基于STM32的塔机数据采集和监控系统设计.pdf
《基于STM32的塔机数据采集和监控系统设计.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于STM32的塔机数据采集和监控系统设计.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2024 年第 4 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基金项目:宁夏回族自治区重点研发计划项目(2022BEG03072);西安市重点产业链技术公关项目(23ZDCYJSGG0013-2023)收稿日期:2023-09-07基于 STM32 的塔机数据采集和监控系统设计胡 欣1,王生辉1,常娅姝1,肖 剑2,袁 晔31.长安大学能源与电气工程学院;2.长安大学电子与控制工程学院;3.宁夏回族自治区无线电监测站 摘要:针对塔机作业对运行状态参数和作业环境实时监测的需求,设计了一种基于 STM32 的塔机数据采集和监控系统。该系统采用 S
2、TM32F103RCT6 为核心的微处理器对塔机运行各项状态参数结合传感器进行数据采集和处理,传感器信号经带数字隔离的 A/D 转换模块和 RS485 转 TTL 模块传输到微处理器,微处理器通过串口转以太网模块将采集的传感器数据发送到由工业交换机和网络摄像机组建的局域网中。最后,采用 Java 语言结合 Spring Boot 框架开发系统上位机页面对传感器数据和视频监控画面进行显示。通过测试,该系统能够对塔机运行状态参数和塔机作业环境进行实时监测,传感器采集数据的平均相对误差为 0.74%,摄像机监控画面平均延时 20.4 ms,实现了数据高速准确的实时监测,满足了监测塔机的系统需求。关键
3、词:塔机;A/D 转换;STM32;Spring Boot 框架;局域网中图分类号:TH21 文献标识码:ADesign of Data Acquisition and Monitoring Systemfor Tower Crane Based on STM32HU Xin1,WANG Shenghui1,CHANG Yashu1,XIAO Jian2,YUAN Ye31.School of Energy and Electrical Engineering,Changan University;2.School of Electronic and Control Engineering,C
4、hangan University;3.Ningxia Hui Autonomous Region Radio Monitoring StationAbstract:A tower crane data acquisition and monitoring system based on STM32 was designed to meet the real-time monito-ring requirements of operating state parameters and operating environment for tower crane operations.The sy
5、stem used STM32F103RCT6 as the core microprocessor to collect and process the data of various tower crane operating state parameters combined with sensors.The sensor signals were transmitted to the microprocessor through the A/D conversion module with digital isolation and the RS485 to TTL module.Th
6、en the microprocessor sent the collected sensor data to the local area network formed by industrial switches and network cameras through the serial port to Ethernet module.Finally,the upper computer page of the system was developed by using the Java language combined with the Spring Boot framework t
7、o display the sensor data and video monitoring screen.Through the test,the system can monitor the operating status parameters of the tower crane and the operating environment of the tower crane in real time.The average relative error of the data collected by the sensor is 0.74%,and the aver-age dela
8、y of the camera monitoring screen is 20.4 ms,realizing high-speed and accurate real-time monitoring of data.It meets the system requirements for monitoring tower cranes.Keywords:tower crane;A/D conversion;STM32;Spring Boot framework;local area network0 引言传统的塔机作业模式存在视觉盲区问题1,通常通过给塔机装配安全监测系统来减少安全事故的发生和
9、保障塔机工作人员的生命安全。随着物联网技术的迅速发展2,研究人员对塔机安全监测系统进行了大量的研究。2020 年,何光辉3等结合有限元和物联网技术设计了一种塔机动态远程实时安全监测系统,对塔机运行状态参数远程监测。2021 年,张伟4等以塔机安全监控系统架构结合物联网技术,提出传感器布置方案对塔机安拆作业程序和塔身结构安全进行监测。目前国内市面上的塔机安全监测系统大多是选择传感器采集影响塔机运行安全的状态指标参数5来判断塔机的安全状态,通过 LoRa、ZigBee、GPRS 等通信方式对特殊监测节点的传感器数据进行无线传输,实现对塔机安全状态监测。但是,上述数据采集系统的数据传输延时大,视觉盲
10、区问题没有得35 仪 表 技 术 与 传 感 器第 4 期到根本解决。因此,本文以 STM32F103RCT6 为主控芯片设计了一种面向运行塔机的数据采集和监控系统,选择风速、温度、湿度、光照度、高度、幅度、回转和吊物质量为塔机运行安全指标;选择吊钩状态、吊装环境、卷扬机排绳、驾驶室状态为重点监控区域。这些安全指标和重点监控区域分别通过传感器和摄像机进行实时监测,并通过局域网进行数据的传输,使系统有更好实时性。1 系统整体设计为了满足系统在建筑工业场景中的应用,需要对采集的信息进行远距离传输,并能抵抗工业环境中的各种干扰。在电路方面,设计了带数字隔离的 A/D 转换模块、带网口变压器的串口转以
11、太网模块和增加了低压断电电路的电源模块,以实现传感器采集数据的远距离稳定传输。在软件方面,采用 Java 语言结合Spring Boot 框架设计开发了系统上位机,实现了监测信息在 Web 页面的实时显示和数据的存储。本系统主要由传感器组、数据采集电路、网络摄像机组和上位机构成,系统整体架构如图 1 所示。网络摄像机组包括不同型号的 4 个网络摄像机,用于监控影响塔机安全施工的重要部位。传感器组由模拟信号输出型传感器和 RS485 接口输出型传感器组成,分别通过 A/D 转换模块和 RS485 转 TTL 模块连接微处理器进行数据采集。然后,通过串口转以太网模块把采集的传感器数据接入由网络摄像
12、机组和交换机所组成的局域网中,进而通过上位机实时查看采集的信息。图 1 系统整体架构图2 系统硬件设计2.1 主控模块塔机数据采集和监控系统的主控核心选用 32 位的嵌入式芯片 STM32F103RCT6,该芯片采用 ARM Cortex-M3 内核6,具有多个 GPIO 引脚和多种通信接口,可用于连接外部设备和传感器。相较于一般的 STC 单片机,该芯片拥有丰富的外设、强大的计算能力和更快的运算速度。此外,STM32F103RCT6 的工作温度为-4085,可以适应塔机运行的复杂环境,满足系统的需求。主控模块由主控芯片、USATR 通信接口电路、SPI通信接口电路、复位电路、时钟电路和 LE
13、D 指示灯电路组成,该模块硬件结构图如图 2 所示。AD 芯片通过数字隔离芯片与主控芯片的 SPI 通信接口连接,控制模拟信号的采集;RS485 半双工隔离收发芯片和串口转以太网芯片通过 USATR 通信接口电路分别与主控芯片的 USATR1 和 USATR2 连接,控制 RS485 信号的采集和把采集的数据发送到局域网中以供上位机解析和显示。2.2 A/D 转换模块由于高度、幅度、回转、吊物质量传感器的输出是模拟信号,因此本系统采用 ADS131M04 芯片对输出为模拟信号的传感器进行模数转换,且采样精度满足图 2 主控模块硬件结构图传感器的需求。ADS131M04 是一款 24 位、32
14、kSPS 的4 通道同步采样模数转换芯片,该芯片通过串行外设接口与外部设备通信,其架构基于 Delta-Sigma 调制技术,支持差分和单端输入类型,并且可同时进行多通道采样,满足系统同时对 4 路模拟信号同时采集的需求。在模拟信号采集过程中,信号链路中会存在通道之间的相位差、偏移和增益不匹配等误差,这些误差会导致采集到的信号与实际信号存在偏差。ADS131M04 芯片提供了通道到通道相位校准和偏移增益校准寄存器,可通过配置该寄存器以消除信号链路中的误差。考虑传感器容易受到传导干扰的影响,进而影响系统的数据采集精度和采集的稳定性。传统的光耦隔离、电容隔离等方案的电路设计复杂,且信号传输延时高,
15、不利于电路的集成化7。因此,本系统采用四通道数字45 第 4 期胡欣等:基于 STM32 的塔机数据采集和监控系统设计 隔离器芯片SI8641 对主控芯片与ADS131M04 的SPI 通信数据线(CS、SCLK、MOSI、MISO)进行数字隔离,解决了传感器模数转化的干扰问题,使得数据采集与传输隔离和独立。传感器输出的模拟信号通过 ADS131M04芯片和 SI8641 芯片处理之后,通过 SI8641 芯片的4 路输出 引 脚 分 别 和 主 控 芯 片 的 SPI 的 4 个 引 脚(F_CS、SPI_SCLK、SPI_MOSI、SPI_MISO)相连实现对数据的采集,设计的 A/D 转
16、换模块电路如图 3 所示。图 3 A/D 转换原理图2.3 串口转以太网模块为了将传感器采集到的数据稳定地发送到上位机进行显示和存储,系统构建局域网,通过以太网接口进行数据传输。本系统采用 EBT3001 芯片把采集到的传感器数据通过以太网口接入局域网中以实现数据传输,原理如图 4 所示。EBT3001 是单串口转以太网芯片,该芯片具有多种 Modbus 网关模式以及MQTT/HTTP 物联网网关模式,可实现串口设备的联网功能,满足系统将数据采集电路接入到局域网中的需求。将芯片的 RXD 与 TXD 分别和主控芯片的串口2 引脚 USART2_RXD 和 USART2_TXD 相连,通过该芯片
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 STM32 数据 采集 监控 系统 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。