基于物联网的港口设备状态监控与维护系统的设计开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.1设计目的及意义

近年来,随着中国对外贸易的迅猛发展,交通运输行业空前繁盛,港口作为运输网络的神经中枢,在促进经济发展和对外贸易上起着至关重要的作用,是经贸发展的催化剂。然而港口在发挥重要作用的同时,其生产作业过程中也存在着诸多隐患。随着吞吐量需求的快速增长和对港口功能升级的深层要求,港口业务更加依赖大量现代化设备来完成货物中转,而且由于港口作业过程多涉及大型设备,作业流动性和移动性强,各环节人员连续作业,容易出现交叉作业的情况,若设备故障则很可能造成人员伤亡、财产损失,因而港口设备的安全性对于港口生产过程中的安全性显得尤为重要。

我国的港口装卸设备已经取得了较大的发展,各大港口特别是沿海地区的大型专业化港口的装卸设备,总体上已经接近世界先进水平,个别机型、个别设备已处于世界领先位置,中国的港口机械已经获得了世界的认可,在全球港口机械市场上,占据着重要的地位。然而随着港口设备的不断使用与维护,其中起重机、升降机等设备,已经伤痕累累,不断出现了多次臂架、支承圆筒等结构件折断的大事故,造成重大经济损失与人身伤亡,给使用单位的安全生产带来严重的威胁与经济损失。特别是在不同港口的起重机中,服役高达20 年以上的装卸型起重机大小维护不下上百次,各种结构损伤,各种部件损坏都存在。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容

本毕业设计(论文)以港口设备的监控与维护为研究对象,主要任务有:

(1) 学习并掌握物联网在设备状态监控中的应用;

(2) 研究、分析各种物联网方案的优劣,制定系统总体设计方案;

(3) 设计物联网通信单元的硬件电路,并编制相应的通信程序;

(4) 制作、调试物联网通信单元;

(5) 撰写毕业设计论文,字数在15000左右;

(6) 翻译外文文献20000字符;

2.2拟采用的研究方案

基于物联网的港口设备监控与维护系统设计主要分为四个模块,如下图1所示:

图1 基于物联网技术的港口设备监控与维护系统框架

如图 1所示,此系统框架按照实现功能可以分成以下四个层次。作为最底层的感知层负责采集港口生产作业时设备状态及周边环境信息。这些来自港口现场实况的数据经汇总并通过事先指定的通信协议在网络层中高速传输。面对大量的数据,数据层执行必要的数据预处理、分析建模和决策报告。而应用层则面向于港口设备管理人员,他们可以基于数据层提供的决策分析与结论,执行各种常规的设备管理操作。以下针对此系统框架每一层的功能进行详细介绍:

1)感知层 :在感知层中,根据不同测量目,各式各样传感器将被采用并委以系统中相关数据的采集任务。例如,位移与角度传感器常用于测量港口机械装置的运行情况;温湿度传感器则用于记录港口所处的天气状况和电机等设备的温升情况;光纤光栅传感器被用于大型设备(如起重机)的健康监测;而摄像头传感器则可以实时捕捉港口现场的图像信息。

2)网络层:此功能层旨在满足WSN无线通信的传输要求,将一系列常见的WSN无线传输协议、蜂窝通信技术和互联网通信协议涵盖于此,实现WSN节点之间的数据通信与统一上传至远程监控服务器。尤其地,根据所选传感器类型和不同通信场景要求,目前大规模应用于WSN 传感器节点的无线传输信协议在传输范围、通信功耗、数据速率和安全保障方面存在差异,各有秋千。 所以,系统网络层在实践应用中应根据具体需求综合分析选择合适的WSN无线传输协议。

3)数据层:当从港口现场采集的海量实况数据到达数据层,此层不仅仅是简单地存储记录数据,还要执行数据预处理、数据处理与分析、数据可视化和呈现报告的功能操作。其中数据预处理主要包括数据清理、数据集成、数据归约与数据转换等内容。通过数据预处理,可以大大提高数据的总体质量。 而随后的数据处理与分析过程中,为了驾驭多样、多源的数据,有必要将它们梳理后进行挖掘和分析。因此,数据融合成为不可或缺的一步。接着,全面的数据分析就包括了对已有数据的分布式统计分析技术和探索未知数据的分布式挖掘、深度学习等。更为重要的,在数据分析之后,此数据层也注重数据的可视化,目的在于将数据分析与预测结果以计算机图形或图像的直观方式显示给相关工作人员,方便他们发现大量业务数据中隐含的规律性信息,以支持管理决策和书写最终的数据报告。

4)应用层:港口设备管理人员根据系统数据层提供的决策分析与结论,执行设备管理的日常操作。设备管理人员可以按照管理需求,设置系统侦听设备状态数据的技术配置,以实现特定业务要求下的自动报警功能。另外,设备管理人员可以按时查看数据层梳理的历史数据和数据报告结论,检测发现港口设备是否存在可疑故障,在完成故障检测之后,还可以进一步确定故障所在大致部位。设备管理人员通过对设备运行状态和异常情况做出判断与及时定位故障处,诊断故障类型、故障部位及原因,最终给出解决方案,实现故障排除。除此,在必要时候,诸如判断设备已无法维修时,设备管理人员还可以及时更新损坏设备,避免港口生产计划受扰。同时,通过掌握设备状态的实时参数,设备管理人员也可以初步判断每个港口设备的工作负荷,利用合理的调度,充分发挥设备之间的协调能力,宏观调节各个设备的运转情况,降低超负荷使用或过度使用设备的情况出现,有效地保证港口设备整体的使用寿命,也促进港口生产作业计划高效执行。

图2 系统总体结构图

系统的总体结构图如上图2所示,传感器模块包括温湿度传感器,主要用来采集设备的温升状况和监控环境的温湿度,拟采用DHT11温湿度传感器;电压电流传感器,用来监测设备实时电气参数,拟采用JLT1U电压传感器,ES300C型电流传感器;应力传感器主要监测起重机、升降机的手里情况,拟采用GPD450M应力传感器;摄像头传感器主要用来监控整个港口的实时运作画面,拟采用OV2640摄像头传感器;烟雾传感器是港口发生火灾时及时预警,拟采用MQ-2烟雾传感器,对于以上的传感器模块所选用的具体传感器的特性在此不再赘述。主控制模块选用的是STM32F103RCT6微控制器,内部集成了一颗基于ARM的Cortex TM-M3 32位RISC内核,拥有72MHz的CPU主频、256KB 的

FlASH容量、48KB RAM容量,主要有如下的技术特点:

(1)丰富的外设资源:拥有多达 51个普通GPIO口、2个12位精度的ADC模数转换模块、3个16位的通用定时器、1个16位高级定时器、3个USART 串行接口、2个IIC总线接口、2个高速SPI总线接口、1个USB2.0接口、1个

CAN2.0B主动接口等等。

(2)功耗较低:供电电压为2.0V~3.6V,可以在2.0V供电的情况下正常运行,即便是所有设备打开且运行全速72MHz主频的情况下,也仅消耗36mA电流,休眠模式下,功耗仅为2μA。

(3)较少的封装引脚数:采用了LQFP64封装形式,大小为10mm×10mm ,拥有64个引脚,方便系统电路的搭建和集成。

(4)高安全性:MCU可以锁住其内部的Flash使破解人员无法通过调试端口读取其内容,从而保证的系统的安全。

(5)程序编写简便:拥有指令编程和库函数编程两种编程方式,在库函数编程的情况下,可以直接调用系统库中的函数,方便了MCU的程序设计过程。

WiFi无线通信技术传输速率快,能满足传输图片、视频等数据量较大的数据;传输距离远,单节点的覆盖面积较大;组网方式简单;容易维护等优点更适合养殖场环境的监控系统。本课题通过综合考虑养殖场环境的特点,本系统的无线通信技术最终采用WiFi无线通信技术。WiFi是一种传输速率快、电波覆盖范围广、组网方便灵活、经济安全、可靠性高的无线通信技术,本质上属于无线局域网WLAN的范畴。目前WiFi所使用的协议标准主要有最大传输速率可达54Mbps的IEEE802.11a、IEEE802.11g;最大传输速率达11Mbps的 IEEE802.11b以及最大传输速率为600Mbps的IEEE802.11n。WiFi所使用的通信频段在2.4GHz或者5GHz,能为用户提供简单高效的无线传输方案。

由主控模块实现对其他各模块的总体控制,各模块在功能上彼此独立,方便系统的维护。系统上电主控模块控制其他模块完成初始化,控制WiFi模块初始化并进行连网;控制光照传感器和温湿度传感器初始化并等待数据采集;主控模块完成ADC外设的初始化准备接收温湿度传感器、应力传感器、电压电流传感器输出的数据。WiFi模块实现和云服务器的TCP连接以及数据通信功能。各传感器模块完成养殖场环境各参数的采集工作。系统硬件部分的数据通信过程为:系统上电,主控模块接收各传感器模块输出的数据,进行模拟信号到数字信号的转换,并将数据发送给已与云服务器建立TCP长连接的WiFi模块,WiFi模块将主控模块发来的环境数据通过TCP发送到云服务器进行下一步处理。主控模块接到用户控制指令,根据不同指令完成不同的操作。

3. 研究计划与安排

第1~2周:翻译相关外文资料,初步确定方案,完成开题报告;

第3~4周:对系统的主要模块进行方案论证;

第5周:确定最终方案,并进行可行性分析;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 王良民,熊书明.物联网工程概论[m].北京:清华大学出版社,2011

[2] 刘幺和.物联网原理与应用技术[m].北京:机械工业出版社,2011

[3] 王志良,王志国.物联网工程导论[m].西安:西安电子科技大学,2011

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