PE管道智慧焊接監測系統的設計

呂志剛，趙　鋒，王　鵬，郜　輝，張曉明

(1.西安工業大學電子信息工程學院,陜西 西安 710021； 2.西安塑龍熔接設備有限公司,陜西 西安 710043；3.陜西省特種設備檢驗檢測研究院，陜西 西安 710048)

0　引言

近年來，隨著“互聯網+”的發展，各傳統行業迫于市場壓力開始轉型[1]。PE管道焊接在我國的制造業發展中相對滯后，由于受人為因素的影響，焊接質量難以保證[2]。實現對焊接過程參數的實時智慧判斷，是提高焊接質量、構建智慧城市的重要保證[3]。

焊接人員、焊接地點、焊接參數是影響PE管道焊接質量的重要因素[4]。目前，國內PE管道焊接質量主要靠事后的人為判斷，與智慧城市的要求相去甚遠。為此，本文設計了一套基于“互聯網+”技術的PE管道智慧焊接監測系統。該系統可以實時上傳焊工身份、焊口位置、焊接過程參數，并在服務器端完成焊接質量的智慧判斷。通過責任到人，有利于提高焊接人員的質量意識；通過責任到地，有利于迅速糾正焊接現場的錯誤；通過責任有據，有利于完善懲罰制度。

1　系統工作原理

整個監控系統主要由焊接設備、智慧監控模塊、智慧監控中心等部分構成。

焊接人員通過指紋傳感器錄入指紋信息。只有備案過的焊接人員，才能接通焊接設備的電源，開始焊接工作。焊接結束后，焊接設備通過RS-232接口將焊接參數傳送給智慧監控模塊。智慧監控模塊將通過北斗衛星獲取的焊口定位信息，以及人員信息和焊接過程參數，由4G通信模塊上傳至智慧監控中心，或由藍牙上傳至移動終端。通過智慧監控中心或移動終端應用程序(application,APP)軟件，可完成焊接質量的判斷。

2　硬件設計

無線監控模塊硬件由CPU、指紋識別、U盤管理、無線通信、北斗、RS-232通信、藍牙通信、數據存儲、繼電器控制等模塊構成。硬件設計框圖如圖1所示。

圖1　硬件設計框圖Fig.1　Block diagram of hardware design

2.1　CPU模塊

在CPU外部擴展的主要模塊中，有5個模塊需要通過串口與CPU進行連接。因此，采用基于Cortex-M3內核的ARM7處理器STM32F103RCT6作為CPU模塊。

STM32F103RCT6采用LQFP64封裝，內部資源豐富：提供256 KB的超大容量FLASH，用于存儲應用程序。內部集成48 KB的靜態RAM，用于存儲中間變量；提供5個全雙工UART，支持JTAG和SWD調試；同時提供CAN、I2C、IrDA、LIN、SPI、UART/USART、USB等常用硬件接口[5]。

2.2　指紋識別模塊

通過指紋識別模塊，對焊工身份進行識別及獲取。只有指紋信息備案過的焊接人員，才可以進行焊接工作。該模塊由R305光學指紋讀頭構成。

R305指紋模塊采用高速數字信號處理器(digital signal processor,DSP)，外擴光學指紋傳感器，配以高性能指紋比對算法，結構簡單、性能穩定，具有指紋對比、指紋錄入、掉電存儲等功能[6]。同時，該模塊可以存儲980枚指紋信息，能夠滿足系統的要求。該模塊硬件設計簡單，+5 V供電，提供晶體管-晶體管(transistor tramsistor logic,TTL)邏輯電路的串口輸出TXD、RXD引腳，與STM32F103RCT6串口4的RXD、TXD相連接。

2.3　U盤管理模塊

由于焊接現場比較偏僻，焊機分布比較分散，難以通過上位機集中更新指紋信息。因此，通常將指紋信息存儲到U盤上，并將U盤攜帶至焊接現場。智慧監控模塊通過U盤管理模塊完成對指紋信息的更新。

采用CH376S專用芯片完成U盤管理模塊的設計[7]。CPU通過該模塊從U盤中讀取指紋信息，完成對系統指紋信息的更新。該模塊提供3種硬件通信接口：8位并口、串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)或者異步串口。考慮到CPU已用資源的情況，采用SPI完成該模塊的設計。U盤管理模塊原理如圖2所示。

圖2　U盤管理模塊原理圖Fig.2　Schematic diagram of USB disk management module

2.4　無線通信模塊

無線通信模塊原理如圖3所示。

圖3　無線通信模塊原理圖Fig.3　Schematic diagram of wireless communication module

智慧監控模塊通過無線通信模塊，實時將指紋信息、定位信息、焊接參數傳送至智慧監控中心，由后者完成對焊接質量的判斷及報警功能。

無線通信模塊采用支持3G/4G網絡的KS97模塊[8]。該模塊采用插針式結構與底板連接，服務器地址可以通過專用配置軟件進行設置。內置PPP/TCP/UDP/IP協議，具有防假死、體積小的特點，且能與CPU連接簡單。KS97的TX1與RX1分別與CPU模塊串口1的RXD與TXD相連。當服務器連接成功后，服務器狀態引腳(SEVER,SVR)會輸出高電平，發光二極管會點亮。

2.5　北斗定位模塊

隨著北斗導航系統的快速發展，該系統已實現了對我國及東南亞的全覆蓋，且定位精度越來越高。系統采用北斗定位模塊，獲取焊接現場的經緯度信息，為實現責任到地打下基礎。

本系統采用科微ATGM北斗模塊，支持BD、GPS的單系統定位和雙系統聯合定位，內置天線短路保護功能[9]，定位精度可達3～5 m，滿足設計要求。硬件設計簡單，通過TTL邏輯電平的串口接口RXD、TXD與CPU模塊串口2的TXD、RXD相連。北斗定位模塊原理如圖4所示。

圖4　北斗定位模塊原理圖Fig.4　Schematic diagram of BeiDou positioning module

2.6　RS-232/藍牙通信模塊

本系統需要擴展兩路RS-232接口。一路用于連接焊接設備，實現焊接參數的提??；一路用于連接藍牙模塊(BC-04模塊)，實現與手機APP的通信。前者是獲取焊接參數的通道，后者是對服務器故障時數據提取的有效補充。RS-232/藍牙通信模塊原理如圖5所示。

圖5　RS-232/藍牙通信模塊原理圖Fig.5　Schematic diagram of RS-232/Bluetooth Rcommunication module

該模塊由MAX232芯片構成。MAX232的T1out/R1in、T2out/R2in分別與CPU模塊串口3、串口5的TXD3/RXD3、TXD5/RXD5相連，MAX232的R1out/T1in、R2out/T2in分別外接焊接設備和藍牙模塊。

2.7　數據存儲模塊

當由于SIM卡欠費或服務器故障而導致數據無法上傳時，可以通過掉電可保存的數據存儲模塊，將該數據保存在智慧監控模塊中。當故障排除后，從存儲模塊中讀取失敗記錄，再上傳至智慧監控中心軟件。

本模塊由基于SPI總線的AT45DB161芯片構成。該芯片存儲控制空間為2 MB，共分為4 096頁，每頁528 B[10]。WP端接地，保證CPU模塊可以對該芯片進行讀寫操作。該芯片硬件設計簡單，可直接與CPU模塊提供的專用SPI總線引腳相連。數據存儲模塊原理如圖6所示。

圖6　數據存儲模塊原理圖Fig.6　Schematic diagram of data storage module

2.8　繼電器控制模塊

焊機設備的電源由智慧監控模塊控制，當焊接人員指紋信息驗證通過后，才接通焊接設備。這樣就可以保證，只有備案過的焊接人員，才能夠進行焊接作業。本模塊由達林頓管ULN2803和繼電器構成。

CPU的控制信號IC_RL通過達林頓管ULN2803后，在邏輯反向的同時，提高了輸出電壓，可直接與繼電器相連。繼電器的接通和與斷開，決定了焊接電源的接通與斷開。繼電器控制模塊原理如圖7所示。

圖7　繼電器控制模塊原理圖Fig.7　Schematic diagram of relay control module

3　軟件設計

本系統的軟件由智慧監控模塊軟件、智慧監控中心服務器軟件、手機APP軟件構成，可分別實現現場數據的上傳、接收與智慧判斷以及備份功能。各軟件相互協調工作，形成完整的監測系統軟件。

3.1　智慧監控模塊軟件

該模塊在微處理開發工具(microcntroller development kit,MDK)集成開發環境下，采用C語言程序設計，調用STM32庫函數完成底層驅動程序的編寫。在應用層程序設計中，采用模塊化設計，結合中斷、濾波技術，提高了系統的穩定性。智慧監控軟件完成了指紋數據的錄入、指紋信息的驗證及提取、焊機參數的采集、北斗定位信息的解析、數據無線傳輸的實現、失敗參數的存儲及重傳等功能。智慧監控模塊軟件流程圖如圖8所示。

圖8　智慧監控模塊軟件流程圖Fig.8　Software flowchart of smart monitoring module

3.2　智慧監控中心服務器軟件

智慧監控中心服務器軟件采用面向對象編程語言的JAVA語言，并結合Oracle數據庫及谷歌地圖完成設計。

采用SOCKET編程技術，建立服務器端的應用程序，在客戶端同時登陸時可保證通信的實效性；采用流行的Oracle數據庫管理海量數據，可保證數據的完整性、共享性和可靠性；通過調用谷歌地圖的應用程序編程接口(application programming,interface,API)函數，能在數字地圖上直觀顯示焊接現場的經緯度。服務器軟件根據PE管道焊接的國家標準，對上傳焊接數據進行智慧判斷，給出焊接質量的最終判斷，即對焊接失敗的焊口進行標注并實時報警。

3.3　手機APP軟件

使用面向對象編程語言的手機APP軟件主要實現兩個功能：對焊接的重要節點進行拍照取證，規范焊接流程；直接提取焊接參數，進行數據備份。同時，手機APP軟件可以將上述數據上傳至智慧監控服務器軟件。

采用JAVA語言完成手機APP軟件的設計，包括APP界面、焊接數據提取(藍牙通信)、拍照、數據存儲、數據傳輸等模塊的設計。該軟件是對智慧監控模塊軟件及智慧監控中心服務器軟件的有效補充。該軟件的拍照功能，解決了監控模塊無法對焊接重要節點進行拍照取證的問題；該軟件的焊接數據提取功能，解決了數據上傳失敗，無法進行備份及快速重傳的問題。

4　結束語

本文設計的智慧監測系統，通過智慧監控模塊、智慧監控中心軟件、手機APP軟件的相互配合，保證了PE管道焊接責任到人、責任到地、責任有據，提高了焊接人員的質量意識，并從管理機制上大大提高了焊接質量與焊接效率。在“互聯網+”快速發展的今天，將互聯網技術融入到傳統的PE管道焊接行業，對于智慧城市的建設發揮著重要的作用。該系統已經在沈陽、貴陽、北京等地得到了成功應用，具有良好的推廣前景。

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