大型设备噪声远程控制系统设计

，

(1.华南理工大学 公共管理学院，广州 510640; 2.华南师范大学 计算机学院，广州 510631)

0 引言

随着计算机网络的不断发展，噪声远程控制技术在现代社会的生产、管理、教学和科研等各个方面得到了广泛的应用，也越来越受到人们的重视[1-2]。特别是大型设备的噪声远程控制系统还存在一些问题，导致设备利用率较低[3-5]。为解决上述问题，本文提出了一种大型设备噪声远程控制系统设计方。该方法通过相应的控制系统，实现设备的噪声远程控制。

为了使设备噪声远程控制系统更好的应用，需要对设备噪声远程控制系统进行深入的分析和研究[6-7]。文献[8]提出了一种基于电力线载波的设备噪声远程控制系统设计方法。该方法监控实验室的主机上设有控制界面，该控制界面可以对从站点的电源进行控制，系统的主站点采用的是STC12C5A08S3单片机实现了从站点和监控实验室主机之间的信息传送。实现了设备电源的通断，该方法设计的系统工作稳定，但实际操作较为复杂。文献[9]提出了一种基于NCSLab 3D的设备噪声远程控制系统设计方法，将NCSLab 3D技术与噪声远程控制技术相结合，实现对实验室的噪声远程控制，该方法设计的系统可以实现设备信息的共享，但存在系统不稳定的问题。文献[10]提出了一种基于ASP.NET技术的设备远程监控系统设计方法，该方法通过无线通信技术将设备的信息传送到网关，网关将实验设备信息传送到实验室远程监控系统的主机，该方法基于B/S模式并利用ASPNET技术实现了设备数据在系统中的传输，用户可以通过系统对实验室中的环境进行实时监控，但该系统的成本较高。

根据设备噪声远程控制系统中存在的操作过程复杂、系统不稳定和成本较高等问题，提出了一种大型设备噪声远程控制系统设计方法。

1 大型设备噪声远程控制系统设计原理

大型设备噪声远程控制系统由RFID模块、MFRC522信息采集模块、开关量采集模块和动作执行模块构成，具体系统设计参数如表1所示。

表1 大型设备噪声远程控制系统设计参数

大型设备噪声远程控制系统的整体设计如图1所示。

图1 大型设备噪声远程控制系统整体设计图

大型设备噪声远程控制系统的噪声远程控制平台以数据库为核心，系统RFID模块对设备的运行情况进行监控，收集设备的信息，并将信息按类别分类，MFRC522信息采集模块中发送器可以通过读写器发送的电磁波信号与Mifare卡进行信息数据的传递，接收器的功能是接受Mifare卡信号并对信号进行处理，开关量采集模块对系统的运行状态进行控制，动作执行模块采用HK4100F继电器根据监控终端设置决策控制装备，保护了大型设备噪声远程控制系统的稳定运行。

2 大型设备噪声远程控制系统硬件设计

2.1 设备系统RFID模块设计

RFID模块由数据管理模块、电子标签模块和读写器模块3个部分组成。读写器在RFID模块中占有重要地位，读写器在系统中的发射功率和工作频率决定了电子标签的识别范围和工作频率。读写器是RFID模块中数据的中转站，收集实验室噪声远程控制系统的电子标签数据，数据管理模块通过读写器将设备的信息数据传送到电子标签模块，设备噪声远程控制系统通过天线发送电磁波信号，周围的电子标签接收电磁波信息并为系统提供能量，向读写器传送数据或接收读写器传达的命令。读写器具有防冲撞功能，可以实现同时识别设备噪声远程控制系统天线覆盖内所有电子标签的功能，而且电子标签在传出数据时比较稳定，不会出现碰撞的问题。读写器可以实现与电子标签之间的数据通讯，通过网关将采集到的信息传动到数据管理模块。电子标签由储存模块、控制模块、射频收发模块和天线模块构成，电子标签的内部储存了需要识别物体的数据信息，并以电磁波的传输形式将数据传送到读写器中，实现数据信息的交换功能。RFID模块中的电子标签可以根据不同情况分为无源型标签、高频型标签、被动型标签和可读写型标签等。这些标签的内部都没有电源，是通过读写器天线中电磁波提供的能量进行工作的。数据管理模块的功能是对采集数据进行管理，主要负责采集数据的查询、显示和储存等工作，数据管理模块将RFID模块中的数据传送到终点，负责系统中电子标签信息的管理，并具有标签安全功能和读写控制功能。大型设备噪声远程控制系统的RFID模块设计如图2所示。

图2 设备噪声远程控制系统RFID模块设计图

2.2 噪声远程控制系统MFRC522信息采集模块设计

MFRC522信息采集模块是由高度集成的非接触式读写芯片构成的，具有体积小、低电压和低成本的特点。MFRC522信息采集模块主要由接收器和发送器组成，发送器可以通过读写器发出的电磁波信号与Mifare卡进行信息数据的传递。接收器的功能是接收Mifare卡信号并对信号进行处理，为系统提供了一个具有译码和解调的电路。大型设备噪声远程控制系统MFRC522信息采集模块的电路如图3所示。

图3 噪声远程控制系统MFRC522信息采集模块电路图

2.3 设备系统开关量采集模块设计

大型设备噪声远程控制系统的开关量采集模块是使用电流互感器采集系统运行或关闭时流过系统电源线的电流信号，并对系统的运行状态进行判断的。开关采集模块中采用的是HCT502-A电流互感器，具有过载能力强、抗干扰能力强、响应时间快、频带宽、低温漂、体积小和精度高等特点。大型设备噪声远程控制系统开关量采集模块原理如图4所示。

图4 设备噪声远程控制系统开关量采集模块原理图

2.4 系统动作执行模块设计

大型设备噪声远程控制系统的动作执行模块不仅需要采集各个模块中的相关信息，而且要根据监控终端设置决策控制装备。动作执行模块采用HK4100F继电器，HK4100F继电器中的触电负载定额参数为2A240VAC，继电器的线圈与触点之间的耐压为4 500 VAC/分钟、继电器的触点与触点之间的耐压为750 VAC/分钟，大型设备远程系统动作执行模块中的HK4100F继电器电路如图5所示。

图5 动作执行模块中HK4100F继电器电路图

动作执行模块中HK4100F继电器是一种动合型的继电器，当继电器线圈两端的电压达到一定数值时，继电器的常开触点为闭合状态，此时系统的电源为接通状态。当继电器的常开触点为开启状态时，将设备的电源断开，起到设备中电路转换的作用。将系统的采集终端与240V交流电隔离时，能对大型设备噪声远程控制系统起到保护作用。大型设备噪声远程控制系统中的继电器线圈串联在电源的回路中，系统的输入端与P0.1接口相连。

吸附材料上还存在着3点不足：（1）重金属的吸附有限制条件，比如温度、pH值的不同，对重金属的吸附都有影响，中药材的水煎液大都为中性，会对材料的官能团有限制。（2）中药材里重金属的种类较多，且都是微量存在，但脱除材料对于金属的吸附有选择性，现有的天然材料已不能满足吸附效果，应针对不同的重金属加以结构修饰改造，以便提高重金属的吸附率。（3）中药材里的基质成分复杂，需要注意脱除过程中吸附材料对有效成分的影响，可以根据不同药物的性质及主要含量选用不同的材料。同时也可以将几种方法与吸附材料结合使用，相互补足。

3 大型设备噪声远程控制系统软件设计

数据传输算法能够准确的实现大型设备的噪声远程控制，实现大型设备噪声远程控制系统的主机和设备信息的数据共享，达到最佳控制性能，并有效的应用于大型设备噪声远程控制系统中。

噪声远程控制系统在接收信息和发送信息的过程中存在射频信号对实验室进行信号覆盖，设设备中簇头节点在接收大型设备噪声远程控制系统主机的数据时，大小为L的设备数据分组成功汇聚的概率为μ，其中大型设备噪声远程控制系统中数据传输CH节点为k个，设备中CH节点覆盖数据传输节点的概率为α，计算公式如下所示：

μ=αk(1-α)1-K

(1)

当设备中某个节点的数据较多时，该节点存在多条数据流，大型设备噪声远程控制系统中的数据分组都具有一定的延时t，在该设备的数据分组内的生命周期为T，根据公式(1)可得到t的计算公式：

t=μT=Tαk(1-α)1-K

(2)

在大型设备噪声远程控制系统中不同时间的数据分组的长度都是不同的。设设备中数据分组长度为L时传输成功率为Li，设备的簇头节点完成数据传输时，该节点数据分组的长度平均为η，计算公式如下：

(3)

在大型设备噪声远程控制系统的每次数据传输周期内，设备的节点宽带为C，系统中节点需要分配的数据要满足Lmin，Lmin的计算公式如下：

(4)

在大型设备噪声远程控制系统中进行数据传输时，对系统中的数据进行筛选，降低设备簇头节点的缓存压力，减少因数据缓存导致大型设备噪声远程控制系统的数据传输无法正常运行，保障了大型设备噪声远程控制系统的运行。

4 实验方法及步骤

1)分别采用本文方法与文献[8]方法和文献[9]方法进行大型设备噪声远程控制系统的性能测试，对3种方法进行系统的阶跃响应对比。

2)分别在不同信号强度下进行大型设备噪声远程控制系统传输大小不同数据的测试。

3)分别采用本文方法与文献[8]方法和文献[10]方法进行大型设备噪声远程控制系统稳态误差的测试。

本实验在北京某大学完成，主控的操作系统为windows2003的主机，CPU为P42.9 GHz，硬盘容量为45 GB，物理内存为2GB。以北京某大学的大型实验室设备控制系统为模型。分别采用本文方法和文献[8]、文献[9]方法进行大型设备噪声远程控制系统的性能测试，将3种不同的方法进行大型设备噪声远程控制系统的阶跃响应(%)对比，对比结果如图6所示。

图6 3种不同方法的系统阶跃响应对比图

分析图6可知，本文方法的阶跃响应要优于文献[8]方法和文献[9]方法，在相同的时间内本文方法的输出量比文献[8]和文献[9]的输出量高。文献[8]方法采用的是STC12C5A08S3单片机，实现从站点和监控实验室主机之间的信息传送，系统的从站点采用AT89S53单片机对设备的操作进行控制，实现设备电源的通断。文献[9]方法采用NCSLab 3D技术与噪声远程控制技术相结合，通过数学模型、控制系统集成和实验三维建模等步骤，实现对实验室的噪声远程控制，文献[8]方法和文献[9]方法在一定时间内设备噪声远程控制系统的输出量较低。本文方法采用MFRC522信息采集模块，MFRC522信息采集模块的发送器可以通过读写器发送的电磁波信号与Mifare卡进行信息数据的传递，接收器的功能是接收Mifare卡信号并对信号进行处理，使系统在一定时间内的输出量增加，系统的阶跃响应较好。

为了检测大型设备噪声远程控制系统的有效性和可靠性，分别在设备噪声远程控制系统的不同信号强度下进行传输大小不同数据的测试。测试结果如表2所示。表中最大强度的信号用6表示，其次是5，没有信号时用0表示。

表2 不同信号强度下传输不同数据的测试结果

分析表2可知，当大型设备噪声远程控制系统的网络信号质量较好时，数据输出速度较快，而且没有出现错误数据帧传的问题，设备远程监控系统的错误率较低，数据传输所用的时间少、效率高。当大型设备噪声远程控制系统的网络信号质量较差时，数据传输的速度较慢，而且设备远程监控系统中出现的错误数随着信号强度减弱而增多。只有当信号强度为2时，大型设备的网络信号质量很差出现了数据传输失败的现象。通过测试可知该系统的数据传输较为可靠，可满足用户实际应用中的需要。

分别采用本文方法和文献[8]方法、文献[10]方法进行大型设备噪声远程控制系统的性能能测试，将3种不同的方法进行大型设备噪声远程控制系统的稳态误差(%)对比，稳态误差是系统从一个比较稳定的状态过度到一个崭新的状态，或系统受到干扰后回归平衡后，系统出现的误差。对比结果如图7所示。

图7 3种方法的稳态误差对比

分析图7可知，本文方法的稳态误差要低于文件[8]方法和文献[10]方法，因为本文方法中的开关采集模块中采用的是HCT502-A电流互感器，采集系统运行或关闭时流过系统电源线的电流信号，降低了大型设备控制系统的稳态误差，保障了系统安全有效的运行。

图8 设备噪声控制前后对比

由图8可看出，在噪声控制之前设备噪声明显高于实验室设备的噪声标准值，在设备运行时，利用所设计的系统对其进行噪声远程控制，噪声得到了高效治理。通过以上实验，可以得出结论，通过本文方法设计出的大型设备噪声远程控制系统能够满足现实要求，具有很好的实用性，控制效果明显。

5 结论

本文通过对国内外大型设备噪声远程控制系统的现状进行分析，发现了设备噪声远程控制系统存在的一些问题，系统中存在的操作过程复杂、系统不稳定和成本较高。为此提出了大型设备噪声远程控制系统设计方法，通过实验证明该方法的系统阶跃响应较好、数据传输较为稳定、系统的稳态误差较低，保障了大型设备噪声远程控制系统安全稳定的运行。

参考文献:

[1] 周国华, 商俊燕. 基于Android平台的折弯机远程监控系统[J]. 电子设计工程, 2016, 24(13):98-100.

[2] 李廷顺, 刘泽三, 于 卓,等. 电力设备远程通信控制信号入侵优化检测仿真[J]. 计算机仿真, 2017, 34(3):377-380.

[3] 余 雷, 许宏科, 胡 欣,等. 基于物联网的远程视频监控优化方法研究[J]. 科技通报, 2015, 31(10):226-228.

[4] 许振腾, 李艳军, 曹愈远,等. 基于PLC的双余度海底管道开孔机远程电气控制系统设计[J]. 科学技术与工程, 2015, 15(20):244-248.

[5] 李 路, 何新霞, 孔祥飞,等. 基于PLC与ZigBee的室内环境监控系统设计[J]. 计算机测量与控制, 2017, 25(5):112-114.

[6] 张昱龙, 杨民强, 远经潮,等. MOOC远程实验平台的设计与实现[J]. 合肥工业大学学报:自然科学版, 2016, 39(5):622-624.

[7] 周同旭, 李雅洁, 王柏柏,等. 基于WinCC和PLC的水力机械试验台电气控制系统[J]. 电气传动, 2016, 46(1):63-66.

[8] 张晨亮, 苏学军, 毕 涛,等. 基于电力线载波的开放实验室电源控制系统[J]. 电测与仪表, 2015, 52(9):103-107.

[9] 周洪, 任正涛, 胡文山,等. 基于NCSLab 3D的虚拟远程实验系统设计与实现[J]. 计算机工程, 2016, 42(10):20-25.

[10]余国雄,王卫星, 谢家兴,等. 基于 ASP.NET 技术的荔枝园智能灌溉远程监控系统的设计与实现[J]. 福建农业学报, 2016, 31(7):770-776.