【RT-Thread作品秀】設備運行數(shù)據分析預警系統(tǒng)

作者：林宏華

概述

我們在工廠里，特別是生產重型機械的工廠里工作過的人都知道，當我們需要吊起幾百斤到到幾十噸的重物時，一般都會用到起重機，常見起重機又分為橋式起重機、門式起重機等，都具有自身運行軌道的起重機設備，他們的運行軌道一般根據車間的長度來安裝和車間的寬度來設計制造，相當于每臺起重設備都是定制的。常見的起重機有雙梁和單梁，一般10噸以下多以單梁和小型雙梁為主，10噸到20噸以小型雙梁為主，20噸以上以雙梁為主，同時還配有司機室。

     由于軌道很長，所以是由多根軌道拼接而成，連接處會有縫隙，如果縫隙過大會造成起重機運行過程出現(xiàn)劇烈抖動，如果軌道不平，起重機運行時就會有上坡下坡的情況。設備會增加自身負載而影響運行安全。為了實時監(jiān)測設備運行狀態(tài)，需要一個小巧跟隨設備運行的數(shù)據分析儀?？梢苑奖惆惭b在需要監(jiān)測的部位，當超過設定相關參數(shù)的閾值時就會發(fā)出報警信息，配合這樣測量的數(shù)據更加真實可靠。除了用于起重機，還可以用于船舶，游樂設施等。

開發(fā)環(huán)境

本項目采用到硬件方案是：通過ART-Pi STM32H750主板上的I2C引腳和UART以及一個普通IO口就可以實現(xiàn)與STEVAL-MKI197V1（LSM6DSOX）六軸傳感器和STEVAL-MKI192V1（LPS22HH）氣壓傳感器的I2C通信，與廣和通 L610-CN-00 Cat1 模塊實現(xiàn)串口通信連接物聯(lián)網平臺。

除了以上的外擴硬件外，還使用到了ART-PI板載的資源，如WIFI模塊的WIFI和藍牙功能實現(xiàn)小程序進行藍牙配網后啟動TCP服務器，等待其他客戶端連接并進行相關控制。

軟件方案是：

1. 開發(fā)源碼基礎：ART-PI SDK1.0，主要使用到出廠案例中的藍牙配網
2. STM32CubeMX:主要用于生成相關硬件驅動
3. 開發(fā)工具及版本：MDK5.31.0.0
4. ENV工具：通過menuconfig配置L610組件到工程
5. 物聯(lián)網可視化軟件Node-Red：人機交互頁面
6. 阿里云物聯(lián)網開發(fā)平臺，其中阿里云和Node-Red是作為數(shù)據采集顯示運動曲線的上位機，方便對采集的數(shù)據進行分析。
7. 手機APP：具有TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)連接開發(fā)板WIFI。

RT-Thread使用情況概述

總的來講，RT_Thread大部分功能都用到了，因為我是基于出廠代碼來添加自己的應用代碼的，這里只介紹自己添加了哪些功能代碼。

內核部分：使用了任務創(chuàng)建、任務休眠

組件部分：使用了WIFI框架來實現(xiàn)，網絡接口驅動、輕量級的TCP/IP協(xié)議、AT指令框架、MQTT組件

軟件包：使用了廣和通L610模組驅動，連接阿里云軟件包。

硬件框架

框架如圖所示：主要用到ART-PI主板、廣和通L610 cat1模組、六軸傳感器和氣壓計。

1. 利用ART-PI板載的WIFI/BT(AP6212A)模組實現(xiàn)TCP服務器，首先通過手機的微信小程序讓開發(fā)板連接到無線路由器，然后創(chuàng)建TCP服務器。通過局域網手機軟件或網絡助手軟件都可以連接TCP服務器。
2. 六軸傳感器和氣壓計是用于測量設備運行的狀態(tài)，如姿態(tài)、方向、高度、溫度等，通過HAL庫的I2C實現(xiàn)數(shù)據讀取。
3. LSM6DSOX 是小尺寸低噪聲低功耗的加速度計陀螺儀二合一芯片 . 具有數(shù)字I²C、SPI 和MIPI I3CSM 串口標準輸出. 是手持便攜式應用的理想選擇，如物聯(lián)網（IoT）連接設備，穿戴，等其他應用。可利用硬件識別出的自由落體事件、6D 方向、單擊和雙擊感應、活動或不活動、喚醒事件，來生成中斷信號?？蓡为氃O定最多16 個嵌入式有限狀態(tài)機，用于運動檢測或手勢識別，例如查看、絕對手腕傾斜、搖晃、連續(xù)兩次搖晃或拿起。LSM6DSOX 還嵌入了機器學習內核邏輯，可以識別數(shù)據模式與用戶定義的類別集是否匹配。應用的典型示例有跑步、行走和駕車等活動檢測。
4.  LSM6DSOX EVB提供完整的LSM6DSOX信號輸出，并在VDD/VDDIO上提供所需的去耦電容，用戶基于它可以快速設計自己的系統(tǒng)原型和設備，直接調試評估芯片的功能和性能參數(shù)。
5. LPS22HH 是一款高精度氣壓傳感器，可用作數(shù)字輸出氣壓計，具有數(shù)字I²C / MIPI I3CSM / SPI 串行接口標準輸出。工作壓力范圍為260 hPa 至1260 hPa，器件能夠以最高200 Hz 的輸出數(shù)據率測量壓力值。絕對精度是0.5hPa.LPM下功耗只有4uA.可以用于測量海拔高度,樓層定位,無人機定高,吸塵器吸力大小判斷等應用。
6.  LPS22HH EVB提供完整的氣壓計LPS22HH信號輸出，并在VDD/VDDIO上提供所需的去耦電容，用戶基于它可以快速設計自己的系統(tǒng)原型和設備，直接調試評估芯片的功能和性能參數(shù)。
7. 廣和通LTE Cat 1模組L610技術規(guī)格：

8. （1）、L610是LTE-Cat1制式；（2）、L610的基帶是展銳春藤 8910DM，是完全符合3GPP R13官方標準的 Cat.1bis 通信終端解決方案；（3）Cat1 最大上/下行速率 5Mbps UL/10Mbps DL；（4）Cat1 是LTE終端的一個類別，不是新技術，用現(xiàn)有的LTE網絡，網建成熟；（5）、完美承接2G/3G的退網迭代需求；（6）、完美承接部分Cat4的向下兼容替代需求；（7）、Cat1可以覆蓋超30%的物聯(lián)網場景 ；（8）、Catx（UE-Category），3GPP定義 LTE終端能力等級，表明了終端所支持的數(shù)據處理能力（下載、上傳速 率）、最大的空分復用、調制編碼能力；（9）Cat.1 bis是唯一符合規(guī)范的Cat1單天線方案。

   通過它可以實現(xiàn)戶外將測量傳感器數(shù)據通過MQTT協(xié)議發(fā)送到阿里云平臺，模組是通過ART-PI主板的UART1和一個GPIO引腳實現(xiàn)AT指令控制的。模組的供電電源由ART-PI主板5V引腳提供。詳情閱讀：基于廣和通Cat1模塊L610+ RT-Thread AT-Device應用講解.pdf文件

   軟件框架說明

         軟件部分主要是利用ART-PI的出廠固件實現(xiàn)小程序藍牙配網，為實現(xiàn)局域網連接做好準備，連接好WIFI路由器，然后開發(fā)板創(chuàng)建兩個TCP服務器后，即可使用手機端TCP/IP APP來連接開發(fā)板，實現(xiàn)手機APP發(fā)送相關指令來查看開發(fā)板采集到的數(shù)據。此時NODERED也可以實現(xiàn)同樣的連接方式，同時還具備連接阿里云的MQTT功能，讓數(shù)據可視化，例如查看數(shù)據曲線。Cat1 L610模組也是實現(xiàn)MQTT連接阿里云，它的重要意義在于可以在戶外測試設備的運行狀態(tài)，因為只需要電話卡就可以實現(xiàn)了數(shù)據實時上傳到云端，并用Node-RED遠程監(jiān)控。

   軟件模塊說明

   應用軟件關鍵部分的邏輯有：

1. 官網提供的微信小程序：檢測開發(fā)板藍牙，并實現(xiàn)通過藍牙配置手機連接的WIFI。
2. TCP/IP：啟動兩個TCP服務器實現(xiàn)局域網控制，提供兩個端口號5000和6000。
3. Node-Red：通過物聯(lián)網平臺軟件連接TCP服務器和阿里云平臺進行控制和接收開發(fā)板采集的數(shù)據。
4. 阿里云物聯(lián)網平臺：與L610實現(xiàn)MQTT連接，上傳傳感器數(shù)據；與Node-Red連接獲取傳感數(shù)據并集中顯示在Node-Red人機交互頁面中。
5. 手機APP :下載第三方的TCP/IP協(xié)議的APP連接開發(fā)板的TCP服務器，例如連接192.168.1.6 端口5000。實現(xiàn)查詢傳感器數(shù)據，控制開發(fā)板。

演示效果

視頻演示：

比賽感悟

本次比賽獲益良多，剛拿到開發(fā)板不知道如何下手，特別燒錄程序就折騰很久，然后終于了解到還有下載算法實現(xiàn)程序運行在外部FLASH里面。接著時傳感器數(shù)據的讀取，由于對硬件的I2C不是特別了解，為了解決通信問題，把官方的源碼做了許多的測試和修改。遇到問題只能尋求幫助，在群里問了大佬們的讀取情況，他們都說能夠正常讀取，讀取數(shù)據很方便，這使得我不得不懷疑人生，這么簡單的問題我都沒有解決。最后就是啃官方代碼和測試，最后發(fā)現(xiàn)居然是一個指令發(fā)錯了，導致讀取不到。

    這些傳感器數(shù)據解決了之后，接下來就是通訊問題了。根據廣和通的官方視頻教程，實現(xiàn)了連接阿里云的物聯(lián)網平臺，這個連接過程也是一波三折。最開始是通過env 的menuconfig添加串口、IOT組件等一些操作，視頻中是使用的LED案例，而我為了使用的WIFI藍牙設備，所以采用出廠案例?；谶@個案例開發(fā)本次作品。