基于NB-IOT物聯網的數控機床電控系統設計與實現

曹世超

摘要：針對傳統數控機床實時監控能力有限的問題，本文提出并設計了一種新型的數控機床電控系統。該系統基于NB-IOT窄帶物聯網通信技術，以STM32為主控制器，提高了數控機床的工作效率和運維水平。

關鍵詞：NB-IOT物聯網;電控系統;數控機床

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0010-01

0 引言

我國目前處于工業化中期，工業的高速增長帶來了數控機床的旺盛需求，大多數電控系統采用傳統的GPRS、3G、4G等無線通信技術將數據上傳，較好的實現機床的遠程監控，但這些方式存在成本高、功耗大、容量小、頻率低等不足。隨著物聯網技術的不斷發展，將物聯網技術應用于智能數控機床，通過信息化手段提高機床產品的智能化水平，實現數控機床運行中全程可監控，便于機床的管理維護，同時能夠提高機床運行的整體性能及可靠性，最大程度減少損失[1]。本文提出一種基于NB-IOT（Narrow Band Internet of Things）新興無線通信技術的數控機床電控系統[2]。NB-IOT技術是專為物聯網設計的窄帶通信技術，工作帶寬為180 kHz，具有覆蓋廣、低功耗、信號強、低成本等優點，將數控機床的加工過程參數和影響運行可靠性的各種參數發送到數據信息平臺，實現遠程實時監控。

1 系統總體方案設計

基于NB-IOT物聯網的數控機床電控系統主要由傳感器模塊、數據采集模塊、NB-IOT網絡、Internet、數據信息平臺等幾部分構成。傳感器模塊負責機床運行工況參數的感知，數據采集模塊進行數據的處理與傳輸，Internet實現NB-IOT網絡和數據信息平臺的互聯。系統整體結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 NB-IOT模塊

采用NB-IOT物聯網技術實現數控機床與數據信息平臺之間的信息交互，數據的安全性和可靠性都有較大提高，且減少了許多不必要的干擾。NB-IOT技術具有：（1）海量連接和深度覆蓋的優勢，比現有無線技術提供50～100倍的接入數，比LTE提升20dB增益，覆蓋能力提高了100倍;（2）超低功耗，引入了超長DRX省電技術和PSM省電態模式，5Wh之內提供至少10年的支持，適用于不能經常更換電池的設備;（3）超低成本，基于LTE協議棧對終端和網絡進行功能精簡，實現低成本。

本系統選用的是中國移動物聯網的M5310-A型NB-IOT模塊。M5310-A 是一款工作在頻段Band3/Band5/Band8的工業級NB-IoT模組，采用LCC貼片式封裝，30個引腳，最大限度滿足終端設備對小尺寸模塊產品的需求。M5310-A 在支持eSIM和OneNET云平臺協議的基礎上，支持最新3GPP Release14標準，支持更高通信速率，支持基站定位。同時支持FOTA功能，方便進行遠程固件升級。M5310-A內嵌LwM2M/MQTT-SN/TCP/UDP/COAP等數據傳輸協議及擴展的AT命令。M5310-A模塊采用了低功耗技術，供電電壓3.6V，電流功耗在PSM模式下低至3uA。

2.2 微控制器模塊

本系統選用ST公司的STM32F103RBT6作為核心處理器，對機床傳感器采集的工況參數等數據進行實時處理，并以一定的幀格式通過NB-IOT模塊轉發至核心網，同時對本地顯示模塊、電源模塊進行有效控制。STM32系列是基于ARM Cortex-M3內核的32位處理器，該型號有64個引腳，CPU主頻最高速度達72 MHz，128KB的Flash存儲器，具有多種控制外設、USB全速接口和CAN，集高性能、實時功能、數字信號處理、低功耗與低電壓操作等特性于一體，同時還保持了集成度高和易于開發的特點。

3 系統軟件設計

主控程序首先對機床電控系統進行初始化，其中NB-IOT模塊進行聯網。數據采集模塊通過機床傳感器獲取機床運行工況參數，并按照自定義的幀格式將數據打包轉發，利用NB-IOT網絡經核心網將數據上傳至數據平臺。為保證無線通信的實時性和和準確性，在每一幀的通信數據中加入幀頭0xFF、幀尾0xEE和CRC校驗。數據包有效長度共10個字節，字節1是幀頭，字節2是機床編號，字節3是傳感器編號，字節4是數據幀長度，字節5-8是傳感器數據，字節9是校驗位。字節10是幀尾。平臺接收到數據后進行數據幀解析，如果數據有效則將數據存儲，如果數據無效則重新請求發送。系統運行流程如圖2所示。

4 結語

本系統在冀南某數控機床企業經測試運行效果良好，基于新興NB-IOT物聯網技術的數據傳輸安全高效地上傳至數據信息平臺，數控機床生產中的加工信息數據和實時運行狀況得到及時反饋，使得數控機床的智能化、自動化、信息化水平得到了很大的提高。

參考文獻

[1] 林景山.面向智能制造的數控機床互聯網技術研究[J].山東工業技術，2019（9）：171.

[2] 徐海.基于工業以太網的數控機床監控方法研究[J].機床與液壓，2018（14）：123-127.