[作品提交] 采用嵌入式传感和BLE实现工业4.0的“数字孪生系统”

 

采用嵌入式传感和BLE实现工业4.0的“数字孪生系统”

 

作者：mars4zhu     

 

一、作品简介

随着嵌入式传感器、低功耗无线通信技术和高效信号处理技术的蓬勃发展, 物联网技术得到了爆炸性的发展与壮大。在探讨数字孪生与物联网的相互关系时, 可以发现在数字孪生的不同定义中都将数据连接作为数字孪生的核心要素之一。其原因是数字孪生虚拟模型需要实时更新物理实体的数字信息, 处理后的信息也必须从虚拟模型传输到物理实体, 以实现物理实体与虚拟模型的双向实时映射。在数字孪生技术的基本应用中, 实现虚拟模型与物理实体全方位同步是基本目标, 在此基础上数字孪生才能实现数据分析和产品/设备优化等更高层次的目标

项目内容：

本项目面向本公司所在的工控领域的“数字孪生”，即物理实体和虚拟模型的同步

（1）在手机/PC上，使用程序软件模拟一个实际设备的数字仿真系统，使用该领域的数理方程，精确地模拟现实中的物理量的动态变化过程（例如本公司的电力电子散热设备中的流体、热等多领域的过程），然后通过低功耗无线通信技术将仿真的物理量传输到外部控制设备，

（2）由于采用的是全数字化的物理数学建模，其仿真非常拟合实际变化情况，可以非常方便地测试控制设备对于实际动态变化过程中的控制策略是否正确，并且能够模拟无法在实际设备上中直接操作的故障（譬如管道大量泄漏、温度超极限过热等极端故障），从而验证控制设备的完备正确的控制功能；

（3）也可以将此过程双向同步，将外部实际的设备各个状态量（例如散热设备的温度、压力、流速），通过传感器采集后接入手机/PC上的数字孪生系统，实现工业设备的多点WSN（无线传感网络），状态监测等物联网，使得数字孪生系统可以实时、准确的反应实际设备中的状态；在实际操作之前对数字孪生系统进行模拟仿真控制，提升数据分析和产品/设备优化的能力；

 

二、系统框图
      熟悉了RSL10的软硬件之后，使用Altium Designer设计了数字孪生控制板的核心板，采用跟原设计的数字孪生标准核心板的同样接口，力求直接替换，原理图如下：

 

设计的RSL10核心板PCB图如下，并与标准核心板的对比，

 

RSL10核心板（左）与标准核心板（右）的PCB设计图对比

 

三、各部分功能说明

      使用matlab作为数字孪生的建模工具，对于本项目涉及到的流体、热传递等多物理域，采用混合建模的方式，并执行仿真，得到过程中各个物理量的仿真数值；

 

      在经过不断优化与改进后，模型的精度和行为能较好地接近真实系统，现在需要的就是将该仿真数值通过数字孪生核心板实时地反馈到数字孪生底板上的控制系统，从而实现数字孪生的闭环控制设计；

 

四、作品 源码

      SDB_Core_RSL10的原理图与PCB设计图；

 

 五、作品功能演示视频

（暂无）

 

六、项目总结

由于RSL10采用QFN48封装，灵活的DIO引脚配置，每个DIO引脚可以自由分配几乎所有的芯片内部信号，从而大大方便了硬件设计，而灵活的供电配置也使得RSL10的功耗表现在一众BLE芯片中脱颖而出。