度传感器的灵敏度为50 mV/(mm·s)。系统选用AD7606作为传感器输出信号的AD采集芯片，由于通风机故障频率一般不超过基频的10倍，故选择AD7606采样频率为3.125 kHz(200 kHz/64)。在本系统中，振动速度传感器理论输出最大电压为±2.67 V，故设置采样AD转换量程为±5 V，使用DB0—DB5共6组通道分别采集6个振动速度信号。
为保证故障诊断结果的准确性，应对采集信号进行低通滤波处理，去掉频率过高的噪声信号。在完成一次完整的采集后对采集到的信号进行低通滤波处理，设计FIR低通滤波器滤除高频噪声，设置低通滤波器的截止频率为167 Hz，具体数据采集程序流程如图3所示。
图3 数据采集程序流程
2.2 数据存储模块
XML即可扩展标记语言，具有简单、友好的特性，被广泛应用于数据交换和数据存储。Qt提供了QtXml模块，帮助用户实现xml文件的读写操作。通风机振动信号的存储使用Qt提供的QXmlStreamWriter写入xml文件，如使用QXmlStreanWrite::StartElement创建开始标签，QXmlStreanWrite::EndElement创建结束标签，QXmlStreanWrite::setAutoFormatting开启自动缩进，QXmlStreanWrite::writeAttribute设置标签属性，QXmlStreanWrite::writeText Element写入包含文本内容的标签[9]。数据存储程序流程如图4所示。
图4 数据存储程序流程
2.3 时域指标分析模块
直接对振动信号进行时间历程的分析和评估是实现状态监测和故障诊断最简单和直接的方法。信号的时域统计分析是指对动态信号的各种时域参数、指标的估计或计算，通过选择和考察合适的信号动态分析指标，可以对不同类型的故障作出准确的判断。峭度指标、裕度指标在机械早期故障有较高的敏感性，但是在稳定性方面不好。一般烈度指标的稳定性较好，但是对机械早期故障信号不敏感。为了取得较好的故障诊断效果，常常将多个指标同时应用，以在敏感性和稳定性方面都取得较好的效果[6]。本系统中计算了采集信号的峰峰值、均值、峰值、烈度、裕度、峭度。
在嵌入式应用中，首先读取xml文件中的振动信号，然后将振动信号单位转换为振动速度单位，根据各指标计算公式，计算各时域指标并显示。时域指标分析程序流程如图5所示。
2.4 数据传输模块
振动信号的物联网传输应用主要实现的功能包括解析包含振动信号的xml文件、连接物联网平台、传输振动信号数据。Qt本身提供了大量的类，编程所需绝大多数的功能可由这些类的成员函数实
图5 时域指标分析程序流程现[10]。在连接物联网时，使用Qt Network模块中的QSocket类建立网络客户端，并连接至网络服务器。振动信号的物联网传输应用程序流程如图6所示。
图6 振动信号的物联网传输应用程序流程
2.5 OneNET平台
OneNET平台支持多种传输协议，如HTTP、EDP、Modbus等，具有良好的可视化应用，数据存储量大，故选用其作为本系统中实现数据存储与传输的物联网平台。
本系统采用HTTP协议作为连接OneNET平台的网络协议，由网站提供的协议文档可获得API接口及这些接口的调用方式、参数说明等，具体内容见表1、表2。
表1 HTTP方法及作用描述
表2 POST方法上传数据的参数内容
表1给出了常用的HTTP方法及其作用，表2给出了使用POST方法上传数据的参数内容。在OneNET平台完成注册并建立设备后，即可获得相应的api-key与<device_id>，作为传输数据至OneNET平台的用户权限验证。
传输数据至物联网平台除需要遵守网络传输协议外，还需要将数据与数据特征组合为包含HTTP方法、api_key、device_id、传输数据等内容的规范文本。通过OneNET平台的在线调试系统查看其传输文本，并在程序中按其规范组合发送。
振动信号传输至OneNET平台后的时域波形如图7所示。原始振动信号时域波形如图8所示。对比图7与图8可知，传输过程无数据丢失。
(a) 测点1
(b) 测点2
图7 振动信号传输至OneNET平台后的时域波形
(a) 测点1
(b) 测点2
图8 原始振动信号时域波形
基于物联网的矿井通风机远程监测系统利用嵌入式系统体积小、功耗低、功能定制等特点，与物联网实时传输、物物相连的特点相结合，实现了矿井通风机运行状况的实时监测。系统可测取矿井通风机振动速度信号，并经由嵌入式系统传输、发送至物联网平台，方便相关专家与技术人员通过互联网查看及分析通风机运行状况，解决了现有系统只能在现场服务器查看、分析数据的问题。
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XUAN Zhaoyan1, WANG Kailiang1， WU Zhuofan2
(1.College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology,Tangshan 063000, China；2.Engineering Institute， Chinese Agricultrual University， Beijing 100083, China)
Abstract：In view of problem that current condition monitoring system of ventilator only can inquire and analyze data on industrial PC or server on scene, a remote monitoring system of mine ventilator based on Internet of things was designed. The system takes S3C2440 as processor, QT as programming language, OneNET networking platform as data transmission platform, and can obtain and analyze vibration signal of mine ventilator real-timely, perceive running status of mine ventilator, so as to realize pre-maintenance of mine ventilator.
Key words：mine ventilator; remote monitoring; vibration signal; fault diagnosis; Internet of things; OneNET
文章编号：1671-251X(2017)01-0081-04
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.01.020
收稿日期：2016-08-29；
修回日期：2016-10-08；责任编辑：张强。
作者简介：玄兆燕(1963-)，女，河北唐山人，教授,博士，主要研究方向为信号分析、机械故障诊断，E-mail:xzyanan@126.com；通信作者：王凯良(1991-)，男，河北邢台人，硕士研究生，研究方向为信号分析、机械故障诊断，E-mail:a546011790a@163.com。
中图分类号：TD635
文献标志码：A
网络出版：时间：2016-12-30 10:33
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161230.1033.020.html
玄兆燕，王凯良，吴卓繁.基于物联网的矿井通风机远程监测系统设计[J].工矿自动化，2017,43(1)：81-84.