顏世甲, 段晨旭, 丁緒東, 王 靜, 段培永

(山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院 山東省智能建筑重點實驗室, 濟南 250101)

接入云平臺的吸收式制冷機組遠程控制①

顏世甲, 段晨旭, 丁緒東, 王 靜, 段培永

(山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院 山東省智能建筑重點實驗室, 濟南 250101)

本文針對新型吸收式制冷機組, 設(shè)計了接入云平臺的制冷機組遠程監(jiān)控系統(tǒng). 重點解決控制現(xiàn)場傳感器分布分散、多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議異構(gòu)與本地設(shè)備云平臺接入的問題, 實現(xiàn)了云平臺與控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)共享及遠程監(jiān)控. 控制現(xiàn)場采用現(xiàn)場總線技術(shù), 設(shè)計智能節(jié)點, 搭建CAN傳感器網(wǎng)絡(luò). 通過嵌入式技術(shù), 設(shè)計了一款嵌入式云網(wǎng)關(guān), 網(wǎng)關(guān)采用數(shù)據(jù)緩存幀作為多協(xié)議轉(zhuǎn)換的緩存器, 采用無線模塊建立與云平臺的通路并使用EDP協(xié)議, 實現(xiàn)控制現(xiàn)場信息對云平臺的接入. 在云平臺設(shè)計了制冷機組云監(jiān)控平臺, 通過設(shè)備信息的云注冊與監(jiān)控界面的設(shè)計, 建立接入設(shè)備在云平臺映射, 完成機組運行參數(shù)在云平臺的實時更新. 本設(shè)計采用本地控制設(shè)備接入云平臺的方法, 實現(xiàn)了新型吸收式制冷機組本地實驗數(shù)據(jù)遠程共享和遠程監(jiān)控.

云監(jiān)控; 吸收式制冷機; 嵌入式云網(wǎng)關(guān)

1 引言

吸收式制冷系統(tǒng)直接利用太陽能或余熱等低品位熱源作為驅(qū)動源, 具有節(jié)能環(huán)保的雙重優(yōu)點, 成為目前市場上主流的熱驅(qū)動制冷系統(tǒng). 隨著冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和區(qū)域集中供熱供冷系統(tǒng)的推廣應(yīng)用, 吸收式制冷系統(tǒng)成為必不可少的環(huán)節(jié)[1]. 本設(shè)計作為新型吸收式制冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制平臺, 需要完成實驗數(shù)據(jù)遠程共享和遠程監(jiān)控等功能. 接入云平臺的遠程監(jiān)控克服了傳統(tǒng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng), 存在開發(fā)周期長, 監(jiān)控成本高的問題,采用B/S構(gòu)架, 具有良好的跨平臺性, 使用范圍靈活, 系統(tǒng)可運行于桌面平臺和移動終端[2]. 設(shè)備云作為平臺的平臺, 為接入設(shè)備提供接入、傳輸、存儲和展現(xiàn)等基礎(chǔ)設(shè)施, 用戶通過簡單的配置即可完成云應(yīng)用的開發(fā),降低開發(fā)周期. 本設(shè)計結(jié)合云接入技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、嵌入式技術(shù)等多種技術(shù), 搭建了接入云平臺的吸收式制冷機組遠程監(jiān)控系統(tǒng). 針對新型吸收式機組控制特點, 以搭建控制現(xiàn)場CAN測控網(wǎng)絡(luò)及云接入網(wǎng)關(guān)與云平臺監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計, 作為本設(shè)計的技術(shù)難點.

2 總體框架

新型吸收式制冷機組以DMF作為吸收劑、以R134A作為制冷劑. 機組由水加熱循環(huán)、制冷劑循環(huán)、吸收劑循環(huán)三個回路組成. 在水加熱循環(huán)中, 通過加熱混合液, 為制冷劑循環(huán)提供了能量. 在制冷劑循環(huán)中,R134A物理狀態(tài)發(fā)生變化, 實現(xiàn)了制冷的目的. 在吸收劑循環(huán)中, DMF吸收經(jīng)過制冷循環(huán)后的氣態(tài)R134A, 以維持蒸發(fā)器出口端的低壓[3-5]. 系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 制冷機組系統(tǒng)框圖

針對新型吸收式制冷機組, 監(jiān)控系統(tǒng)采用四層的平臺構(gòu)架, 分別為感知層、采集層、通訊層與平臺層.感知層采用CAN總線技術(shù), 搭建CAN測控網(wǎng)絡(luò), 建立起底層傳感器、執(zhí)行器間的通信網(wǎng)絡(luò). 采集層開發(fā)了一款嵌入式云網(wǎng)關(guān), 在控制現(xiàn)場完成系統(tǒng)運行參數(shù)采集、匯總和系統(tǒng)的閉環(huán)控制, 同時完成實時數(shù)據(jù)的云接入[6-8]. 通信層是嵌入式網(wǎng)關(guān)與云平臺的連接通路, 主要由GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與Internet組成. 平臺層主要在云端搭建起監(jiān)控應(yīng)用, 完成對接入云平臺的大量實驗數(shù)據(jù)的存儲、監(jiān)控、報警、還可實現(xiàn)對嵌入式云網(wǎng)關(guān)遠程升級[9-11].

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

3 CAN傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

本設(shè)計針對新型制冷機組存在傳感器與執(zhí)行器種類數(shù)量多且機構(gòu)分散的問題, 開發(fā)了CAN傳感器測控網(wǎng)絡(luò). 網(wǎng)絡(luò)主要由CAN智能節(jié)點、控制器單元、通信線路構(gòu)成. 智能節(jié)點通過將CAN驅(qū)動器接入通信線路,匹配物理層通信電平. 在CAN驅(qū)動器的上層, 采用內(nèi)嵌的CAN總線協(xié)議的CAN控制器, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的匹配. 根據(jù)測控要求不同, CAN智能節(jié)點又分為檢測節(jié)點和控制節(jié)點. 檢測節(jié)點將現(xiàn)場模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳輸至CAN通信網(wǎng)絡(luò), 控制節(jié)點根據(jù)CAN網(wǎng)絡(luò)下傳的控制信息實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制. 圖3是基于CAN的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖.

4 嵌入式云網(wǎng)關(guān)設(shè)計

嵌入式云網(wǎng)關(guān)作為CAN測控網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)連接的節(jié)點, 需要完成數(shù)據(jù)采集、上傳、分析與機組控制的任務(wù), 其控制核心采用搭載多任務(wù)Linux操作系統(tǒng)的ARM9芯片. 在與CAN測控網(wǎng)絡(luò)進行通信時, 作為控制器單元接入CAN通信網(wǎng)絡(luò), 實現(xiàn)運行參數(shù)的匯總與控制命令的下達. 在于云平臺接入的方面, 嵌入式云網(wǎng)關(guān)使用GPRS模塊實現(xiàn)本地網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的連接.GPRS模塊寫入了完整的TCP/IP協(xié)議棧, 主控芯片通過串行通信傳輸AT命令, 控制GPRS模塊完成嵌入式云網(wǎng)關(guān)與云端的連接.

圖3 CAN傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4.1 嵌入式云網(wǎng)關(guān)云接入

嵌入式云網(wǎng)關(guān)接入云平臺, 采用Socket套接字與EDP協(xié)議結(jié)合的方式完成數(shù)據(jù)通信. Socket套接字通過嵌入式云網(wǎng)關(guān)綁定云平臺IP建立起數(shù)據(jù)連接通路、屏蔽底層數(shù)據(jù)傳輸差異. EDP協(xié)議規(guī)定嵌入式云網(wǎng)關(guān)與云平臺的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu), 完成設(shè)備上傳數(shù)據(jù)與云平臺存儲、展示數(shù)據(jù)的一一映射.

在嵌入式云網(wǎng)關(guān)與云平臺的Socket連接中, 嵌入式云網(wǎng)關(guān)需要調(diào)用Cline Socket套接字、云平臺需要調(diào)用Server Socket套接字. 首先由云平臺啟動Socket()套接字, 然后再調(diào)用bind()綁定網(wǎng)絡(luò)IP并使用listen()做好監(jiān)聽準(zhǔn)備, 等待接入設(shè)備提出連接請求. 接入設(shè)備通過connect()調(diào)用云平臺開放的IP地址與端口發(fā)送連接請求、云平臺使用accept()接收連接請求. 此時云平臺與嵌入式云網(wǎng)關(guān)就可通過write()與read()完成數(shù)據(jù)通信.嵌入式云網(wǎng)關(guān)發(fā)送完成數(shù)據(jù)后調(diào)用close()關(guān)閉Socket套接字資源, 如圖4.

在接入設(shè)備與云平臺數(shù)據(jù)交換時, 應(yīng)用層采用EDP協(xié)議封裝通信數(shù)據(jù). EDP協(xié)議包含了設(shè)備云上對每個接入設(shè)備的分類信息, 如: 項目ID、設(shè)備ID, 以及apikey等, 提高了設(shè)備云對上傳數(shù)據(jù)的接收效率. EDP協(xié)議幀由消息頭、消息選項、消息體組成, 如表1. 消息頭含有消息類型與剩余字節(jié)長度. 消息選型確定了消息具體的功能. 消息體中含有設(shè)備ID、用戶ID、鑒權(quán)信息與需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù). EDP協(xié)議的消息類型主要包括連接請求幀、連接響應(yīng)幀與存儲(&轉(zhuǎn)發(fā))數(shù)據(jù)幀. 連接請求幀包含接入設(shè)備在云臺的注冊信息, 用于云平臺對接入設(shè)備的認證. 連接響應(yīng)幀用于云平臺收到連接請求幀后向接入設(shè)備的回傳連接狀態(tài). 存儲(&轉(zhuǎn)發(fā))數(shù)據(jù)幀結(jié)合云平臺數(shù)據(jù)流ID用于接入設(shè)備向與平臺上傳數(shù)據(jù).

圖4 Socket連接流程圖

表1 EDP協(xié)議幀格式

嵌入式云網(wǎng)關(guān)與設(shè)備云通信時, 首先嵌入式云網(wǎng)關(guān)向設(shè)備云發(fā)送登陸請求, 完成設(shè)備登陸鑒權(quán). 設(shè)備云根據(jù)鑒權(quán)結(jié)果回傳響應(yīng)消息. 嵌入式云網(wǎng)關(guān)判斷響應(yīng)信息, 執(zhí)行重新登陸或者上傳信息操作. 消息傳輸完成后, 通過心跳機制每隔4 min發(fā)送心跳請求保持與云端的穩(wěn)定通路, 如圖5.

4.2 多協(xié)議轉(zhuǎn)換

嵌入式云網(wǎng)關(guān)作為CAN通信網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的通信節(jié)點, 需要解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議的差異與通信速率不同步的問題. 嵌入式云網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計主要由Linux內(nèi)核模塊、API接口、堆緩存空間與應(yīng)用程序組成, 如圖6.

內(nèi)核模塊作為硬件接口的驅(qū)動程序, 直接控制各設(shè)備模塊. 在內(nèi)核模塊的上層, 通過對內(nèi)核模塊的封裝,向應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的API接口. 數(shù)據(jù)緩存器緩存內(nèi)核模塊上傳的數(shù)據(jù), 建立運行參數(shù)幀, 實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與傳輸速率同步. 為解決CAN測控網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸速率存在的差別, 在嵌入式云網(wǎng)關(guān)中開辟堆內(nèi)存空間, 設(shè)計統(tǒng)一的幀格式緩存器, 實現(xiàn)對CAN智能節(jié)點上傳數(shù)據(jù)的緩存, 同時提高多協(xié)議轉(zhuǎn)換的可擴展性. 統(tǒng)一幀格式由數(shù)據(jù)ID標(biāo)識、上傳時間、數(shù)據(jù)類型與上傳數(shù)據(jù)五部分組成. 見表2.

圖5 云登陸主要流程

圖6 嵌入式云網(wǎng)關(guān)程序結(jié)構(gòu)

表2 數(shù)據(jù)緩存幀

數(shù)據(jù)ID標(biāo)識與實際物理傳感器標(biāo)識一一對應(yīng), 時間記錄了數(shù)據(jù)上傳的具體時間, 數(shù)據(jù)類型標(biāo)記了上傳數(shù)據(jù)的物理設(shè)備的功能, 幀標(biāo)志位用于標(biāo)志數(shù)據(jù)是否完成向云平臺的數(shù)據(jù)接入. 緩存幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:

設(shè)計Linux內(nèi)核模塊時, 通過建立CAN_fops與GPRS_fops驅(qū)動結(jié)構(gòu)體, 封裝內(nèi)核模塊底層命令, 并對上層的程序模塊提供open、read、write、release、ioctl接口函數(shù), 分別完成對硬件設(shè)備的初始化配置、讀數(shù)據(jù)操作、寫數(shù)據(jù)操作、釋放模塊占用資源與物理模塊參數(shù)配置的功能. 程序運行中首先通過module(GlobalChar_init)完成對內(nèi)核模塊的加載, 調(diào)用register_chrdev()函數(shù), 實現(xiàn)對CAN_fops、GPRS_fops結(jié)構(gòu)體函數(shù)的注冊. 完成內(nèi)核模塊加載后, 通過prhread_creat()建立CAN通信線程與以太網(wǎng)通信線程. CAN通信線程通過調(diào)用CAN設(shè)備驅(qū)動提供的can_read()函數(shù)向CAN傳感器各節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)上傳請求. 各節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)存入堆內(nèi)存數(shù)據(jù)緩存幀中, 當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后調(diào)用以太網(wǎng)進程傳輸數(shù)據(jù)至云平臺并通過實時上傳數(shù)據(jù)完成警告值報警與系統(tǒng)PID控制. 在以太網(wǎng)線程中, GPRS設(shè)置驅(qū)動調(diào)用gprs_open()接口函數(shù), 建立嵌入式云網(wǎng)關(guān)與云平臺的Socket數(shù)據(jù)透傳, 采用心跳機制定時發(fā)送心跳包維持與云平臺的長連接. 當(dāng)云平臺下發(fā)控制命令, 由gprs_read()函數(shù)接收數(shù)據(jù)調(diào)用can_wirte()函數(shù)將控制命令發(fā)送至智能節(jié)點, 實現(xiàn)云端對本地制冷機組的遠程控制, 如圖7.

5 云平臺軟件設(shè)計

針對吸收式制冷機組的云監(jiān)控平臺, 云平臺需要完成兩部分的設(shè)計: 一是嵌入式云網(wǎng)關(guān)設(shè)備和數(shù)據(jù)流的云平臺注冊, 二是吸收式制冷機組的云應(yīng)用信息集成. 嵌入式云網(wǎng)關(guān)作為云平臺的接入設(shè)備, 在云平臺上需要注冊設(shè)備檔案, 錄入設(shè)備名稱、設(shè)備GPS坐標(biāo)并獲得設(shè)備連接的鑒權(quán)信息, 確定嵌入式云網(wǎng)關(guān)與云平臺的連接方式. 接入設(shè)備上傳的溫度、壓力等儀表采集數(shù)據(jù), 云平臺需要對各個運行參數(shù)配置標(biāo)計管理, 記錄各參數(shù)的名稱、單位與符號, 通過接入設(shè)備與表記管理的云平臺注冊, 建立起嵌入式云網(wǎng)關(guān)在云端的映射, 如圖8. 云平臺對信息集成主要是通過組態(tài)的方式完成web監(jiān)控應(yīng)用的開發(fā). 吸收式制冷機組云監(jiān)控應(yīng)用主要建立制冷機監(jiān)控界面、COP曲線、閾值報警與歷史數(shù)據(jù)查詢四個功能界面. 在對制冷機監(jiān)控界面編程時, 在云平臺模態(tài)組態(tài)界面下加載制冷機組工藝流程圖, 在流程圖中相應(yīng)的傳感器監(jiān)測位置調(diào)用注冊好的表記, 完成接入設(shè)備上傳數(shù)據(jù)流與web監(jiān)控界面的對應(yīng). COP曲線的繪制是通過調(diào)用云平臺的曲線圖模塊,通過對輸入數(shù)據(jù)流與COP運算函數(shù)的配置完成. 閾值報警功能模塊, 對通過選取與制冷機組運行安全相關(guān)的高壓側(cè)壓力、加熱器溫度設(shè)定相關(guān)的標(biāo)計報警范圍.設(shè)備接入后, 云平臺自動完成監(jiān)控應(yīng)用中運行參數(shù)的實時刷新, 并建立器歷史記錄查詢表與告警信息界面.

圖7 嵌入式云網(wǎng)關(guān)流程圖

6 總結(jié)

本設(shè)計采用無線通信技術(shù)、云接入技術(shù)、嵌入式技術(shù)開發(fā)了針對吸收式制冷機組的接入云平臺遠程監(jiān)控系統(tǒng). 在控制現(xiàn)場, 通過開發(fā)嵌入式云網(wǎng)關(guān)、搭建CAN傳感器網(wǎng)絡(luò), 實現(xiàn)了吸收式制冷機組的數(shù)據(jù)采集、多協(xié)議轉(zhuǎn)換與云接入. 在云平臺, 針對吸收式制冷機組建立接入設(shè)備映射, 搭建云監(jiān)控平臺. 接入云的吸收式制冷機組遠程監(jiān)控系統(tǒng), 節(jié)約了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的布線成本與服務(wù)器的運行本, 是一種方便、快捷的監(jiān)控方式.

圖8 嵌入式云網(wǎng)關(guān)注冊

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Remote Cloud Access Control System for New Absorption Refrigeration

YAN Shi-Jia, DUAN Chen-Xu, DING Xu-Dong, WANG Jing, DUAN Pei-Yong
(Shandong Provincial Key Laboratory of Intelligent Buildings Technology, School of Information and Electrical Engineering,Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

A Remote Control System for the new type of absorption refrigeration unit is designed which gains access to the cloud platform. The system is designed to solve the problem of distributed sensors, multi-protocol of heterogeneous networks and cloud platform access for local devices, which achieves the data sharing and remote monitoring between cloud platform and control filed. Through field bus technology, the intelligent node is designed and the CAN sensor network is constructed in the control field. Through the embedded technology, an embedded cloud gateway is designed which uses the data cache frame as the buffer for the multi-protocol conversion. The wireless module is used to establish the access to the cloud platform and use the EDP protocol to connect the control field with the cloud platform. In the cloud platform, the cloud monitoring platform of the refrigeration unit is designed. Through the registration of device and monitoring interface design, the access equipment is mapped in the cloud platform, and the data from the control field is automatic updating in the cloud platform. The system uses the method of cloud platform access for local devices, which completes the experiment data sharing and remote monitoring for new absorption refrigeration.

cloud monitoring; absorption refrigeration; embedded cloud gateway

段晨旭, E-mail: cxduan@sdjzu.edu.cn

顏世甲,段晨旭,丁緒東,王靜,段培永.接入云平臺的吸收式制冷機組遠程控制.計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2017,26(7):116–120. http://www.c-sa.org.cn/1003-3254/5861.html

國家自然科學(xué)基金(61374187); 山東省國際科技合作項目(2022GH20306)

2016-11-04; 收到修改稿時間: 2016-12-12