PE燃氣管道焊接質量無線監控系統

呂志剛 ，郜 輝 ，王 鵬 ，史志軍

（1.西安工業大學 電子信息工程學院，西安 710032；2.西安工業大學 研究生院，西安 710032）

PE燃氣管道焊接質量無線監控系統

呂志剛1，郜 輝1，王 鵬1，史志軍2

（1.西安工業大學 電子信息工程學院，西安 710032；2.西安工業大學 研究生院，西安 710032）

該文所設計的無線監控系統，能夠將PE燃氣管道定位信息和焊接過程參數，通過4G網絡實時上傳至監控中心，用于實現對焊接質量的實時判斷。同時，該系統提供焊接數據的翻譯及在線打印功能，便于用戶的數據備案與管理。在完成STM32F103RCT6處理器最小系統的基礎上，外擴4G無線通信模塊、GPS定位模塊、存儲模塊、在線打印等模塊，保證了系統穩定運行，可實現與熱熔焊機、電熔焊機的無縫連接，且硬件連接簡單，已成功應用于燃氣輸送、給排水、油田化工等領域。

無線監控；PE燃氣管道；STM32；定位信息；焊接工藝參數

近年來，PE管道（聚乙烯管道）因其性能穩定、封閉性好、施工簡單等特點，在燃氣配送、給排水、石油化工等領域有著廣泛應用。在進行PE管道連接時，常使用電熔焊機或熱熔焊機來完成對接工作，焊接質量受人為因素影響較大[1]。如何保證PE管道的焊接質量，成為研究熱點。

目前，國內PE管道的焊接質量主要依靠焊機輸出的過程參數來進行判斷。焊接結束后，將過程參數進行打印或者U盤存儲后，交至管理者進行焊接質量的判斷。這種質量控制方式存在較大的延遲，不能進行實時的質量判斷，也無法快速定位質量有問題的焊口位置。

在此，設計了PE燃氣管道焊接質量無線監控系統。使用該系統，能夠在焊后將焊口位置、過程參數等信息立即傳送至服務器端，完成焊接質量的實時判斷及快速定位，這對于提高PE管道的焊接質量起到極大的促進作用，也是其創新之處。

1 系統工作原理

整個無線監控系統主要由電熔/熱熔焊機、無線監控模塊、監控中心等部分構成。

系統的工作原理如圖1所示。電熔/熱熔焊機是完成焊接工作的設備，焊機數據輸出端與無線監控模塊相連接。無線模塊負責獲取當前的GPS定位信息，將接收到的焊接過程參數，通過4G網絡無線傳輸至遠程監控管理中心。監控中心是焊接質量的決策者，一旦發現焊口的焊接質量不合格，能夠立即進行定位，并要求施工人員重新進行焊接或者將責任落實到具體人員，有效地提高了PE管道的焊接質量。

圖1 系統工作原理Fig.1 Working principle of system

2 硬件設計

無線監控模塊硬件由CPU模塊、4G無線通信模塊、GPS定位模塊、RS232通信模塊、數據存儲模塊、實時時鐘模塊、聲光報警模塊等構成，如圖2所示。

圖2 硬件結構Fig.2 Hardware block diagram

2.1 CPU模塊

作為核心部分，CPU采用了STM32F103RCT6高速微處理器。這是一款由意法半導體推出的基于Cortex-M3內核的16位增強型ARM7處理器。

STM32F103RCT6采用LQFP64封裝，內部集成64 KB的靜態RAM，內部256 KB的超大容量Flash存儲器系統，提供5個串口，支持JTAG和SWD調試，在手持設備、電機驅動、PC游戲外設和空調系統等領域有著廣泛的應用。

2.2 4G無線通信模塊

4G無線通信模塊由4G模塊S IM7100構成，不僅支持4G網絡，而且可以向下兼容3G/2G網絡，最大通信速率可達到上行速率50 Mb/s，下行速率100 Mb/s[2]。將現場的焊接過程參數和定位信息上傳到指定服務器端，實現焊接質量的實時監控。

在硬件設計方面，SIM7100的RXD和TXD分別與STM32串口1的TXD1和RXD1相連，完成數據的收發；SIM7100與SIM卡座之間通過DATA，RST，CLK相連；LED1和LED2為2個發光二極管，分別用作狀態指示燈和入網指示燈。其硬件設計如圖3所示。

圖3 4G無線通信模塊Fig.3 4G wireless communication module

2.3 GPS定位模塊

定位模塊如圖4所示，該部分由GPS導航定位模塊UBLOX的NEO-6M構成，提供焊接現場的經緯度信息，為實現不合格焊口的準確定位提供原始位置數據。

圖4 GPS定位模塊Fig.4 GPS positioning module

NEO-6M模塊硬件設計簡單，其串口收發管腳RXD和TXD分別直接與STM32串口2的TXD2和RXD2相連；RF_IN需要外接天線，在空曠地帶定位信號最佳。

2.4 RS232通信模塊

通信模塊如圖5所示，系統使用MAX202外擴2個RS232接口電路，實現接收焊機數據和得到焊接過程中的具體參數2個功能；外接打印機，實現焊接數據的本地翻譯及打印功能。

MAX202器件是專為RS232通信接口設計的收發器，發送器和接收器的數據傳輸速率達20 KB/s，提供2路RS232轉換，滿足系統要求。將STM32單片機的串口3和串口4，轉換成2路標準的RS232接口，RXD33和 TXD33與焊機連接，RXD44和TXD44與打印機連接。

圖5 RS232通信模塊Fig.5 RS232 communication module

2.5 數據存儲模塊

由于SIM卡欠費、4G信號弱、服務器崩潰等原因，導致數據上傳失敗時，就需要在本地存儲上傳失敗的記錄。待異常排除后，記錄能夠重新上傳。數據存儲模塊如圖6所示，該模塊由可編程閃速存儲器AT45DB161構成，存儲的數據斷電后不會丟失。

圖6 數據存儲模塊Fig.6 Data storage module

AT45DB161是一款基于SPI接口的Flash存儲器，共4096頁存儲單元，每頁存儲528 B信息，共計2 MB[3]。每條記錄按照2 KB計算，能夠存儲1000條失敗記錄。

2.6 實時時鐘模塊

實時時鐘模塊如圖7所示。該模塊由PCF8563構成，能夠為系統提供實時時間信息，例如給失敗記錄增加1個時間戳等。

圖7 實時時鐘模塊Fig.7 Real-time clock module

PCF8563是一款基于I2C接口的實時時鐘芯片，能夠提供年、月、日、時、分、秒等時間信息。另外，可以設置鬧鐘時間功能，鬧鐘時間到時INT引腳會輸出1個脈沖信號。

2.7 聲光報警模塊

當出現傳輸失敗、記錄超限、無法連接服務器等異常情況時，采用聲光報警，提醒操作人員及時處理。聲光報警模塊如圖8所示。

圖8 聲光報警模塊Fig.8 Alarm module

3 軟件設計

系統軟件包括：下位機軟件——STM32單片機端編程部分，負責采集、發送數據；上位機軟件——上位機服務器端編程部分，負責接收、管理、決策數據。

3.1 下位機軟件

使用C編程語言，在KEIL5集成開發環境下，完成STM32單片機的軟件設計。采用模塊化設計，結合中斷、濾波技術，提高了系統的穩定性，其主流程如圖9所示。

3.2 上位機軟件

使用JAVA開發環境，結合MYSQL數據庫和百度地圖，完成了基于B/S架構上位機監控中心軟件設計。

特別是應用百度地圖，使用戶可以從地圖服務和開發兩方面方便地進行地理信息系統的應用[4]。上位機目標定位界面如圖10所示。利用百度地圖，能夠將各焊口的位置顯示在數字地圖上，并標注不合格焊口的位置。本監控中心軟件功能強大、運行穩定、操作簡單。

4 結語

PE燃氣管道焊接質量無線監控系統，能夠實時采集焊接數據和GPS定位信息，并通過4G無線網絡上傳到監控中心。在監控中心，用戶可以根據焊接過程參數，完成焊接質量的判定；在GPS定位信息的協助下，能夠快速定位焊接不合格焊口的位置。目前，該系統已取得成功應用，為提高PE管的焊接質量，減少泄漏事故的發生，打下良好的基礎。

圖9 下位機軟件流程Fig.9 Flow chart of lower computer software

圖10 上位機目標定位界面Fig.10 Host computer target positioning interface

[1] 李劍春.PE燃氣管道焊接施工質量管理與控制策略探究[J].科技與創新，2016，3（15）：45-46.

[2] 伍耀常，趙利，王陽明.基于WIFI組網的通用智能車載終端設計[J].桂林電子科技大學學報，2016，36（5）：401-405.

[3] 呂志剛，王鵬，范曉光.基于ARM7處理器的車載式無線監控稱重儀設計[J].儀表技術與傳感器，2011，41（2）：35-37.

[4] 趙意鵬，趙河明，鄧星星，等.基于GPRS和百度地圖API的火災定位系統[J].自動化與儀表，2016，31（1）：26-29，47.

PE Gas Pipeline Welding Quality Wireless Monitoring System

LV Zhi-gang1，GAO Hui1，WANG Peng1，SHI Zhi-jun2
（1.School of Electronics and Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China；2.Graduate School，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China）

Wireless monitoring system can transmitted PE gas pipeline location information and welding process parameters to monitor center by 4G network real-time，from which the welding quality can be judged.Also，it provides translation and print function for the welding data，which is backed up and managed well.Based on the minimum system of STM32F103RCT6，4G wireless communication module，GPS position module，data storage module，online print module and other modules are designed to make it work stably.This system can be achieved with electro-fusion joining machine and heat-fusion joining machine seamless connection，and hardware connection is simple.It has been successfully used in gas pipe，water drainage，petrochemical operation and other fields.

wireless monitor；PE gas pipeline；STM32；location information；welding parameter

TP277；TE973.3

B

1001-9944（2017）08-0034-03

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.009

2017-03-06；

2017-04-20

西安市未央區科學技術局2017年科技計劃項目（產學研協同創新計劃）（201712）

呂志剛（1978—），男，碩士，副教授，研究方向為嵌入式、現場總線技術；郜輝（1992—），男，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統；王鵬（1978—），男，碩士，教授，研究方向為無線通信；史志軍（1979—），男，碩士，講師，研究方向為無線通信。