基于STM32的爐壁測溫物聯網系統設計

袁君奇，黎 鋼，向紫萱

（湖南瑞菱科技有限公司，湖南 湘潭 411101）

0 引 言

隨著我國高爐煉鐵設備的不斷完善與技術的不斷進步，高爐的經濟效益得到大幅提升。現代高爐不僅可以使生產效率和質量得到顯著提升，同時還有效推進了我國高爐煉鐵潔凈、高效、長壽、低能耗等綜合目標的實現。通過延長高爐壽命降低了生產成本，得到了國內外高爐煉鐵行業的高度認可[1]。

在高爐冶煉生產過程中，高爐爐缸和爐身冷卻壁保溫層長期處于一種慢性磨損、腐蝕和物料碰撞的狀態。可能使爐壁此部位保溫層逐漸變薄或破損，導致燒紅爐壁甚至發生重大安全事故。所以對爐壁溫度進行實時監控十分必要。

本系統以STM32L011K4T6芯片為控制核心，采用MAX6675與K型熱電偶作為溫度采集模塊，通信信號處理借助LoRa通信、RS 485通信、以太網通信實現。該溫度管理系統能夠方便地實現爐壁溫度管理數據的實時、在線采集，以及與以太網傳輸的功能，簡化了系統的安裝、調試、維護等過程。該系統適用于高爐、熱風爐、加熱爐等爐壁的測溫，具有數據無線傳輸、功耗低等特點[2-5]。

1 系統總體設計

爐壁溫度的自動采集主要由LoRa采集終端、LoRa無線網關和上位機溫度采集和顯示軟件組成。

LoRa采集終端：根據安裝區域，與K型熱電偶相連，負責接收K型熱電偶測量的溫度和發送的溫度數據，采集到的數據儲存在終端中。可以自行添加終端數量（最多60個）并通過LoRa模塊傳輸數據，等待網關輪詢，待收到網關的查詢命令后將測溫數據打包，無線傳輸給網關[6]。

LoRa無線網關和上位機溫度采集和顯示軟件：當上位機對網關發出采集命令時，網關對終端發出采集指令，終端將儲存的數據通過一定的格式傳回給網關，網關將這部分數據通過以太網傳到數據庫并應用于采集軟件和顯示軟件。顯示軟件可以實時顯示高爐爐壁各監測點的溫度數據及趨勢圖、雷達圖等，并且可對歷史數據進行查詢分析，當溫度過高或迅速上升到設定的報警閾值時，立即進行聲光報警，以保證高爐正常運行。系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計

2 系統底層硬件設計

2.1 LoRa采集終端

LoRa采集終端作為高爐爐壁測溫控制系統的重要組成部分，主要用于檢測和控制高爐爐壁的溫度，以保證高爐正常工作。數據采集終端主要由STM32L011K4T6單片機控制模塊、溫度與數據采集模塊、LoRa無線數據傳輸模塊、電源模塊組成。終端實物如圖2所示，其中單片機模塊采用STM32L011K4T6芯片；將K型熱電偶采集器件作為主要測溫采集元器件，與MAX6675芯片結合，作為溫度與數據采集模塊[7]；LoRa模塊主要由基于E22-400T22S的無線擴頻芯片構成；LoRa電源模塊主要采用工業鋰電池進行直流供電，功耗低，成本低，節約能源。

圖2 LoRa采集終端實物

2.2 LoRa無線網關

LoRa無線網關作為高爐爐壁測溫系統的重要組成部分，主要負責管理該網關構成的無線網絡區域終端，通過測溫計算機終端向傳感器發送測溫數據，并進行采集、處理、分析、儲存，之后通過以太網接口發送給網關。網關主要由電源模塊、單片機模塊、LoRa模塊、RS 485模塊構成。網關實物如圖3所示，底層硬件設計結構如圖4所示。

圖3 LoRa無線網關實物

圖4 底層硬件設計

2.3 STM32控制模塊

本系統的單片機模塊均采用ST公司出品的STM32L011x3/4系列超低功耗芯片，該公司核心架構芯片組選用基于ARM?Cortex?-M0+1 MHz內核的進階型超低頻率功耗核心單片機，自帶16 KB FLASH， 2 KB SRAM，512 B E2PROM，ADC等，工作電壓范圍為1.65～3.60 V，工作環境溫度范圍為-40～125 ℃。STM32L0系列超低功耗芯片與ARM內核連接，使得STM32L0系列芯片適用于電池供電，很大程度上降低了功耗。STM32L0微控制器包含動態電壓調節、超低功耗時鐘振蕩器等。自主式外設有效降低了CPU的喚醒率，減輕了ARM內核的負荷，對降低功耗和減少處理時間具有明顯作用。STM32芯片集成化高、體積小、使用方便，該芯片主要應用領域包括警報系統、燃氣/水表和工業傳感器、有線和無線傳感器、遠程控制等[8-9]。

3 系統軟件設計

3.1 總體軟件設計

本系統軟件由底層硬件程序、上位機采集軟件和顯示軟件組成，對系統進行軟件設計是實現高爐爐壁測溫系統的關鍵[10]。軟件總體流程如圖5所示。

圖5 系統總體軟件設計流程

3.2 LoRa采集終端軟件設計

無線測溫終端的軟件實現主要包括MAX6675數據采集軟件實現、無線通信、485通信及定時中斷的軟件實現，用以檢測高爐爐壁的溫度以及數據的無線傳輸。

LoRa終端上電后對硬件進行初始化，之后溫感元件開始檢測溫度并將溫度信號轉變為與之對應的毫伏信號，最終通過LoRa網關傳輸。采集好的溫度數據放入緩沖區，等待上位機查詢。當上位機發出采集命令后，終端休眠，停止采集數據，僅傳輸數據。網關輪詢終端，詢問結束后終端休眠，等待下一次采集。

3.3 LoRa無線網關軟件設計

無線網關負責接收終端發送的數據，并把接收到的數據通過以太網發送給上位機，無線數據采集網關的軟件設計過程包括初始化、判斷信息接收情況并做出響應、輪詢查詢數據并發送數據給上位機等。

4 系統運行結果

本系統對溫度數據的顯示和分析效果良好，可以用不同的圖反應高爐爐壁各部分的溫度情況，具體如圖6、圖7所示。

圖6 溫度數據柱狀圖

圖7 溫度數據折線圖

歷史查詢界面如圖8所示。當終端或網關出現問題時可以及時發現隱患，預防事故發生，避免造成重大損失。

圖8 歷史查詢界面

5 結 語

本文以LoRa無線傳輸技術在高爐爐壁測溫系統中的應用為背景，對高爐環境復雜等問題進行研究，對該系統的各部分模塊進行闡述，包括硬件部分（LoRa模塊、單片機模塊、RS 485模塊等）、軟件部分（無線數據采集終端軟件設計、無線數據采集網關軟件設計、采集與顯示軟件設計），同時還設計了適應現場復雜環境的無線網絡通信頻段、Modbus網絡通信協議等。最后對系統性能進行了可靠性測試，測試結果表明，本系統具有良好的性能，與傳統測溫方式相比更具優勢。