摘 要

我国经济的发展离不开港口的重要作用。科技的进步使港口不断朝着智能化、现代化、规模化的方向发展，港口设备也逐渐转向自动化、大型化、复杂化，吞吐量需求的迅猛增长和对港口功能升级的深层次要求导致港口业务很大程度上依赖大量现代化设备来完成货物中转。例如在港口码头的货物输送、尤其是散货装卸过程中通常依靠皮带输送机快速的将货物输送到指定位置。但是在港口发挥巨大作用的同时，港口设备在运作过程中也存在着许多隐患。据目前数据显示，我国很多港口设备都处于超期服役的状态，正如港口的皮带输送机在使用的过程中经常因为长时间高负荷运转,从而导致皮带输送机很容易出现故障,这严重影响了港口作业的执行效率。由此可见实时掌握港口设备的运行状态对提高港口的作业效率具有重要意义。

本设计便是基于物联网技术，针对港口皮带输送机常见的故障问题，来实现对港口设备皮带输送机实时状态的监测。系统中的各种传感器和保护开关为数据采集点，以STM32单片机为主控制芯片，结合无线WiFi技术，能够实时监测港口设备皮带输送机的运行状态，若设备发生故障，系统将及时报警停车，防止故障进一步扩大，确保设备和人员安全。设计中用到的各种传感器和保护开关由于其不便于仿真，所以用相应的模拟电路进行替代仿真。模拟电路分为开关量检测电路、比较量检测电路和模拟量检测电路。其中通信模块不能进行实时仿真，后面将会对其具体原理进行详细说明。

关键词：物联网 港口设备 WiFi STM32

Abstract

The development of China's economy is inseparable from the important role of the port. The advancement of science and technology has made the port continue to develop in the direction of intelligence, modernization and scale. The port equipment has gradually turned to automation, large-scale and complicated. .The rapid growth in throughput demand and the deep requirements for port function upgrades have led the port business to rely heavily on a large number of modern equipment to complete the cargo transfer. For example, cargo handling at port terminals, especially bulk handling, often relies on belt conveyors to quickly transport goods to designated locations. However, while the port plays a huge role, there are also many hidden dangers in the operation of port equipment. At present, the data shows that many port equipments in China are in an extended service state. Just as the belt conveyors in the port are often used for long periods of high load during operation, the belt conveyors are prone to failure, this seriously affects the efficiency of port operations. It can be seen that real-time control of the operational status of port equipment is of great significance to improve the operational efficiency of the port.
This design is based on the Internet of Things technology, to achieve the real-time status of the port equipment belt conveyor for the common fault problems of the port belt conveyor. The various sensors and protection switches in the system are data collection points. The STM32 MCU is the main control chip. Combined with the wireless WiFi technology, it can monitor the running status of the belt conveyor of the port equipment in real time. If the equipment fails, the system will alarm and stop in time. Prevent further expansion of the fault and ensure the safety of equipment and personnel. The various sensors and protection switches used in the design are not easy to simulate, so the simulation is performed with the corresponding analog circuit. The analog circuit is divided into a switch quantity detection circuit, a comparison quantity detection circuit, and an analog quantity detection circuit. The communication module cannot perform real-time simulation, and the specific principles will be described in detail later.

Keywords: Internet of Things, port equipment, WiFi, STM32

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文的主要内容 3

第2章 系统总体方案设计及关键问题分析 4

2.1系统总体设计方案 4

2.2 皮带输送机常见故障及其保护措施 6

2.2.1 皮带输送机的跑偏故障及其保护措施 6

2.2.2 皮带输送机的打滑故障及其保护措施 6

2.2.3 皮带输送机的纵向撕裂故障及保护措施 7

2.2.4 皮带输送机的温度故障及其保护措施 7

2.2.5 皮带输送机的烟雾故障及其保护措施 7

2.2.6 皮带输送机的急停保护 7

2.3 系统关键技术 8

2.3.1 传感器技术 8

2.3.2 MCU技术 8

2.3.3 物联网通信技术 10

第3章 系统硬件设计 11

3.1 主控芯片最小系统设计 11

3.2 开关量检测电路 13

3.3 比较量检测电路 13

3.3 模拟量检测电路 14

3.4 测速传感器模拟电路 15

3.5 电源模块 15

3.6 无线通信模块 16

第4章 系统软件设计 20

4.1 软件开发环境简介 20

4.2 数据采集模块的软件设计 20

4.2.1 主函数程序设计 20

4.2.2 开关量检测函数程序设计 21

4.2.3 比较器输出端检测程序设计 23

4.2.3 ADC采集显示程序设计 24

4.2.4 LCD12864相关程序设计 26

4.3 通信部分软件设计 27

4.3.1 发送端WiFi模块软件设计思路 28

4.3.2 接收端WiFi模块软件设计 29

第5章 系统测试结果 31

5.1开关量检测测试结果 31

5.2 比较量检测测试结果 33

5.3 模拟量检测测试结果 35

第6章 总结与展望 38

6.1 总结 38

6.2 展望 38

致谢 39

参考文献 40

第1章 绪论

课题的研究背景及意义

全球的35个国际化大都市中就包括了31个港口城市，港口城市囊括了全世界一半以上的财富。在经济全球化的大背景下，港口完成了国际贸易中超过90%的货物运输。港口极大刺激了一个城市、一个区域、乃至一个国家的经济发展^[3]。

中国有3.2万公里的海岸线，其中大陆海岸线长就有1.8万公里，散布着四千多个不同规模的港口^[1]。据相关研究表明，中国有八个港口的货物吞吐量居世界前十。2016年，中国港口的总货物吞吐量有118亿吨，超过亿吨的港口数目已经高达28个，其中19个港口的货物吞吐量超过了两亿吨；2017年全中国所有港口共完成了货物吞吐量126.44亿吨，较2016年增速为6.4%，新增3个亿吨大港，宁波-舟山港更是超过了10亿吨；2018年1月至7月，我国7个月的货物吞吐量已经累计76.68亿吨，较去年同期增长了2.3%。

在现代化的港口里，货物输送是作业过程中的重要一环。因为皮带机持续运输性能好、运输量大，所以其被越来越广泛的应用于港口码头。中国现在大约有两百万台带式输送机，随着我国港口吞吐量的急速膨胀，高带速、大运量、长距离带式输送机逐渐变成主要的输送设备。皮带输送机是港口物料输送的重要运输设备，它能否正常运行对港口的经济收益有重大影响，在运行时万一出现撕裂、跑偏、打滑、温度，烟雾等故障，轻则影响皮带输送机的运输效率，重则导致港口作业停顿，甚至危害到港口工作人员的生命安全。传统的皮带运输系统基本是靠港口工作人员的管理与监测，只有在故障发生后才主动进行维修，根本保证不了皮带输送机运行的可靠性与安全性，降低了港口的经济效益。近年来我国对港口安全性和经济效益的要求一直在提高，对港口皮带机运输时的各种数据进行实时监测，因而线上监控系统的设计迫在眉睫，这个系统能够代替以前落后的定期检查修护或者故障后才去修理的方法，实现皮带输送机不能正常运行时的报警停车，便于维修人员及时发现故障并解决问题，保证皮带机的正常运行，提升了码头的运转效率，极大降低了重大安全事故出现的概率，达到安全防护的宗旨^[2]。

本文基于物联网设计的港口设备皮带输送机监测与维护系统，可以精准采集到被监测皮带机各项重要数据的实时变化情况，便同时上传至监测系统的终端设备，一旦发生异常立即报警，便于维修人员及时采取相关维护措施。把物联网技术应用到港口设备的监测中来，有利于提高港口装卸作业的安全化，进一步促进运作效率和经济效益的同步发展，维护人民生命财产安全，为国家经济发展贡献出其应有的力量。

国内外研究现状

首先说说物联网技术在国内外的发展情况。麻省理工学院的Ashton教授在1999年率先提出了“物联网”的概念，其理念就是使用RFID、EPC等技术，再结合互联网，打造一个可以实现整个世界物品信息随时共享的实物互联网，又称物联网。从1999年概念的诞生至今，物联网历经了跨世纪的发展进步，尤其是在近两年技术上取得一个又一个重大突破，逐步由最初的设想转化为了今天有力的事实，引起了各国乃至整个世界范围内的重视^[3]。国际电信联盟于2005年发表了名为《ITU 互联网报告2005：物联网》的文章，并在文中引用了“物联网”的概念，文中谈到人类即将迎来随处可见的“物联网”通信时代；2009年初，IBM（即美国国际商业机器人公司），首次提出了“智慧地球”的新理念，理念中指出信息产业下一个阶段的目标就是将新兴信息技术充分应用到各行各业中去，具体就是将传感器嵌入和装备到铁路、隧道、建筑等不同物体中，而且被广泛相连组成物联网^[4]；同年6月，欧盟向欧洲各级政府及相关机构递交了《欧盟物联网行动计划》，其宗旨就是希望欧洲通过打造全新物联网管理体系来带领全球物联网的发展^[5]；8月，日本发出了“智慧泛在”理念，把传感网提升到了国家战略的高度，旨在打造一个与众不同的物联网智能服务框架；与此同时，当时我国的国务院总理的温家宝同志来到江苏无锡考察中科院物联网技术研发中心时就提出重要指示说，“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，同时发出“感知中国”的召唤；在第二年3月的两会期间，温家宝总理又在政府工作报告中谈到，将“物联网的研发应用”明确归入重点产业振兴^[6][7]。

再者应用物联网技术监测与维护港口设备。港口设备的监测管理是随着科学技术发展而不断进步完善的一门综合性学科，物联网技术的发展可以提高港口设备的监测管理水平。设备备件库存管理中应用无线射频技术，可以实现备件库存管理智能化。也可通过无线传感器网络检测港口设备的运行状态,IBM将智慧地球和云计算结合，应用数据挖掘理念与人工智能技术，分析物联网产生的大量数据，用来建立全新的设备管理机制^[8]。在论文研究方面，黄光勇等人的一种基于无线传感器网络技术的港口设备状态监测设计方案，详细提出了港口设备监测科学的系统模型和系统框架，同时分析了在实际应用中此方案面临的关键性问题^[9]；黎川宇等人的基于物联网的港口机械设备故障检测系统研究，通过对机械处于工作状态时的数据采集、数据存储、数据诊断、数据预警，建立一套包含设备、参数的专业技术性的诊断模型，实现对机械故障的及时预警，提高机械设备的处理和管理水平^[10]；姚祥涛的设备物联网与智能监管系统，文中讲述了利用物联网技术、软件技术和高精准定位实现港口设备的智能监管系统^[11]。张之亮的皮带故障对位显示智能控制器的研究，设计的智能控制器能够对大型皮带输送系统的工作状态进行实时监测，当有故障发生时，能够发出声光报警，通过LCD显示故障的类型与位置，并可以根据故障的类型来控制输送机的运行状态^[12]。

综上所述，利用物联网技术完全可以实现对港口设备的故障设备预警，提高港口设备的监测和管理水平。

论文的主要内容

本文首先介绍了港口在我国经济发展中所发挥的重要作用以及长期以来我国港口的发展现状、建设所取得的成绩和面临的严峻问题。第一章提出了基于物联网技术的港口设备检测与维护系统设计，详细讲解了物联网技术的发展历史和国内外研究现状及其在设备监控上的应用，第二章然后结合港口的应用背景对系统的大体设计做出规划，介绍了港口皮带输送机常见的故障及其应对措施，第三章接着用仿真软件对系统的数据采集部分进行了硬件设计，第四章用keil软件写出了这一部分的程序代码，实现了一些基本功能，对通信部分的设计方案和原理进行了简要说明，第五章对部分功能的仿真进行了展示，最后对本次设计做了总结，针对这次设计中所遇到的问题和存在的诸多不足之处进行了展望。

第2章 系统总体方案设计及关键问题分析

2.1系统总体设计方案

本系统的应用背景为港口码头，一般情况下港口的设备作业区域和终控室的距离较远，嵌入和装备在港口设备上的各种数据采集器所获取的数据不能直接通过无线通信模块传输到终端服务器上，而是需要经过转换房的网关节点中转后，才能把采集器得到的数据送达至以太网，最终经由交换机被终端服务器所接收，其大致过程如图2.1所示。

图2.1 系统总体结构图

本系统以港口设备皮带输送机为研究对象，主要分析数据采集模块和转换房网关节点的设计，其中数据采集模块的结构如图2.2所示：

图2.2 数据的采集与发送

安装于皮带输送机上的各种保护开关和检测传感器将采集到的信息送给STM32单片机进行处理后，再由单片机传输给与其相连的发送端的WiFi模块，发送端的WiFi模块再以无线的方式把数据传输给转换房的网关中转节点，电源模块负责给控制器、WiFi模块、传感器提供稳定的供电电压，其中转换房的网关的结构如图2.3所示。

图2.3 转换房网关结构图

接收端的WiFi模块将得到的数据传输到STM32单片机后，再由STM32单片机传送至以太网芯片进行处理，最后通过交换机便可以传输到终端服务器上。

2.2 皮带输送机常见故障及其保护措施

2.2.1 皮带输送机的跑偏故障及其保护措施

皮带输送机的皮带发生跑偏是造成皮带边缘磨损、物料洒落的罪魁祸首。皮带输送机的皮带没有发生跑偏时，托辊组的中心线和胶带的中心线原则上应该会保持在同一条直线上。在港口的实际运作过程中，我们一般可以接受皮带输送机皮带的小范围跑偏，规定在5%以内。一旦跑偏量大于5%后，皮带就会和边线上的机架、支架等相触碰而造成边缘破损，甚至会导致皮带翻边、撕裂。

为了安全起见，皮带两边一般都装有跑偏开关。根据实际情况的不同，跑偏开关的引出点可以接到控制器或附近的闭锁开关。跑偏开关的结构是单双凸轮，结构中的立辊是可以自动复位。皮带一旦发生跑偏便会与立辊相碰触，皮带就会推着立锟摆动，装置内的凸轮结构也会因此进一步被带动而发生转动。立锟具有两个动作位置：当发生轻微跑偏时，立辊摆到第一个动作位置，叫作一级跑偏，这个时候外侧凸轮松开第一行程开关，导致第一行程开关闭合，报警；当发生严重跑偏时，垂直的立辊被强制旋转到第二个动作位置，叫作二级跑偏，此时开关里面的凸轮就会松开第二行程开关，报警并停机。跑偏开关输出的开关量信号，通过信号处理电路处理后变成控制器能够直接识别的电平信号^[15]。

2.2.2 皮带输送机的打滑故障及其保护措施

传动滚筒与皮带之间的摩擦力是皮带机正常运行的主要动力，如果两者之间的摩擦力不足，皮带输送机的皮带就会发生打滑。初始张力不足，超负荷元转是造成皮带输送机皮带打滑的主要原因，其次皮带表面有水、发生堆料等状况也会导致皮带打滑。皮带打滑最容易发生在皮带机启动阶段，此时皮带机滚筒在高速运转，胶带却相对静止，两者摩擦产生的大量热量容易造成皮带机损坏，所以必须对皮带机进行打滑检测与保护。

选取测速传感器测量皮带机滚轮转速与皮带运转速度，正常运行时皮带运转速度不低于滚轮转速的95%。传感器分别将皮带机滚轮转速、皮带运转速度转换成电压信号U1、U2，再利用电压比较器对U1、U2的电压大小进行比较，然后进一步对比较器输出的电平信号进行滤波处理，得到更为稳定、准确的信号,信号处理过程如图2.4所示。皮带速度小于额定速度的50%，亦或是带速大于额定速度的115%，或者带速只有额定速度的50%到70%持续10秒以上，系统将会报警停机^[12]。

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