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物联网（IoT）支持的小型水处理厂实时硬件在环（HIL）仿真

article 2024/12/25 15:05:59

这篇论文的标题是《Real-Time Hardware-In-The-Loop Simulation of IoT-Enabled Mini Water Treatment Plant》，作者是 Mohamad Taib Miskon 等人，发表在 2024 年 IEEE 自动控制与智能系统国际会议（I2CACIS）上。以下是该论文的主要内容概述：

研究背景：
- 论文讨论了在马来西亚沙巴州偏远地区，由于地理位置复杂、地形崎岖和交通基础设施不足，传统的供水系统难以覆盖。
- 作为提供清洁水给沙巴州Lok Dangkaan村庄的一部分，本研究开发了一个专门的小型水处理和过滤系统。
硬件在环（HIL）技术：
- 采用硬件在环（HIL）框架来支持为Lok Dangkaan的小型水处理厂开发电子控制单元（ECU）。
- HIL技术通过结合实际硬件和系统动态的软件仿真，增强了原型开发过程。
系统设计：
- 系统由两套设备组成，每套代表目标部署地点的不同水储存罐位置，使用树莓派作为核心嵌入式控制器。
- 采用图形用户界面（GUI）展示当前水位和每个位置泵的激活情况。
- 通过为该地区配置的MQTT协议中继信息。
研究方法：
- 定义了项目目标，重点是双站点设置：站点1作为收集池塘（罐1），站点2包括过滤系统和储存罐（罐2）。
- 主要目标是建立一个鲁棒的控制器系统，管理两个站点的水过滤系统的所有关键元素，包括泵、指示器、开关、水位传感器、数据记录、远程监控和水使用量调节。
硬件和软件开发：
- 电子控制单元（ECU）包括控制面板、树莓派、接触器继电器、灯指示器、选择开关和Arduino Nano。
- HIL部分包括嵌入在Arduino Nano中的水箱填充模型。
GUI开发：
- 使用开源软件Node-RED开发了GUI，使用SVG图形，每个元素都有其独特的ID。
实验结果：
- 功能性测试旨在评估系统的操作能力和响应性，包括所有主要功能，从手动控制到界面交互和连接协议。
- 测试结果表明，系统的所有测试项都表现出令人满意的性能，包括手动启动/停止操作、通过GUI的启动/停止操作、GUI的响应性和更新、灯指示器、MQTT连接、低水位指示器和溢流指示器。
结论：
- 研究工作对于实施定制的HIL仿真，针对偏远地区的小型水过滤系统具有重要意义，这些地区的传统供水服务无法到达。
- 功能性测试证实了HIL设置的输入/输出罐仿真的系统操作有效性，所有测试项都显示出令人满意的性能。
- 论文提出，未来的工作可以集中在提高GUI的响应性，以提供更无缝的用户体验，并探索集成高级诊断功能和机器学习能力，以实现泵操作的预测性维护、预测村庄的水使用情况以增强水管理，并减少中断或短缺的可能性。
致谢：
- 作者感谢UiTM Terengganu提供测试原型所需的实验室设施，以及马来西亚财政部下属的Unit Pelaksanaan dan Koordinasi Stimulus Ekonomi Antara Agensi Nasional (LAKSANA) 和沙巴州Baitulmal Negeri Sabah (PBNS)在资金计划下对这项工作的支持。