物联网融合网关的设计与研究
这是一篇关于物联网融合网关,Linux,Modbus,MQTT的论文, 主要内容为随着物联网的飞速发展,物联网与传统行业的融合越来越深入,推动传统工业数字化转型成为大势所趋。在传统工业领域中,工业控制系统信息化水平较低,工业设备大多不支持新的物联网协议,无法实现对工业现场远程监控、维护和数据挖掘。同时随着接入设备的增多,各种设备协议互不兼容,现场设备管理难度升级,因此需要一种功能强大的物联网网关,采用标准的通信协议实现对现场设备的统一管理,解决通信标准的兼容性问题,同时连接工业现场和云平台。本文提出了一种基于Linux操作系统的物联网融合网关,集协议转换和工业控制于一身,支持多种通信协议、多种通信方式、多个感知层接口和多种功能,实现了工业现场和云平台的有效连接,可广泛适用于多种工业场景。本文通过对物联网网关的基本特性和研究现状的介绍,阐述了物联网融合网关的研究意义,介绍了物联网融合网关采用的Modbus、MQTT等技术,并根据设备管理、数据采集、数据存储、数据上传和摄像头控制等功能需求以及稳定性、生产成本提出了物联网融合网关的具体设计方案。然后介绍了物联网融合网关的硬件系统设计,对各个模块电路的原理图进行了详细分析。随后介绍了物联网融合网关的软件系统设计,软件部分包括Linux操作系统运行环境准备,Modbus通信协议、MQTT通信协议、嵌入式Web服务器的移植与应用程序设计,以及摄像头控制程序的设计。将设计的物联网融合网关应用在生态流量监测系统中,并在现场对物联网融合网关进行了功能测试,测试结果表明本网关硬件系统稳定运行,4G和无线网络通信良好,RS-485串口和Modbus通信、MQTT通信、Web服务器和摄像头控制功能正常,达到了网关的设计目标。最后分析了物联网融合网关存在的不足,并展望了物联网飞速发展的未来。
基于Cortex-M3平台的数据监测终端设计与实现
这是一篇关于数据监测,Cortex-M3,Modbus,GPRS的论文, 主要内容为数据监测在工业、农业、国防等许多重要领域广泛应用,随着嵌入式技术和通信网络的快速发展,各领域的数据监测系统也在更新换代。数据监测系统融合了数据采集、数据传输、数据显示等多种功能,其中数据监测终端是实现这些功能的关键模块。近年来,以低功耗、高性能的ARM芯片做为主控制器在嵌入式终端领域占有主流地位,Modbus通信协议是一种以功能码规定服务类型的请求/应答式协议,经过30多年的发展已成为工业领域的一种通用标准,而GPRS网络也已是通信网络发展成熟的技术。因此,本论文采用ARM控制器实现Modbus现场数据监测和GPRS远程数据通信的数据监测终端具有广阔的应用前景。本论文以电机运行监控为应用场景,设计了数据监测终端,主要完成以下几方面工作:(1)提出了基于ARM控制器实现Modbus现场数据监测和GPRS远程数据通信的嵌入式数据监测终端架构设计方案,该方案实现了现场数据监测和远程数据通信功能,便于现场和后台工作人员实时监测电机设备运行情况。(2)介绍了数据监测终端的硬件组成,终端主要包括主控板和数据采集板,板上主控芯片均采用基于Cortex-M3处理器内核的STM32F103ZET6微控制器,此外还完成了μC/OS-Ⅱ操作系统移植到终端主控板的工作。(3)根据电机运行监控的实际需求分析并制定了现场数据监测的Modbus通信方案,详细设计了终端软件和控制屏的组态软件,实现了终端与工业组态控制屏之间的通信功能。(4)分析了GPRS技术在远程数据通信中的优势并制定了基于GPRS网络的远程数据通信方案,设计终端软件实现终端与数据监测中心之间的远程通信。最后,实现了终端的数据采集功能,将终端与后台服务器等平台构成完整的数据监测系统,并对所设计的嵌入式数据监测终端做全面的功能验证,结果表明所设计的数据监测终端满足功能设计需求,达到终端架构要求。
基于ARM的实时混合试验控制系统研究
这是一篇关于实时混合试验,STM32控制器,卡尔曼优化遗传PID,LabVIEW,Modbus的论文, 主要内容为实时混合试验系统通过将结构拆分为试验子结构与数值子结构,使用液压设备对试验子结构进行加载,Open Sees软件对数值子结构进行仿真分析,实现了数值仿真与物理加载的结合,经济有效地复现了结构在地震下的动态响应。但混合试验系统的核心技术控制器仍受国外掣肘,且门槛较高,并未在很多实验室得到应用。本文基于ARM的STM32F407控制器,结合Open Sees数值仿真软件,使用Matlab作为中间平台来实现STM32控制器与Open Sees之间的通信,同时使用Lab VIEW平台作为混合试验系统的副控制器实现伺服油源的间接控制,构建了基于ARM的混合试验控制系统,并使用该系统对加设了线性弹簧的框架结构进行了一系列的试验验证。本文主要研究工作包含以下几个部分:(1)详细介绍了基于ARM的实时混合试验系统的整体设计以及开发。首先,对混合试验系统的组成部分及优点进行介绍;其次,从混合试验系统整体角度介绍了系统的设计方案和工作流程;最后,从系统硬件设计和软件设计两个方面,详细介绍了硬件部分:液压伺服作动器系统、STM32控制器以及外围电路的具体选型和工作原理,软件部分:Open Sees、Matlab、Lab VIEW以及STM32控制器所使用到的编程软件Keil的设计思路及程序开发;(2)针对实时混合试验系统的内环控制部分即液压伺服系统,在位置控制中存在的响应慢、精度差、抗干扰能力弱等问题,提出了卡尔曼优化遗传PID控制算法。首先,针对液压伺服系统中存在的内泄漏和油液压缩性等非线性问题,建立了液压伺服系统的数学模型,并通过设备工作特性,确定了数学模型中的参数;其次,利用遗传算法(GA)搜索液压伺服系统的最优比例积分微分(PID)控制器增益,实现液压伺服系统中阀控液压缸排量的精确控制;最后,为了解决GA优化PID引起的幅度波动并减少外部干扰的影响,将卡尔曼滤波算法添加到液压伺服系统中,以减少幅度波动和外部干扰对系统的影响。通过仿真结果表明,所设计的卡尔曼优化遗传PID控制器可以更好地应用于液压伺服系统的位置控制,提高了系统的响应速度和控制精度,同时减少了外部干扰对液压伺服系统的影响;(3)针对伺服油源部分的控制,开发了基于Lab VIEW的系统副控制器,并对其与STM32控制器之间的通信方法进行研究。首先,对基于Lab VIEW的系统副控制器与STM32控制器之间数据传输以及通讯连接的整体设计进行了介绍;其次,针对Lab VIEW和STM32控制器能够实现Modbus通讯的方法进行了详细介绍;接着,根据STM32控制器可以实现的Modbus通讯方法:RS232、RS485以及TCP在Lab VIEW中进行对应的程序开发;最后,通过输入步长位移,记录各通讯方法所需要的试验时间进行比较分析。实验表明,基于RS232的Modbus通讯的副控制器能够较好的实现伺服驱动器的控制,从而实现伺服油源中电机的控制;(4)通过一系列的实验来验证基于ARM的实时混合试验系统。首先,通过弹簧性能试验,验证了该系统对于设备性能测试的可行性以及适用性;接着,通过比较系统内环控制试验的实际位移与目标位移,验证了提出的内环控制算法的准确性以及所选通讯方式的实时性;最后,通过比较单层以及三层框架结构的混合试验结果与对应的Open Sees仿真分析结果,验证了混合试验系统整体测试结果的准确性以及鲁棒性。本文创新之处主要在于以下两点:(1)构建了基于ARM的实时混合试验系统,并针对该系统提出了卡尔曼优化遗传PID控制算法,提升了实时混合试验系统内环控制精度以及抗干扰性;(2)基于构建的实时混合试验系统平台的伺服驱动器控制部分,设计了基于Lab VIEW的系统副控制器,节省了混合试验设备成本,并针对副控制器与控制器之间的通讯方式进行研究,缩短了系统通讯所需的时间,提升了系统的实时性。
物联网融合网关的设计与研究
这是一篇关于物联网融合网关,Linux,Modbus,MQTT的论文, 主要内容为随着物联网的飞速发展,物联网与传统行业的融合越来越深入,推动传统工业数字化转型成为大势所趋。在传统工业领域中,工业控制系统信息化水平较低,工业设备大多不支持新的物联网协议,无法实现对工业现场远程监控、维护和数据挖掘。同时随着接入设备的增多,各种设备协议互不兼容,现场设备管理难度升级,因此需要一种功能强大的物联网网关,采用标准的通信协议实现对现场设备的统一管理,解决通信标准的兼容性问题,同时连接工业现场和云平台。本文提出了一种基于Linux操作系统的物联网融合网关,集协议转换和工业控制于一身,支持多种通信协议、多种通信方式、多个感知层接口和多种功能,实现了工业现场和云平台的有效连接,可广泛适用于多种工业场景。本文通过对物联网网关的基本特性和研究现状的介绍,阐述了物联网融合网关的研究意义,介绍了物联网融合网关采用的Modbus、MQTT等技术,并根据设备管理、数据采集、数据存储、数据上传和摄像头控制等功能需求以及稳定性、生产成本提出了物联网融合网关的具体设计方案。然后介绍了物联网融合网关的硬件系统设计,对各个模块电路的原理图进行了详细分析。随后介绍了物联网融合网关的软件系统设计,软件部分包括Linux操作系统运行环境准备,Modbus通信协议、MQTT通信协议、嵌入式Web服务器的移植与应用程序设计,以及摄像头控制程序的设计。将设计的物联网融合网关应用在生态流量监测系统中,并在现场对物联网融合网关进行了功能测试,测试结果表明本网关硬件系统稳定运行,4G和无线网络通信良好,RS-485串口和Modbus通信、MQTT通信、Web服务器和摄像头控制功能正常,达到了网关的设计目标。最后分析了物联网融合网关存在的不足,并展望了物联网飞速发展的未来。
智能工厂与后台数据服务平台的设计
这是一篇关于Modbus,监控软件,MFC,数据服务平台,Spring的论文, 主要内容为互联网与物联网的发展,为企业实现智能工厂提供了技术基础。智能工厂就是基于工业4.0模式,将互联网技术、信息化技术、自动化技术进行融合,基于车间传感网络实现生产的智能化、远程化、实时化、信息化管理。在工控领域,基于嵌入式工控、数据采集和通信一体化终端机的工厂智能化和后台服务的应用需求日益明显,智能工厂的实现要依托车间联网和远程监控,后台数据服务有利于实现企业生产过程的智能化与信息化管理。研究工业车间联网与远程监控、后台数据服务对现代企业有着深远的意义。本文以智能工厂与后台数据服务平台的设计为课题,通过研究课题背景与意义以及国内外研究现状,结合对塑料挤出机监控改造项目的需求分析与性能体现,提出了本文的设计方案,即主要从车间联网、现场级监控软件、后台数据服务平台三个模块来进行设计与实现。针对车间联网,提出了串口与网口两种车间联网方式。基于串口的车间联网采用CAN总线实现一个车间内多台串口嵌入式终端机的联网与布线,通信协议为ModbusRT U协议,多个车间生产线的联网采用以太网络,协议为TCP/IP。基于网口的车间联网采用以太网络直接将嵌入式终端机接入网络,通信协议为ModbusTCP协议。不但提高了车间联网的健壮性,而且也解决了车间高温、强电磁干扰等恶劣环境因素对数据传输不稳定的影响。针对现场级监控软件的设计,结合C/S结构,采用VC++语言和MFC框架开发,采用Modbus协议实现了串口通讯与网口通讯功能,采用ADO程序对象实现了数据上传至数据中心,采用多线程编程技术解决了多任务多界面的处理,采用多定时器实现监控数据的周期性查询与解析,采用加权平均算法实现参数的优化控制,实现了生产线各温度节点、电机节点、电能表节点的集中监控,提高了监控的实时性和车间智能化程度。后台数据服务平台采用JAVA语言编写,软件为B/S结构,采用ECS实例为软件系统提供运行环境,采用Spring框架编写后台控制器与业务逻辑,采用Hibernate实现对数据库的访问与事务管理,采用ExtJS编写前端页面框架与界面显示功能。数据存储于RDS实例提供MySQL数据库中。实现了系统管理、生产统计、设备状态监测、生产信息管理、数据存储等功能,提高了后台数据计算能力,解决传统软件结构耦合严重,不利于系统扩展,并且升级成本高、周期长等缺点。最后对本文进行了总结,并提出了下一步展望建议。通过对智能工厂与后台数据服务平台的设计与实现,为生产设备及车间联网与远程监控和企业信息化管理方式提供了一个可应用和借鉴的方案,为工业控制软件的体系结构提供了一个全新的设计思路。
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