基于窄帶物聯網工業生產線溫度監測系統研究

吳飛燕

(江西師范高等專科學校物聯網學院,江西 鷹潭 335000)

在工業生產、科學研究和生活應用等領域中,用溫度來描述物體加熱和冷卻的程度[1]。溫度過高或過低都會影響產品的質量,甚至會導致產品報廢和設備損壞。因此實時溫度監控有助于及時檢查和保護受控對象,并且可以及時調節溫度。孫鵬[2]等人提出了一種基于無線傳感器網絡的軸承溫度監測系統的開發,該解決方案首先通過Zigbee 技術收集軸承溫度狀態信息,然后通過GPRS 技術將數據發送到遠程的控制平臺,實現對軸承溫度信息的智能化管理,但是這種方案組網方式復雜,部署成本高。張玉杰[3]等人提出了一種基于嵌入式Linux 的工業溫度監控系統的設計,該系統的工業溫度監控設備使用Internet技術實現信息互聯互通,并且用戶可以通過網絡實現遠程監測。但該設計功耗高、穩定性較差。

針對上述問題,本文提出了一種基于NB-IOT 的工業生產線溫度監測系統的解決方案。該系統的優點不僅是軟件設計簡單靈活,而且成本低、能低耗、抗干擾性好。另外,個人手機實時接收生產線溫度,監控流水線溫度是否異常,保證器件加工的可靠性。

1 系統架構

工業生產線溫度監測系統的框架結構如圖1 所示,主要由五個部分組成：感知層、網絡層、平臺層、業務層和應用層[4]。

圖1 系統架構

第一層是感知層,主要執行從傳感器節點收集數據、數據上報以及執行平臺發出的命令的功能；第二層是網絡層,包括基站和核心網,完成上下兩層信息傳輸、擁塞控制、流量調度等功能；第三層是平臺層,用于用戶設備接入管理、設備管理、業務使能、大數據分析以及智能推薦,本設計使用華為OceanConnect 物聯網平臺；第四層是業務層,處理業務邏輯,整合資源；第五層是應用層,用于實時顯示數據和發布命令。

基于REST 架構的CoAP 協議用于終端和OceanConnect 平臺之間的通信[5]。基于超文本傳輸協議(HTTP) 用于OceanConnect 物聯網平臺與物聯網后臺之間的通信。

2 BC35G 模塊設計

系統使用BC35G 模塊用于NB-IOT 無線通信,其設計方面與GSM/GPRS 系列M95 模塊兼容[6]。工作電壓范圍為VBRT =3.1-4.2 V,典型值為3.6V。當BC35G 芯片的NETLIGHT 控制引腳為高電平時,網絡正常運行；當為低電平時,網絡不能正常運行。BC35G 模塊通過TXD/RXD 發送和接收數據,并通過存儲在標準SIM 卡插槽中的移動卡將接收到的數據發送到OceanConnect。同時OceanConnect 平臺可以接收APP 發送的指令并執行相應的操作。BC35G 模塊的工作電路包括：天線模塊,標準SIM卡插槽模塊,串行調試模塊和復位模塊等。具體電路如圖2 所示。

3 NB-IOT 模塊入網設計

NB-IOT 模塊入網有以下兩個步驟：

(1)給模塊上電,調用BC35G_PWR_H 函數,如果模塊故障則可以重新上電,模塊上電后等待初始化8s。

(2)當模塊完成上電后,開始進行AT 指令的設置,共需設置11 個AT 指令,每個指令發送之間間隔一定的等待時間(比如settime = 300ms),當settime=0 時才開始發送AT 指令。NB-IOT 模塊入網有以下11 個步驟：

①執行“AT”指令,檢查串口通訊。

②執行“AT+CIMI”指令,獲取SIM IEMT 號,確保SIM 物理連接正常。

③執行“AT+CMEE=1”指令,使能打印錯誤消息。

④執行“AT+NNMI=1”指令,設置NB-IOT 模塊收到消息時顯示收到消息和數據。

⑤執行“AT+CGSN=1”指令,獲取模塊IEMI 號。

⑥執行“AT+CSQ”指令,獲取信號強度指示。

圖2 BC35G 模塊

⑦執行“AT+NCDP=IP,PORT”指令,設置設備對接IOT 平臺的IP 地址和端口號。該系統對接IP 地址為：117.78.42.93,端口號為：5683。

⑧執行“AT+CEREG=1”指令,注冊ESP 網絡。

⑨執行“AT+CGATT=1”指令,附著到運營商NB-IOT 網絡到基站。

⑩執行“AT+CGPADDR”指令,獲取模塊返回的IP 地址。

4 系統數據流轉設計

傳感器收集來自工業生產線設備數據,并將溫度數據發送給總線,主控制芯片讀取該信息,將數據內部轉換并封裝為AT 指令,然后通過串口將AT 指令發送給NB-IOT 無線通信模塊。NB-IOT 無線通信模塊收到AT 指令后,會自動將數據封裝為CoAP 協議消息,并發送給配 置 好 的 OceanConnect 平 臺 。OceanConnect 平臺收到數據后,根據工業生產線設備profile 文件,找到匹配的編解碼插件,將CoAP 協議轉換成與工業生產線設備profile 中匹配的JSON(JavaScript Object Notation)數據,同時將數據推送至物聯網后臺。最后,關注微信公眾號中的掌上實訓平臺通過數據查詢接口(RESTful)獲取物聯網后臺的數據。

5 系統測試

OLED 顯示效果如圖3 所示。綁定設備,點擊提交后,頁面下方會出現對應的場景,點擊“查看數據”,如圖4 所示。

圖3 OLED 顯示效果

圖4 掌上平臺效果

6 結論

本文采用基于NB-IOT 技術設計的工業產線溫度監測系統,很好的解決了廣域物聯網在產線溫度監控系統中存在的成本高,功耗高、穩定性差等問題,實現了對產線溫度的智能化管理,具有很好的應用價值和推廣前景。