摘 要： 銅加工企業(yè)為了保證銅帶退火工藝要求，需要工人現(xiàn)場(chǎng)巡視爐內(nèi)溫度和氣壓情況并做記錄。為了保證工人遠(yuǎn)離危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)了一套以STM32最小系統(tǒng)板為主控制器的遠(yuǎn)程溫壓數(shù)據(jù)采集硬件終端和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了罩式爐的溫壓遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、主要硬件電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)測(cè)試實(shí)現(xiàn)了在OneNet平臺(tái)上對(duì)罩式爐溫壓遠(yuǎn)程的有效在線監(jiān)測(cè)。

　　關(guān)鍵詞： 銅加工罩式爐; 溫壓監(jiān)測(cè); 遠(yuǎn)程通信; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 數(shù)據(jù)采集; 實(shí)時(shí)傳輸

　　0 引 言

　　我國(guó)銅加工企業(yè)為保證罩式爐生產(chǎn)安全和工藝要求， 必須對(duì)爐內(nèi)的溫度和氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 控制其在合理范圍之內(nèi)[1?2]。目前， 大部分企業(yè)安排工人在爐體旁巡視溫控儀和氣壓表的數(shù)據(jù)并記錄備案，但是爐體高溫對(duì)工人的健康影響很大，并且出現(xiàn)過(guò)爐內(nèi)溫度壓力過(guò)高發(fā)生的生產(chǎn)事故。盡管有的企業(yè)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)來(lái)解決遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)問(wèn)題，但是還需要通過(guò)設(shè)計(jì)專門監(jiān)測(cè)平臺(tái)和通信線路，因此成本高昂。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)板為主控制器的罩式爐遠(yuǎn)程溫壓數(shù)據(jù)采集與發(fā)送監(jiān)測(cè)硬件終端?？梢缘顷懼袊?guó)移動(dòng)公司開(kāi)放的OneNet云臺(tái)管理中心實(shí)現(xiàn)在任意的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)終端在線監(jiān)測(cè)，從成本和實(shí)用性上有很大優(yōu)勢(shì)，提高了企業(yè)生產(chǎn)安全系數(shù)和生產(chǎn)效率。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主要以STM32最小系統(tǒng)板為主控制器通過(guò)調(diào)度各個(gè)其他功能模塊協(xié)調(diào)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送處理。

　　首先溫度控制儀和氣壓測(cè)量?jī)x將采集的數(shù)據(jù)傳輸給STM32處理器處理， 然后應(yīng)用EC20無(wú)線模塊連接到4G網(wǎng)絡(luò)并且訪問(wèn)OneNet云平臺(tái)并將數(shù)據(jù)上傳， 用戶可以通過(guò)PC或者移動(dòng)客戶端訪問(wèn)OneNet平臺(tái)上的系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)監(jiān)測(cè)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)硬件終端設(shè)計(jì)

　　本文進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理使用的主控制器是STM32F103RBT6最小系統(tǒng)板，系統(tǒng)板自帶時(shí)鐘電路、復(fù)位電路，通過(guò)配上外圍測(cè)量設(shè)備和發(fā)送模塊構(gòu)成系統(tǒng)監(jiān)測(cè)硬件終端。

　　該單片機(jī)是STM32系列單片機(jī)的增強(qiáng)型的32位，以ARM Cortex?M3為內(nèi)核，時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度快，滿足數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的實(shí)時(shí)性要求，具備大容量的SRAM和FLASH便于程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，多達(dá)3個(gè)UART串口和幾十個(gè)I/O控制端口，豐富的外設(shè)接口方便與外部設(shè)備的通信和控制[1?2]。監(jiān)測(cè)終端整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.1 無(wú)線通信模塊電源電路設(shè)計(jì)

　　STM32F103RBT6最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)自帶有額定輸入電壓DC 5～36 V轉(zhuǎn)5 V電路，其輸入電源由現(xiàn)場(chǎng)控制柜提供。由于EC20無(wú)線模塊需要提供3.8 V外接工作電源，所以需要經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換提供額定電壓。本文利用STM32主控制器最小系統(tǒng)板轉(zhuǎn)換后得到的5 V電源，再經(jīng)過(guò)如圖3所設(shè)計(jì)的電壓轉(zhuǎn)換電路得到3.8 V電源。轉(zhuǎn)換芯片采用的是MIC29302WU，輸出電壓穩(wěn)定，滿足無(wú)線模塊對(duì)電壓穩(wěn)定性的要求。

　　2.2 溫壓采集模塊電路設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)罩式爐溫度精確測(cè)量和控制，采用國(guó)產(chǎn)的溫控儀，型號(hào)為E300，帶數(shù)字顯示和按鍵參數(shù)設(shè)置功能，并且?guī)в卸喾N型號(hào)熱電偶溫度采集端口，同時(shí)具備驅(qū)動(dòng)多種加熱機(jī)構(gòu)輸出功能，其內(nèi)置的PID算法很好地滿足了對(duì)爐子的恒溫控制。在氣壓測(cè)量方面選擇星儀CYZ11型氣壓測(cè)量?jī)x表，該表具有數(shù)字氣壓顯示和串口通信功能，既可以支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)也可以現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字觀測(cè)。

　　溫度控制儀和氣壓測(cè)量?jī)x都支持RS 485通信端口。RS 485總線傳輸距離可達(dá)上千米，接口在總線上允許連接多達(dá)255個(gè)從站，即具有多從站功能，方便后期擴(kuò)展多個(gè)爐體溫壓數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。

　　為了使得與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證通信的兼容和穩(wěn)定，使用SP3485芯片對(duì)主控制器串口傳輸進(jìn)行轉(zhuǎn)換才可通信，設(shè)計(jì)如圖4所示的外圍硬件通信電路?，F(xiàn)場(chǎng)采用雙絞屏蔽電纜與系統(tǒng)板通信端口進(jìn)行連接。其中，RS 485A，RS 485B接溫度控制儀、氣壓測(cè)量?jī)x的通信端口。

　　2.3 無(wú)線通信傳輸模塊電路設(shè)計(jì)

　　為了將采集的溫度和氣壓數(shù)據(jù)向OneNet云平臺(tái)發(fā)送，硬件上選擇了由移遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的型號(hào)為EC20無(wú)線4G網(wǎng)絡(luò)通信模組。該模組支持內(nèi)置豐富的通信協(xié)議，自帶SIM卡槽和網(wǎng)絡(luò)天線，很方便與云平臺(tái)之間進(jìn)行4G網(wǎng)絡(luò)通信和與主控制器最小系統(tǒng)板的硬件組合。

　　使用具備4G網(wǎng)絡(luò)功能無(wú)線傳輸模塊，相比傳統(tǒng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸速度更快，數(shù)據(jù)容量大，通信費(fèi)用低，在復(fù)雜的環(huán)境下也有很好的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力等優(yōu)勢(shì)。同樣由于串口的兼容性問(wèn)題，本文通過(guò)MAX2232芯片，將主控制器和EC20模塊的串口全部轉(zhuǎn)換成RS 232進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)外圍電路如圖5所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)為 ARM公司的Keil μVision 5，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程序采用 C 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要由現(xiàn)場(chǎng)采集軟件的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。

　　3.1 溫壓采集程序設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)罩式爐的溫壓有效采集，本文選擇了均支持MODBUS_RTU協(xié)議的溫度控制儀和氣壓測(cè)量?jī)x，通信傳輸為異步方式。在主站和子站之間傳遞的每一數(shù)據(jù)幀都是11位的串行數(shù)據(jù)流，包括1位起始、8位數(shù)據(jù)、1位校驗(yàn)和1位停止[3?5]。MODBUS_RTU協(xié)議幀格式：第1位幀為地址碼，即需要訪問(wèn)的從設(shè)備地址;第2位幀為功能碼，即需要讀取或?qū)懭氲炔僮鞣绞? 第3，4位幀為主機(jī)欲訪問(wèn)從機(jī)設(shè)備的起始寄存器地址;第5，6位幀為要訪問(wèn)的寄存器個(gè)數(shù);最后兩位幀為CRC校驗(yàn)碼，如果CRC校驗(yàn)無(wú)誤，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。

　　為了讀取現(xiàn)場(chǎng)溫壓信息先訪問(wèn)相關(guān)的地址碼，然后寫入功能碼設(shè)置相關(guān)的寄存器，讀取相關(guān)寄存器的數(shù)據(jù)值。具體的溫壓采集信息幀協(xié)議格式參數(shù)如表1所示。

　　主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信，也可以廣播輪詢方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨(dú)通信時(shí)，需要從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)檢驗(yàn)程序是否有效，如果以廣播方式查詢的，則不需要做任何回應(yīng)。本文使用輪詢方式訪問(wèn)溫控儀和氣壓測(cè)量?jī)x。

　　采集溫度和氣壓數(shù)據(jù)的程序采用定時(shí)中斷方式不斷執(zhí)行循環(huán)采集程序，采集后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后放在程序的寄存器中等待讀取發(fā)送。溫壓采集和處理程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

　　3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設(shè)計(jì)

　　3.2.1 云平臺(tái)項(xiàng)目創(chuàng)建

　　OneNet是中國(guó)移動(dòng)公司開(kāi)發(fā)的免費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)云，平臺(tái)支持接入的公開(kāi)協(xié)議包括EDP，MQTT，HTTP，以及私有協(xié)議[6?8]。

　　本文選擇MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)協(xié)議接入。設(shè)備接入平臺(tái)前需要在官網(wǎng)完成注冊(cè)賬戶、新建項(xiàng)目、新增設(shè)備、新增數(shù)據(jù)流等步驟[9?10]。在此過(guò)程會(huì)生成設(shè)備ID、APIKEY設(shè)備接入鑰匙、產(chǎn)品ID、鑒權(quán)信息等信息，這些信息是建立云平臺(tái)通信的重要參數(shù)。最后在平臺(tái)提供的工具欄中拖動(dòng)儀表盤和曲線圖繪制監(jiān)測(cè)界面，等通信建立以后選擇數(shù)據(jù)流即可在線監(jiān)測(cè)溫壓數(shù)據(jù)，本文選擇的數(shù)據(jù)刷新時(shí)間為5 s，足以滿足監(jiān)測(cè)精度要求。

　　3.2.2 云平臺(tái)通信建立

　　STM32最小系統(tǒng)板控制器通過(guò)指令控制EC20模塊主要分兩部分： 第1部分是網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器的通信建立。系統(tǒng)上電后EC20模塊檢測(cè)SIM卡是否有效并開(kāi)始嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，在規(guī)定時(shí)間之內(nèi)未加入成功，則退出入網(wǎng)，重新嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，如4G網(wǎng)絡(luò)登錄成功，則按照OneNet平臺(tái)創(chuàng)建的設(shè)備ID與權(quán)鑒字符串等入口參數(shù)信息封成連接請(qǐng)求包，與平臺(tái)服務(wù)器連接，定義網(wǎng)絡(luò)和OneNet平臺(tái)接入?yún)?shù)的結(jié)構(gòu)體和連接函數(shù)，程序如下所示：

　　第2部分是數(shù)據(jù)發(fā)送。與平臺(tái)連接之后發(fā)送溫壓數(shù)據(jù)包，若發(fā)送不成功，返回重新對(duì)數(shù)據(jù)打包發(fā)送。整個(gè)溫壓數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

　　4 系統(tǒng)測(cè)試

　　系統(tǒng)上電端口初始化硬件監(jiān)測(cè)終端以后自動(dòng)加入4G網(wǎng)絡(luò)，向云平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)。通過(guò)登錄中國(guó)移動(dòng)的OneNet云平臺(tái)管理中心，進(jìn)入監(jiān)控界面可以通過(guò)儀表盤很清楚地觀察到爐內(nèi)的溫度和氣壓的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖8所示。為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差率，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)的記錄生成如表2所示的對(duì)比表，發(fā)現(xiàn)誤差率在5‰以內(nèi)，數(shù)據(jù)精確度滿足監(jiān)測(cè)要求。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　本文將STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)板結(jié)合罩式爐現(xiàn)場(chǎng)的溫度控制儀和氣壓測(cè)量?jī)x，進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)，成功地實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)的溫壓采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNet平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，節(jié)約了企業(yè)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)成本。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)架構(gòu)具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，為后續(xù)其他工業(yè)控制領(lǐng)域在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用提供了借鑒。

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