基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機床監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李響　秦猛　張恒　王英　陳培鋒

摘 要：針對多路數(shù)控機床運行過程中難以實現(xiàn)實時監(jiān)測和自動報警問題，提出一種基于STM32和云平臺的同步監(jiān)測方法，并對狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件流程進行設(shè)計。利用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和MQTT即時通信協(xié)議連接云平臺，使用SIM800C通信模塊提供網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和云平臺的穩(wěn)定連接和監(jiān)測。該系統(tǒng)具有成本低、可二次開發(fā)、易維護等特點，可滿足多線路監(jiān)測、實時報警的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需求。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;STM32;數(shù)控機床;監(jiān)測系統(tǒng);實時報警;系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TP39;TN06-34文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-00-04

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早于1999年由美國麻省理工學(xué)院首次提出[1]。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是通過工業(yè)資源的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)相互操作，實現(xiàn)制造過程的合理優(yōu)化和制造環(huán)境的快速適應(yīng)，達到資源的高效利用，從而構(gòu)建服務(wù)驅(qū)動型的新工業(yè)生態(tài)體系[2]。

數(shù)控機床是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，它較好地解決了精密、復(fù)雜、小批量的零件加工問題，作為現(xiàn)代工業(yè)基石的機床產(chǎn)業(yè)，是衡量一個國家工業(yè)水平的重要參照[3-4]。數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)C床工作異常及時報警，可以有效避免機床故障的發(fā)生。目前，大部分監(jiān)測系統(tǒng)采用獨立組網(wǎng)的形式，造成了人力資源的大量浪費。本文基于NB-IoT和OneNET物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種新型數(shù)控機床遠程監(jiān)測系統(tǒng)，能實時監(jiān)測多路數(shù)控機床各關(guān)鍵位置的狀態(tài)信息，預(yù)測并及時報警，大幅提高了監(jiān)測管理效率，降低了安全隱患。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架

監(jiān)測系統(tǒng)的框架如圖1所示，按照物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)分為物聯(lián)感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸和IoT云平臺應(yīng)用層，系統(tǒng)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、顯示模塊、電源模塊、監(jiān)測平臺、Web客戶端和移動APP等組成。

第一層是物聯(lián)感知層，屬于系統(tǒng)邏輯架構(gòu)的底層，用于部署基礎(chǔ)硬件設(shè)施，包括溫度傳感器、位移傳感器、低功耗器件、電源、信號處理電路等。

第二層是網(wǎng)絡(luò)傳輸層，負責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制。溫度、位移等傳感器被觸發(fā)后會按照需求產(chǎn)生一定量的數(shù)據(jù)報警流，數(shù)據(jù)流通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交局筮B接至云平臺。

第三層是IoT云平臺應(yīng)用層，通過該平臺獲取物聯(lián)感知層的數(shù)據(jù)信息，并對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和存儲，當(dāng)超過報警閾值時，及時通知并報警。

1.2 系統(tǒng)概述

本監(jiān)測系統(tǒng)采用低功耗的STM32單片機作為控制單元，與多個激光位移傳感器和溫度傳感器組成監(jiān)測單元。單片機將相關(guān)傳感器信息通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，按照設(shè)定的傳輸協(xié)議（MQTT）定時上報到監(jiān)測平臺，Web客戶端和移動端APP向IoT云平臺請求獲取相關(guān)服務(wù)。當(dāng)探測器超過報警閾值時，通過SIM800C無線通信模塊以短信和電話方式通知用戶。

2 硬件選型

2.1 NB-IoT

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)是基于全新空口設(shè)計的、運行在授權(quán)頻譜上的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其帶寬為180 kHz，可靈活部署于帶寬超過180 kHz的GSM，UMTS和LTE的空閑頻帶中，從而降低部署成本[5]。NB-IoT具有大容量、高覆蓋、低功耗和低成本等優(yōu)點[6]。本監(jiān)測系統(tǒng)通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將各傳感器獲得的數(shù)控機床狀態(tài)運行信息傳送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，能耗較低，滿足多路連接要求。

NB-IoT模塊選用移遠通信的BC35-G通信模塊，模塊采用5 V供電，每間隔3 s向外發(fā)送一次信號。NB-IoT模塊通過UART接口接收主控模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其封裝成MQTT消息發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)云平臺。主控單元通過串口與BC35-G通信模塊相連，并通過NB-IoT模塊控制數(shù)據(jù)發(fā)送頻率;BC35-G通信模塊與云平臺相連，實現(xiàn)雙向傳輸。NB-IoT模塊接線端子如圖2所示。通過控制STM32的PB0口，可以實現(xiàn)BC35-G通信模塊的上電和斷電。當(dāng)拉高PB0口，BC35-G通信模塊上電;當(dāng)拉低PB0口，BC35-G模塊斷電。

2.2 STM32

STM32單片機基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARM Cortex-M內(nèi)核，比市場上同種類的單片機功能強大、使用簡單、開發(fā)方便[7]。本監(jiān)測系統(tǒng)采用STM32L476RCT6單片機，其具有功耗低、抗干擾能力強等特點。

STM32單片機硬件設(shè)計如圖3所示。STM32單片機通過串口連接采集模塊和通信模塊，收集機床工作狀態(tài)信息。同時通過I/O口連接ST7735S顯示模塊，實時顯示調(diào)試進程。利用單片機對采集到的數(shù)控機床關(guān)鍵部位溫度、位移等信息處理后，將數(shù)據(jù)通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上傳到云平臺。

2.3 SIM800C

SIM800C是一款四頻GSM/GPRS模塊，為城堡孔封裝，其性能穩(wěn)定、體積小巧、性價比高，供電電壓為5～20 V，工作頻率為GSM/GPRS850/900/1 800/1 900 MHz，可實現(xiàn)低功耗語音、SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸。SIM800C模塊上引出接口，包括VCC，GND，TXD，RXD。調(diào)試時采用AT指令設(shè)置通信參數(shù)，無線通信模塊的TXD和RXD端分別接STM32的RXD引腳和TXD引腳。

2.4 采集終端

采集終端的溫度傳感器使用DALLAS公司推出的DS18B20。DS18B20是一款可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，在本監(jiān)測系統(tǒng)中通過編程實現(xiàn)12位溫度讀數(shù)，其溫度分辨率為0.5 ℃。如圖4所示，溫度傳感器與STM32通過I/O口連接，最多可連接8個DS18B20溫度傳感器。

監(jiān)測系統(tǒng)對機床關(guān)鍵位置的振動通過位移傳感器采集，位移傳感器采用MyAntenna TW10S激光測距傳感器，與微控制器的連線如圖5所示。其中EN作為觸發(fā)信號，CLK和SDA為串行數(shù)據(jù)信號，MCU采用邊緣觸發(fā)中斷方式讀取SDA數(shù)據(jù)，傳感器采用兩線串行通信方式，固定32位數(shù)據(jù)輸出，高位在前MSB，包含測量距離信息或故障碼。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分的主要目的是應(yīng)用計算機編程語言設(shè)計應(yīng)用程序?qū)Ω黝愋盘栠M行采集、處理、傳輸和分析，最終實現(xiàn)對數(shù)控機床的在線監(jiān)測。本系統(tǒng)需要軟硬件協(xié)同工作，實現(xiàn)對機床關(guān)鍵位置的監(jiān)測，軟件程序編寫包括數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、實時監(jiān)測和報警模塊以及云平臺的連接。

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集終端的工作流程如圖6所示。DS18B20溫度傳感器共有6種信號類型，分別為復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1。6種信號中，除應(yīng)答脈沖外，都由主控制器發(fā)出同步信號，所有發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。數(shù)據(jù)采集過程如下。

（1）初始化：主機輸出低電平，并保持低電平750 μs，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。主機釋放總線，通過上拉電阻將單總線拉高，并延時15 μs，進入接收模式，等待采集終端回應(yīng)。

（2）寫時序：包括寫0時序和寫1時序。所有寫時序至少需要60 μs，且在2次獨立的寫時序之間至少需要1 μs的恢復(fù)時間，兩種寫時序均起始于主機拉低總線。寫1時序：主機輸出低電平，延時2 μs，釋放總線，最后延時60 μs;寫0時序：主機輸出低電平，延時60 μs，并釋放總線，最后延時2 μs。

（3）讀時序：在主機發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，立刻產(chǎn)生讀時序，從機傳輸數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)存儲在DS18B20的隨機存儲器中，二進制中的前5位是符號位，如果測得的溫度大于0，則這5位為0，將測到的數(shù)值乘以系數(shù)0.062 5得到實際溫度;如果溫度小于0，則符號位的5位為1，測得的數(shù)值需要取反加1再乘以系數(shù)0.062 5得到實際溫度。

3.2 NB模塊

STM32和BC35-G通信模塊之間通過AT指令交互，AT指令集是從終端設(shè)備或數(shù)據(jù)終端設(shè)備向終端適配器和數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備發(fā)送的[8]。在本文的監(jiān)測系統(tǒng)中，STM32使用串口通過AT命令控制BC35-G模塊，主程序工作流程如下：

（1）STM32初始化：對串口、LCD、蜂鳴器和與LED連接的硬件接口進行初始化，設(shè)置NB-IoT模塊上電后的LCD提示;

（2）STM32主動發(fā)起AT請求：命令以AT開頭，“＼r＼n”（回車換行）結(jié)尾，每發(fā)起一個請求需等待模塊響應(yīng)，響應(yīng)以“OK”或者“ERROR”結(jié)尾。如果是“OK”，表明命令已被正確執(zhí)行，如果是“ERROR”，表示請求的命令錯誤，未被正確執(zhí)行;

（3）NB-IoT模塊返回AT主動碼：NB模塊狀態(tài)改變時，從串口輸出狀態(tài)信息，包括SN序列號、CSQ信號強度和COPS運營商信息等;

（4）串口收到字符串，插入行后，讀取一行并對數(shù)據(jù)進行解析，考慮是否達到最大值500，如果達到則換行。

3.3 實時監(jiān)測和報警

系統(tǒng)通過SIM800C模塊實現(xiàn)實時監(jiān)測和報警，通過發(fā)送AT指令和編寫SIM800C程序?qū)崿F(xiàn)短信和電話報警功能。程序步驟如下：

（1）利用AT指令測試串口通信是否正常，用查詢命令檢測SIM卡、信號質(zhì)量、注冊網(wǎng)絡(luò)和GPRS通信;

（2）利用AT指令設(shè)置回顯，顯示被叫號碼，撥打被叫號碼，實現(xiàn)電話報警;

（3）利用AT指令設(shè)置文本模式，使用Unicode編碼將號碼和短信內(nèi)容轉(zhuǎn)換為Unicode字符串并發(fā)送，實現(xiàn)短信報警;

（4）編寫指令發(fā)送及接收函數(shù)：通過send_cmd函數(shù)控制發(fā)送AT指令，等待反饋。若返回指令得到有效數(shù)據(jù)，那么接收的數(shù)據(jù)將被保存在接收緩沖區(qū)中。當(dāng)接收到應(yīng)答后，判斷接收的字符串中是否含有需要的數(shù)據(jù);

（5）編寫中斷服務(wù)函數(shù)：每次接收數(shù)據(jù)后，將計數(shù)器清空，等待下一次接收，當(dāng)?shù)却龝r間超過10 ms時，在定時器中斷中標(biāo)記接收完成，外部函數(shù)讀取緩沖區(qū)值并判斷接收指令;

（6）利用自帶的字符串發(fā)送函數(shù)vsprintf，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.4 云平臺的連接

當(dāng)前針對小設(shè)備最有前景的兩種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議分別是MQTT協(xié)議和CoAP協(xié)議。

（1）CoAP協(xié)議基于UDP，是一個點對點協(xié)議，用于在客戶端與服務(wù)器之間傳輸狀態(tài)信息。

（2）MQTT協(xié)議基于TCP，是多個客戶端通過中央代理進行消息傳遞的多對多協(xié)議，相當(dāng)于消息傳遞的實時通信總線[9-10]。

針對本監(jiān)測系統(tǒng)實時報警和多路監(jiān)測的功能需求，物聯(lián)網(wǎng)云平臺和NB-IoT模塊之間基于MQTT協(xié)議通信。MQTT報文格式包括固定報頭、可變報頭和有效荷載（可變報頭和有效荷載在部分報文中沒有），固定報頭的格式如圖7所示。

利用MQTT協(xié)議連接OneNET云平臺，代碼編寫的主要內(nèi)容如下：

（1）編寫OneNet_DevLink函數(shù)，創(chuàng)建TCP連接，連接MQTT服務(wù)器;

（2）依次打包產(chǎn)品ID、鑒權(quán)信息和設(shè)備ID數(shù)據(jù)，發(fā)送至MQTT服務(wù)器;

（3）編寫NB_RxData解析函數(shù)，連接響應(yīng)，取服務(wù)器數(shù)

據(jù)，其中解析取決于第一個字節(jié)的高4位，若為“是”，則判斷第二個字節(jié)是否為“0”，若為“0”，則通過串口顯示連接成功;

（4）編寫MQTT_PKT_PUBLISH心跳包發(fā)布函數(shù)，在連接成功后，通過周期發(fā)送心跳包確認(rèn)連接;

（5）連接成功后，調(diào)用函數(shù)onenet_mqtt_publish_topic發(fā)布消息，消息組包的發(fā)送需內(nèi)部調(diào)用MQTT_PacketPublish函數(shù);

（6）調(diào)用函數(shù)onenet_mqtt_subscribe_topic訂閱主題，當(dāng)設(shè)備訂閱相關(guān)主題消息后，同一MQTT服務(wù)器下的其他設(shè)備發(fā)布相同主題的消息，由此訂閱相同主題的設(shè)備就能收到該消息，此外，內(nèi)部調(diào)用MQTT_PacketSubscribe函數(shù)來訂閱消息組包。

4 系統(tǒng)測試

在實驗室模擬環(huán)境中對機床工作溫度（-10～100 ℃）進行測試。在測試過程中，各模塊間通信正常，各路傳感器工作正常，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。如圖8所示，系統(tǒng)定時向云平臺發(fā)送傳感器信息，可通過監(jiān)測界面實時監(jiān)測。當(dāng)振動或溫度超過設(shè)定閾值時，通過電話和短信通知用戶，及時報警。

5 結(jié) 語

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了實時監(jiān)測、低成本和可二次開發(fā)的數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。通過設(shè)定報警閾值，利用GPRS遠程通信解決傳統(tǒng)數(shù)控機床監(jiān)測系統(tǒng)部署難的問題;同時，硬件系統(tǒng)設(shè)計中利用激光位移傳感器來探測數(shù)控機床關(guān)鍵位置的振動，最大限度降低探測器的硬件成本;支持主流物聯(lián)網(wǎng)MQTT通信協(xié)議，可實時在線監(jiān)測多路數(shù)控機床狀態(tài)信息。通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺，可在移動設(shè)備端和桌面端增強數(shù)據(jù)的可視化水平。當(dāng)系統(tǒng)報警時，能夠通過短信、電話通知用戶及時處理，使監(jiān)測系統(tǒng)報警更加智能化、人性化，具有較好的推廣價值。

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作者簡介：李 響（1996—），湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、激光技術(shù)。