一种基于物联网的口罩机管理系统

1.本实用新型属于物联网技术领域，涉及一种基于物联网的口罩机管理系统。


背景技术：

2.现代社会，由于自然环境的不断恶化和人们防护意识的加强，一次性医用口罩和防护口罩的市场需求在不断扩大。口罩生产的管理主要由以下四个方面的难点：
3.(1)人力成本高：半自动化机器生产流程是将无纺布原材料挂于口罩打片机料架上，调试好后机器自动生产，出来的就是口罩片，再将口罩片转到耳带机上进行点带，出来的就是成品，再进行包装。每台需要3
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6人操作，(本体机1台+耳带机2台)，全自动化机器相对来说就虽比较省事、省人工，原材料挂于料架上，机台自动送料，由1台本体机拖2到3台耳带机进行自动生产，但每台仍需2
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3名人员操作；节假日需要临时安排值班管理者及生产工人，增加了管理成本，加大了管理难度。
4.(2)管理成本高：当口罩机设备出现故障时，面对数间生产厂间，管理人员巡检设备时，工作量非常大。而工人使用口罩机设备出现的问题，无法及时反馈，造成信息不对称，增加了教室维修维护的管理难度，会直接影响后续生产。
5.(3)能耗成本高：有时口罩机出现故障后，工人未及时发现或及时上报时，机器仍然处于运行状态下，造成了材料和能源的极大浪费。
6.(4)危险程度高：工厂工人在工作时，机器突然出现故障，工人来不及反应，造成不可逆的事故，或者机器出现故障后，没及时发现并且上报，工人在不知情的情况下使用，发生不可想象的后果。
7.如何解决工厂口罩机管理需求，切实降低工厂口罩机管理难度，提高口罩生产的安全程度，让口罩生产工厂管理更加简单化以及精细化，智能化，是目前各口罩生产工厂面临的难题。
8.而智能口罩机，基于物联网技术，实现口罩机的机器上云；管理者通过登录平台，进行机器的影子创建，从而实现对机器的实时监控以及控制。针对智能口罩机的平台，为管理者提供便利，减少麻烦及危险，提供数据分析，为厂家管理以及生产节约成本，还可日夜持续生产，提高了生产率。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于物联网的口罩机管理系统，本实用新型所要解决的技术问题是如何高效管理智能口罩机、提高方便性和安全性。
10.本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于物联网的口罩机管理系统，其特征在于，包括服务层、数据采集层和感知层，感知层为设置在各口罩机上的传感器和执行器，数据采集层能够采集各传感器数据，并将数据传输至服务层；每台口罩机均具有单独位移的编码，数据采集层包括stm32单片机，通过蓝牙模块将数据采集层收集的数据传
输至服务层。
11.所述执行器为口罩机的主电路开关控制器，所述主电路开关控制器为继电器。
12.采用蓝牙模块及stm32单片机，基于互联网实现智能口罩机数据的快速上传，实现对智能口罩机的状态采集和传输，智能口罩机数据包括智能口罩机在工作时的机身温度，焊头温度，总电流电压，开机电流冲击，焊接时电流是否过载(7a以上)，电机震动频率，发振箱风扇的发振，超声波输出频率，卷筒纸转速，焊头与焊接台的距离，无纺布的克重，焊头压力，服务层的平台上，管理者可以看到所有在线智能口罩机的状态信息，查阅智能口罩机在不同时间段的日志信息和工作情况。
13.通过平台创建智能口罩机的数据模型，实现真实设备与虚拟设备的数据映射，每个智能口罩机有一份独立的数据表；同时支持设备的在线升级和调试；
14.服务层将设备的配置信息和实时状态存储在mysql数据库中；智能口罩机产生的数据基于规则引擎，存储在tsdb时序数据库中；时序数据库详细记录上报的工作日志，通过数据清洗和处理，一方面快速生成图表，另一面为设备的故障诊断提供海量数据源；同时tsdb与grafana结合实现对数据运维功能，设备故障模型可以进一步分析设备的状态变化，实现故障预测；
15.具体功能如下：
16.传感器采集智能口罩机在工作时的机身温度，焊头温度，总电流电压，开机电流冲击，焊接时电流是否过载(7a以上)，电机震动频率，发振箱风扇的发振，超声波输出频率，卷筒纸转速，焊头与焊接台的距离，无纺布的克重，焊头压力等数据上传给stm32单片机，再下传的指令控制智能口罩机的启动与关闭。
17.stm32单片机将传感器上传的数据进行处理及整合，再通过串口上传给蓝牙模块，蓝牙模块通过串口下发控制指令给stm32单片机实施智能口罩机的控制。
18.电路设计方面，智能口罩机在工作时，若机身温度过大焊头温度升高，总电流电压不稳定，开机电流冲击很大保险丝会被熔断，焊接时电流偏大、过载(7a以上)，电机震动频率过大，发振箱风扇转弱不能发振，超声波的声音出现杂乱或明显的金属摩擦声，没有超声波输出，卷筒纸转速太快太慢或者卡纸了，焊头下降但熔接后不上升，无纺布的克重，焊头松动、频率调节不当、焊头破裂、压力过大过负载灯会亮需检查智能口罩机是否出现故障。因此，智能口罩机状态数据的采集、计算、控制、传输等功能电路，主要围绕以下几个方面实现：
19.将stm32单片机作为进行数据的处理及上传的智慧单元。
20.将蓝牙模块作为将数据上传以及控制指令下发的通讯单元。
21.通过ds18b20温度传感器采集机身温度以及焊头温度。
22.通过电压电流互感器采集智能口罩机开机时的总电流电压数据和焊接机焊接时的电流。
23.通过pvdf压电薄膜振动传感器检测口罩机电机的振动频率以及发振箱风扇是否发振。
24.通过pb500芯片检测口罩机超声波组件的超声波频率。
25.通过转速传感器检测卷筒纸的旋转速率以及是否卡纸。
26.通过红外线传感器测量焊头和焊接台的距离。
27.通过t11高精度压力传感器检测无纺布的克重以及焊头的压力。
28.通过继电器对智能口罩机的启动与关闭进行控制。
29.蓝牙模块是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。工作频段为全球统一开放的2.4ghz工业、科学和医学(industrial,scientific and medical,ism)频段。蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。蓝牙技术的特点可归纳为如下几点：全球范围适用：蓝牙工作在2.4ghz的ism频段，全球大多数国家ism频段的范围是2.4～2.4835ghz。同时可传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。每个语音信道数据速率为64kbit/s，语音信号编码采用脉冲编码调制(pcm)或连续可变斜率增量调制(cvsd)方法。当采用非对称信道传输数据时，速率最高为721kbit/s，反向为57.6kbit/s；当采用对称信道传输数据时，速率最高为342.6kbit/s。蓝牙有两种链路类型：异步无连接(asynchronous connection
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less，acl)链路和同步面向连接(synchronous connection
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oriented，sco)链路。可以建立临时性的对等连接(ad
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hoc connection)：根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备(master)与从设备(slave)。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网(piconet)时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。通过时分复用技术，一个蓝牙设备便可以同时与几个不同的皮网保持同步，具体来说，就是该设备按照一定的时间顺序参与不同的皮网，即某一时刻参与某一皮网，而下一时刻参与另一个皮网。具有很好的抗干扰能力：工作在ism频段的无线电设备有很多种，如家用微波炉、无线局域网(wireless local area network，wlan)和homerf等产品，为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用了跳频(frequency hopping)方式来扩展频谱(spread spectrum)，将2.402～2.48ghz频段分成79个频点，相邻频点间隔1mhz。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625μs。蓝牙模块体积很小、便于集成。低功耗：蓝牙设备在通信连接(connection)状态下，有四种工作模式——激活(active)模式、呼吸(sniff)模式、保持(hold)模式和休眠(park)模式。开放的接口标准。成本低。
30.蓝牙模块的关键技术在于，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换(使用2.4～2.485ghz的ism波段的uhf无线电波)。
31.智能口罩机管理系统，可以有效保障智能口罩机的稳定与高效，以及生产的安全性，还能帮助工厂管理者快速方便的管理，协助工厂管理者通过智能口罩机大数据平台综合治理，为管理者提供便利，减少麻烦及危险，提供数据分析，为厂家管理以及生产节约成本，还可日夜持续生产，提高了生产率。
附图说明
32.图1是本口罩机管理系统的框架图。
33.图2是蓝牙模块的系统设计图。
34.图3是stm32单片机的工作流程图。
具体实施方式
35.以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。
36.智能口罩机物联网系统的设计方案是：如图1所示，服务层完成人机交互和数据分析；数据采集层实现状态数据的采集以及传输；感知层实现智能口罩机的监测与控制；
37.其中，每个智能口罩机有唯一的设备编号；采用蓝牙模块及stm32单片机，基于互联网实现快速上传，实现对智能口罩机的状态采集和传输，其中包括智能口罩机在工作时的机身温度，焊头温度，总电流电压，开机电流冲击，焊接时电流是否过载(7a以上)，电机震动频率，发振箱风扇的发振，超声波输出频率，卷筒纸转速，焊头与焊接台的距离，无纺布的克重，焊头压力等。在平台上，工厂管理者可以看到所有在线智能口罩机的状态信息，查阅智能口罩机在不同时间段的日志信息和工作情况。
38.其次，通过平台创建智能口罩机的数据模型，实现真实设备与虚拟设备的数据映射，每个智能口罩机有一份独立的数据表。智能口罩机设备实时上报的位置信息，方便维护者异地检修；同时支持设备的在线升级和调试。
39.最后，设备的配置信息和实时状态存储在mysql数据库中；智能口罩机产生的数据基于规则引擎，存储在tsdb时序数据库中。时序数据库详细记录上报的工作日志，通过数据清洗和处理，一方面快速生成图表，另一面为设备的故障诊断提供海量数据源。同时tsdb与grafana结合实现对数据运维功能，设备故障模型可以进一步分析设备的状态变化，实现故障预测。
40.智能口罩机分为三部分：口罩机是受控单元；stm32单片机及传感器是实现数据的采集，处理及上传的智慧单元；蓝牙模块是连接服务层与设备的网络通讯单元。具体功能如下：
41.传感器采集智能口罩机在工作时的机身温度，焊头温度，总电流电压，开机电流冲击，焊接时电流是否过载(7a以上)，电机震动频率，发振箱风扇的发振，超声波输出频率，卷筒纸转速，焊头与焊接台的距离，无纺布的克重，焊头压力等数据上传给stm32单片机，再下传的指令控制智能口罩机的开启和关闭。
42.stm32单片机将传感器上传的数据进行处理及整合，再通过串口上传给蓝牙模块，蓝牙模块通过串口下发控制指令给stm32单片机实施智能口罩机的控制。
43.智能口罩机在工作时，若机身温度过大焊头温度升高，总电流电压不稳定，开机电流冲击很大保险丝会被熔断，焊接时电流偏大、过载(7a以上)，电机震动频率过大，发振箱风扇转弱不能发振，超声波的声音出现杂乱或明显的金属摩擦声，没有超声波输出，卷筒纸转速太快太慢或者卡纸了，焊头下降但熔接后不上升，无纺布的克重，焊头松动、频率调节不当、焊头破裂、压力过大过负载灯会亮时需检查智能口罩机是否出现故障，因此，智能口罩机状态数据的采集、计算、控制、传输等功能电路，主要围绕以下几个方面实现：
44.将stm32单片机作为进行数据的处理及上传的智慧单元。
45.将蓝牙模块作为将数据上传以及控制指令下发的通讯单元。
46.通过ds18b20温度传感器采集机身温度以及焊头温度。
47.通过电压电流互感器采集智能口罩机开机时的总电流电压数据和焊接机焊接时的电流。
48.通过pvdf压电薄膜振动传感器检测口罩机电机的振动频率以及发振箱风扇是否发振。
49.通过pb500芯片检测口罩机超声波组件的超声波频率。
50.通过转速传感器检测卷筒纸的旋转速率以及是否卡纸。
51.通过红外线传感器测量焊头和焊接台的距离。
52.通过t11高精度压力传感器检测无纺布的克重以及焊头的压力。
53.通过继电器对智能口罩机的启动与关闭进行控制。
54.蓝牙模块是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。工作频段为全球统一开放的2.4ghz工业、科学和医学(industrial,scientific and medical,ism)频段。蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。蓝牙技术的特点可归纳为如下几点：全球范围适用：蓝牙工作在2.4ghz的ism频段，全球大多数国家ism频段的范围是2.4～2.4835ghz。同时可传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。每个语音信道数据速率为64kbit/s，语音信号编码采用脉冲编码调制(pcm)或连续可变斜率增量调制(cvsd)方法。当采用非对称信道传输数据时，速率最高为721kbit/s，反向为57.6kbit/s；当采用对称信道传输数据时，速率最高为342.6kbit/s。蓝牙有两种链路类型：异步无连接(asynchronous connection
‑
less，acl)链路和同步面向连接(synchronous connection
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oriented，sco)链路。可以建立临时性的对等连接(ad
‑
hoc connection)：根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备(master)与从设备(slave)。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网(piconet)时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。通过时分复用技术，一个蓝牙设备便可以同时与几个不同的皮网保持同步，具体来说，就是该设备按照一定的时间顺序参与不同的皮网，即某一时刻参与某一皮网，而下一时刻参与另一个皮网。具有很好的抗干扰能力：工作在ism频段的无线电设备有很多种，如家用微波炉、无线局域网(wireless local area network，wlan)和homerf等产品，为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用了跳频(frequencyhopping)方式来扩展频谱(spread spectrum)，将2.402～2.48ghz频段分成79个频点，相邻频点间隔1mhz。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625μs。蓝牙模块体积很小、便于集成。低功耗：蓝牙设备在通信连接(connection)状态下，有四种工作模式——激活(active)模式、呼吸(sniff)模式、保持(hold)模式和休眠(park)模式。开放的接口标准。成本低。蓝牙模块功能设计架构图如图2所示。
55.蓝牙模块的关键技术在于，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换(使用2.4～2.485ghz的ism波段的uhf无线电波)。
56.智能口罩机的智慧单元，我们选择了高性能、低成本、低功耗的stm32单片机。该处理器采用arm
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m3内核，针对智能口罩机领域，它具有强干扰强、满足恶劣工作条件下稳定持续工作的要求。此外，stm32外设包括10个定时器、两个12位1
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msample/s模数转换器(交错模式下2
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msample/s)、两个12位数模转换器、两个i2c接口、五个usart接口和三个spi端口。新产品外设共有12条dma通道，还有一个crc计算单元，支持96位唯一标识码。stm32的丰富
资源，可以满足智能口罩机的开发要求。
57.stm32关键技术：
58.通过ds18b20温度传感器采集机身温度以及焊头温度。
59.通过电压电流互感器采集智能口罩机开机时的总电流电压数据和焊接机焊接时的电流。
60.通过pvdf压电薄膜振动传感器检测口罩机电机的振动频率以及发振箱风扇是否发振。
61.通过pb500芯片检测口罩机超声波组件的超声波频率。
62.通过转速传感器检测卷筒纸的旋转速率以及是否卡纸。
63.通过红外线传感器测量焊头和焊接台的距离。
64.通过t11高精度压力传感器检测无纺布的克重以及焊头的压力。
65.通过继电器对智能口罩机的启动与关闭进行控制。
66.stm32工作流程如图3所示。
67.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
68.尽管本文较多地使用了
……
1、
……
2、等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。