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基于3G网络的电子皮带秤远程监控系统设计.pdf

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武汉理工大学硕士学位论文 I 摘 要 随着我国生产工业自动化的飞速发展,电子皮带秤作为一种高精度、高性能的计量设备被广泛用 于煤矿、码头、冶金、电力等行业。为了增加产量和能效,往往都是多 台皮带秤同时工作。恶劣的现场环境和现场大量重复的记录大大增加了企业的人力成本。而且在电子皮带秤连续的工作情况下,皮带经常会出现跑偏、撕裂、打滑等现象,这不仅影响了电子皮带秤测量的精度,而且严重情况下,还会导致生产现场的安全事故发生。因此,为了降低企业劳动力成本,减少生产现场的 安全隐患,对电子皮带秤的运行情况和现场工况进行实时监测很有必要 。 由于 计算机处理能力和网络带宽 的飞速提高,我国进入了第三代无线视频监控时代。 本论文在深入研究当前 3G 网络对工业现场的无线监控基础上, 考虑现场多台皮带秤同时工作的情况,提出了一种基于 Profibus 现场总线加 3G 网络的电子皮带秤远程监控系统设计方案。 本设计分为三个模块 下位机现场采集板、通过 Profibus 现场总线连接现场采集板的上位机、以及 3G 远程监控终端。 为了减少 3G 流量 资费 ,本文基于 C/S 网络模型 设计 。 当用户 通过 3G远程监控终端发出查看现场信息请求时, 上位机接收到用户请求,将控制命令发给下位机采集板,并且打开相应电子皮带秤周围的摄像头,进行视频信息的采集和传输。 但是,当现场出现异常情况时,上位机会以短信方式提醒用户 3G 终端,主动请求 开启下位机视频监控 ,将现场故障信息及时反馈给用户。 硬件设计上,下位机采集板选用 LPC2138 主芯片, 连接上各种传感器输入接口,通过 Profibus 总线接口与上位机进行通信。上位机 采用 了 三星公司 研发 的 一款 ARM9 内核的 S3C2440 主芯片,外接 USB 摄像头和 3G 上网卡,以 Profibus主站方式接收下位机信息并 通过 3G 无线传输方式接入 Internet 网络,将信息传给用 户远程监控终端。 用户远程监控设备 采用 3G 手机 或者 PC 机 。 软件设计上,下位机采集板 采用 实时性 优良的 uCOS-II 操作系统,以多任务方式实时采集各传感器输入信息。上位机 采用 嵌入式开源软件 Linux 操作系统 ,接收下位机信息,并且通过 Linux 内核 V4L2 接口进行视频采集 , 构建Mjpg-streamer 视频服务器, 通过 Socket 网络 编程将信息传输给远程监控终端。 通过利用以上各种嵌入式软硬件技术, 最终使得用户可以通过本系统来 实现对电子皮带秤现场 工况 的远程监控 , 记录现场数据并 防止安全事故的发生。 关键词 电子皮带秤,远程监控, 3G, 嵌入式 系统 , Profibus 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 II Abstract With the rapid development of China s production of industrial automation, electronic belt as a high-precision, high-perance metering equipment is widely used in coal mines, docks, metallurgy, electric power and other industries. In order to increase production and energy efficiency, more than ten belt scales are often woking simultaneously. Harsh field environments and a lot of duplicate records greatly increase the company s labor costs. And in the continuous work of electronic belt, the belts often occur deviation, tearing, slipping phenomenon, which not only affects the accuracy of the belt scale measurement, but in severe cases, can lead to the occurrence of accidents in production site . Therefore, in order to reduce labor costs and security risks in the production site ,it is necessary to real-time monitorthe operation of electronic belt and site conditions. Due to the rapid increaseing network bandwidth and computing processing power, China has entered the era of third generation wireless video surveillance. Through Researching the current 3G wireless network monitoring in industrial site and considering the case of multiple-site belt scales simultaneously work ,this paper presents a remote monitoring system design of electronic belt based on Profibus fieldbus plus 3G networks .The design is divided into three modules the next crew scene acquisition board, the upper monitor connected to the site acquisition board via Profibus fieldbus and 3G remote monitoring terminal. In order to reduce 3G flow charges, the paper is designed based on C / S network model. When the user send a request for ination to view the scene via 3G remote monitoring terminal the upper machine receives user’s request, and issue the control commands to lower machine acquisitionth board, and open the camera around the electronic belt, for the collection and transmission of video ination. However, when any abnormal situation occurs,the upper machine will send a text message to remind the user of 3G terminals,actively requesting the next crew to open the video surveillance, and feedbacking the field failure ination to the user timely. On the design of hardware, the next crew acquisition board uses LPC2138 main chip, with various sensor interface, communicating with the the upper machine 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 III through the Profibus bus interface. the upper machineuses S3C2440 main chip of SamsungCorp, externally connected by USB cameras and 3G cards,and receive inferir ination as a Profibus master and get Internet network access by 3G wireless transmission mode, sending the ination to the user terminal. The user remote monitoring equipment is 3G mobile phone or PC. On the software design, the lower position machine gathering board uses UC/OS the operating system of excellentreal-time perance, to acquery ination of each sensor by the way of multitask real-time. The upper machine adopts embedded open-source Linux operating system to receive the lower position machine ination, and use the Linux kernel V4L2 interface for video capture,construct mjpg-streamer video server, and send the ination to the remote monitoring terminal through the socket network programming. By using these kinds of embedded hardware and software technology, users can ultimately apply this system to monitor the romote conditions of the electronic belt scales for the purpose of the realization of the recording field data and preventing accidents occurring. Keywords Electronic belt, Remote monitoring, 3G, Embedded system, Profibus万方数据武汉理工大学硕士学位论文 I 目 录 第 1 章 绪论 ...........................................................................................................1 1.1 引言 ..........................................................................................................1 1.2 国内外研究发展及分析 ..........................................................................2 1.3 课题研究目的及意义 ..............................................................................5 1.4 论文主要工作及组织结构 ......................................................................6 第 2 章系统总体方案设计 ....................................................................................7 2.1 电子皮带秤的工作原理 ..........................................................................7 2.2 电子皮带秤常见问题与分析 ..................................................................8 2.3 系统关键技术点及解决方案 ..................................................................9 2.4 系统总体实现框架 ................................................................................12 2.5 下位机采集板总体设计 ........................................................................13 2.6 上位机总体设计 ....................................................................................13 2.7 远程终端与上位机的通信设计 ............................................................14 第 3 章 系统硬件平台设计 .................................................................................16 3.1 下位机采集板硬件电路设计 ................................................................16 3.1.1 LPC2138 单片机最小系统电路 ..................................................16 3.1.2 UART 接口电路 ...........................................................................17 3.1.3 电机控制电路 .............................................................................18 3.1.4 皮带跑偏检测电路 .....................................................................19 3.1.5 皮带撕裂检测电路 .....................................................................20 3.1.6 皮带打滑检测电路 .....................................................................21 3.2 上位机硬件电路设计 ............................................................................23 3.2.1 S3C2440 片上系统及 外围接口 ..................................................23 3.2.2 存储器接口电路 .........................................................................24 3.2.3 PROFIBUS 总线接口电路 ..........................................................26 3.2.4 摄像头接口电 路 .........................................................................27 3.2.5 3G 网络接口电路 ........................................................................29 3.2.6 USB 接口电路 ..............................................................................30 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 II 第 4 章 下位机程序设计 .....................................................................................32 4.1 uCOS-II 操作系统 平台构建 ...................................................................32 4.1.1 uCOS-II 操作系统 介绍 ................................................................32 4.1.2 uCOS-II 操作系统 移植要求 ........................................................33 4.1.3 任务级任务切换代码移植 .........................................................34 4.1.4 中断级任务切换代码移植 .........................................................35 4.2 信号检测程序设计 ................................................................................36 4.2.1 皮带跑偏检测程序设计 .............................................................36 4.2.2 皮带撕裂检测程序 设计 .............................................................37 4.2.3 皮带打滑检测程序设计 .............................................................38 4.3 电机转速控制程序设计 ........................................................................39 第 5 章上位机程序设计 ......................................................................................40 5.1 Linux 操作系统平台构建 .......................................................................40 5.1.1 BootLoader 启动代码设计 ..........................................................40 5.1.2 Linux 内核移植 ............................................................................42 5.2 Linux 设备驱动的开发 ...........................................................................44 5.2.1 PROFIBUS 总线驱动程序设计 ..................................................44 5.2.2 摄像头驱动程序设计 .................................................................46 5.3 Mjpg-streamer 视频服务器的移植 .........................................................49 5.4 3G 网络平台构建 ...................................................................................52 第 6 章 远程终端程序设计 .................................................................................56 6.1 整体框架设计 ........................................................................................56 6.2 皮带秤信息监控程序设计 ....................................................................57 6.3 无线视频监控程序设计 ........................................................................58 第 7 章 总结与展望 .............................................................................................60 7.1 总结 ........................................................................................................60 7.2 展望 ........................................................................................................60 致 谢 ...................................................................................................................62 参考文献 ...............................................................................................................63 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 随着 计算机、 微电子、 通信 等相关 技术 发展越来越成熟 ,远程无线视频监控技术 发展突飞猛进 , 在 军事,金融,安防等领域 被广泛应用 [1]。 由 于有线网络 视频监控系统 缺乏移动性 , 在某些 不适合人员长期驻扎及 系统设备数量多,分布广的地方 不宜 采用 , 如野外工业现场 、地下矿井 等。 目前 , 传统有线视频监控系统出现的 主要 问题 有 要监控的地点 多而杂, 铺设线路比较 复杂、各监控点距中控室 距离远、通信维护 和检修 的费用高 [2]。当铺设的线路老化 或出现故障 时,重新铺设线路的 难度和 工作量大。 而且传统的 有线 视频监控系统 大部分是基于 摄像机的固定监控, 实现联网监控 难度大,需要 在本地固定的监视器或者工控机显示屏上进行监控 , 使 得应用范围的 局限性 很大 。传统的 有线视频监控系统 信息采集具有 单向、 总线、 介质专用、单功能 的特点,导致无法形成有效的联动和大范围 的扩展应用 [3]。 随着 传统的 有线 视频监控系统渐渐 难以 满 足企业 随时随地获取 生产现场 视频信息的需求 , 开发出一种集 数字化、智能化、网络化 于一体的 无线 视频监控系统 成为当下热门的研究方向 。 科学技术的 高速 发展和多媒体技术的 广泛应用,使得无线 数字化视频监控系统将 渐渐 取代传统的 有线视频 监控系统,并且 在视频传输质量和 传输速度 上不断地完善和提高。 之前 , CDMA、 GPRS 等 2G 通信技术被大量应用到 无线视频监控系统 中,但是 受到 网络传输速率和 信道带宽 的限制 , 使得用户很难满意采集到的图像质量 和传输的速率 。 第三代移动通讯技术3G 网络 的出现,加上 运营商的大力 推广 ,移动通信和 无线 视频监控 技术 深度融合在一起 。这 改善了 传统的 2G 网络监控技术的不足 , 使得 远程无线视频监控 技术出现了新的转机 。 随着电信设备制造商对 3G 网络研发的投入,以及联通、电信、移动等国内三大 运营商 对 3G 终端的资费补贴, 使得在一些有线视频和传统的 2G无线视频监控无法解决的场合中,对 3G 无线视频监控技术的需求量越来越大 。 由于现在 3G基站已经覆盖了大部分国土面积,甚至在珠穆朗玛峰上都能搜索到移动的 3G 网络 ,而且鉴于 3G 手机终端产品便于携带和 3G 网络的传输稳定性和安全性,基于3G 网络的远程视频监控系统将是以后视频监控新的发展趋势。 利用 3G无线通信网络承载 远程无线 视频监控 ,可以有效实现 统一标准、 统一规划、实时高效 的目万方数据武汉理工大学硕士学位论文 2 的 [4]。 企业 管理者在第一时间 了解生产现场 工况 以及 发现 问题所在, 这不仅 降低了人 力资源成本,提高了企业生产效率,而且保障了生产现场的安全生产 。 3G远程无线监控系统是移动通信和传统的视频监控系统的结合,也是 3G 服务中最核 心的应用,在这种技术一出来时就得到了社会的大力推广。 3G 作为一种无线传 输方式,为手机等移动终端提供了一种接入互联网的快速方式,使得 移动 终端能够通过互联网跨地域的实行远程监控。 并且,随着 3G 网络普及率越来越高,用户移动终端接入互联网更加方便,使得企业可以定制更加灵活的远程无线视频监控方案。 1.2 国内外研究发展及分析 电子皮带秤远程监控系 统是用于采集现场电子皮带秤计量信息和皮带运行信息,将这些信息通过 无线方式发送给远程端用户,以实现对现场工况的实时监控,防止工业现场生产事故的发生 [5]。 为了 达到 以上功能,本文主要完成的 两部分 工作是下位机现场总线控制系统 的实现 与上位机 无线视频监控系统 的 实现。本文分别对这两部分内容的国内外研究发展进行了阐述。 在工业控制中,现场总线 控制系统 的研究和发展 随着 传感器技术和通信技术的结合 得到了 快速发展。上个世纪五十年代 , 过程控制仪表都是以气动仪表为主,通过气动信号来驱动仪表的正常工作。随着技术的不断发展,以 4-20mA 的电流信号驱动的模拟仪表渐渐取代了过程控制中的气动仪表。到了七十年代,计算机突飞猛进的发展带动了数字式过程控制系统的高速发展,渐渐数字仪表替换下了模拟仪表 [6]。接下来,随着晶体管技术的发展,小型化数字计算机大量应用到工业控制当中去。这样,使得系统中可以由多个计算机来控制多个生产对象,从而产生了当前在工业控制 中应用非常广泛的现场总线 控制系统 FCS,其结构图如下图 1-1 所示。 FCS 控制系统最大的优势就是将工业现 场的管理模块化、标准化,这样就使得整个系统的升级和后期的维护工作变得很方便。这种清晰的层次划分使得计算机网络得以在工业现场快速部署。由于具有这些优良的特性,分布式现场总线控制得到了飞速的发展。而当今工业发展中,远程化、网络化成了工业现场监控的发展趋势。本论文设计的基于 3G 网络的电子皮带秤远程监控系统也会沿着工业控制发展的方向,向着智能 化 、 网络化、 远程化的目标演进 。 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 3 图 1-1 现场总线监控系统结构图 顺应时代发展趋势, 为了便于现场 电子 皮带秤运行信息的统一管理, 本文下位机采用了 PROFIBUS 现场总线控制 方式 。 而上位机无线视频监控 部分 也是本文需要 重点实现的功能 。随着后 PC 时代的来临,移动通信技术的高速发展也带动无线视频监控技术 进入了一个崭新的发展阶段。 进入 21 世纪,嵌入式 技术 和图像处理技术的发展为 无线 视频监控技术 的进一步发展提供 了 可能 。 通过移动通信的便捷服务,监控中心可以随时随地检测监控点的信息。再也不会因为监控点分布的范围广,以及离监控中心距离远而无法完场实时监控。这也大大降低了户外监控的成本。 近些年来,随着 3G 网络的快速普及,三个运营商纷纷推出了各自的无线远程视频监控类产品。 中国电信 在城市街道部署了 “全球眼”的无线远程视频监控产品。用户通过电信的 3G 手机,就可以随时随地的查看监控点的视频信息。中国联通打出了“宽视界”的 3G 视频监控品牌 ,并且和许多社区街道办合作,将 3G 摄像头装到小区内,一旦小区内有异常事件出现时能够及时报警,并且提供清 晰的现场画面 信息,保障了小区的安全 [7]。 中国移动开展了“手眼通”的 3G 视频监控业务, 并 且应用到 医疗抢救中,使得 120 急救中心的医生可以知道急救现场的医务人员进行高危病人的抢救工作 。 3G 网络正以其高带宽、高安全、高传输率等优良特性在各个行业的无上位机PLC监控显示皮带机现场仪表 皮带机皮带机现场仪表 皮带机皮带机现场仪表 皮带机监控室生产现场现场总线万方数据武汉理工大学硕士学位论文 4 线视频监控中 飞速发展。 国内的视频监控技术已经发展了很长时间了 , 总共走过 了 以下三个阶段模拟监控、数字监控以及嵌入式监控 [8]。 ( 1) 基于模拟信号 的 模拟监控 系统 。早期的视频技术 很简单,监控点通过同轴电缆将现场信息传送给监控中心。 但是,随着企业生产规模的不断扩大,需要监控的 点越来越多,导致显示设备和摄像头要大幅增加。这不仅增加了企业的运营成本,也为系统的维护增加了困难。 基于模拟视频的监控技术由于其安装成本大、视频质量差、传输速率慢等缺点,已经被淘汰出市场了。 ( 2) 基于 板卡式的数字信号 监控系统 上世纪末,工业计算机逐渐开始运用到工业现场的视频监控中心,这种监控方式融合了视频监控和工业现场的数据采集,促进了多媒体监控系统的形成。 这类控制方式 往往 有两种 类型 显示终端 PC 机和专用的视频显示终端。 该系统设备成本较高,视频采集前端设备较为复杂,需要 CCD 摄像头,专门的数据压缩卡等等 。所以,出于 成本的考虑,许多企业也渐渐不再使用这套监控系统。 ( 3) 基于 嵌入式 技术 的监控系统 随着计算机处理能力和多媒体技术的不断 发展,第三代无线数字式视频监控技术得到了社会的广泛关注。 当今视频监控技术正朝着视频数字 化 、 监控网络化 、前端一体化 等方向发展 [9]。 第三代数字视频监控技术是整个行业的一次革新。它为用户提供优质的视频质量,快捷的监控方式。 由于最终要连接到 Internet 网上,其 TCP/IP 的通信方式,使得监控系统的资 源获得是极为方便的。 国外在远程视频监控上发展的比较成熟,生产出了很多优秀的产品并且在实际运用中都有很好的表现。 例如 IO image 公司 已经将其 PTZ 系统应用到了以色列的国会大厦,用于保护大厦的安全,跟踪大厦周围的人员移动。 Object Video 公司将其智能视频监控设备应用在加拿大的军事基地。 麻省理工学院和斯坦福大学联合 举办 首届基于 Internet 的远程监控诊断工作会议, 共有 30 多家公司及与会代表参加了, 会议 对 未来数年远程监控技术做了新的展望。 制造 行 业、计算机 行 业及 仪器仪表 行 业的 12 家大公司 ,比如 Boeing、 Sun、 Ford 、 HP、 Intel 等 都对这项 工作表示积极响应 。在国外, 远程 视频 监控 技术的研究已经从理论进入到了实践应用阶段 , 在 输油管线的远程监控、 工业过程远程监控、 智能化楼宇的监控中得到了很好的表现 。国内 , 在远程视频监控方面都取得了不错成果的学校有 华中科技大学、 哈尔滨工业大学、 南京理工大学、西安交通大学 等 。例如基于 Internet网络,上海科技网正 联合其他 一些 科研院所 共建远程服务中心 。 在全球范围上,万方数据武汉理工大学硕士学位论文 5 合肥工业大学 建立了 智能网络数控系统等 [10]。 现阶段,同国外相比,我国在远程视频监控方面还存在着一定的差距。大量的视频编解码芯片还需要从国外进口,视频服务器软件还需要从国外购买。特别是在工控领域,我国还有大部分企业仍然采用的是以板卡式作为基础的数字视频监控系统,这些都极大的增加了企业的成本,降低了企业远程监控的灵活性。并且, 将这些远程视频监控技术很好的应用到 港口、码头等 工业现场中还有很长的一段路要走。 1.3 课题研究目的及意义 本研究课题 源于 对 山东某 公司的嵌入式电子皮带秤的研究和 设 计。 由于前期设计的电子皮带秤仪表只是完成了单个皮带秤仪表的计量功能 , 并没有考虑到工业现场多个皮带秤同时工作的情况。电子皮带秤仪表是位于工业现场皮带秤附近,这使得工作人员必须去现场对皮带秤运行情况进行大量重复的记录工作,大大增加了企业的劳动力成本。 由于电子皮带秤应用的工业现场通常都是港口、码头等环境比较恶劣的地方,皮带秤长时间连续的工作很容易引起皮带跑偏、撕裂、打滑等现象 [11]。 如果不及时发现这些故障,不仅会影响皮带秤运行的精度,而且严重情况下 会 导致生产事故的发生。 通过与公司人员进行沟通,以及分析公司对未来电子皮带秤发展的新需求,发现不管是对该公司还是对整个电子皮带秤行业 来说,未来电子皮带秤都希望向着智能化、集成化、网络化方向发展。 这些人性化的设计无疑会极大的提升企业的生 产竞争力, 也为本文的课题研究指明了方向。 为了改善工人的工作状况 、 降低劳动力成本、 加快企业的生产效率 、及时发现生产现场的安全隐患,本文采用了当下流行的 3G 网络技术 和 PROFIBUS 现场总线技术,通过将多台皮带秤组网, 实现了对电子皮带秤的远程监控系统
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