多通道工業設備遠程數據采集系統

王顯海,王 騰,徐輝霞,張科新,趙建輝,蔡文博

(1.常州信息職業技術學院電子工程學院,江蘇 常州 213164;2.常州市工業互聯網研究院有限公司,江蘇 常州 213164;3.常州天正信息科技有限公司,江蘇 常州 213164)

0 引言

人類社會已進入工業互聯網時代,這將是一個人與人、人與機器、機器與機器全面互聯的時代。 在全球范圍內,將有超過600 億臺機器設備要接入工業互聯網[1]。 然而工業數據采集面臨著數據采集數量不足、類型較少、功能單一、精度不高和定制化等突出問題。無論是跨國公司還是國內企業,都把數據采集體系建設作為工業互聯網平臺建設的基礎之一。 目前,數據采集設備大多以STM32 微處理器為控制核心或與現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)組合[2-4],并根據不同需求通過以太網、總線或ZigBee與上位機通信[5-7]。 在實際工業生產環境中,工業生產設備的安裝環境往往具有復雜性,布局有線通信的方式可能面臨一定的困難。 基于4G 通信的高速率和可靠性,本文提出一種以STM32 微處理器為控制核心的4G 網絡遠程多通道數據采集系統,可以方便地應用于工業生產現場。

1 系統架構

整個系統是一個基于 STM32F103 微處理器的工業數據多通道采集、處理、傳輸的智能系統,可用于工業設備遠程監控和維護等場景。 該系統作為物聯網的一個智能終端,可與物聯網運營平臺組成完整的設備數字化遠程運維系統。 系統集數據采集、存儲和通信功能于一體,主要由核心控制模塊、多通道數據采集模塊、4G 通信模塊、外部存儲模塊、工作狀態指示模塊和實時時鐘(real time clock,RTC)功能模塊組成。 核心控制模塊對5 路來自多通道數據采集模塊的數字量輸入信號進行采樣,然后通過4G 通信模塊將數據按私有協議組包上傳。 4G 通信模塊不僅傳輸5 路數字輸入量,還將上傳生產設備的編號、地理位置等其他信息。 數據上傳的機制為:當設備狀態發生改變時立即上傳,否則以固定的周期發送數據包。 當數據包未成功發送時,外部存儲模塊將此包數據存儲至外部FLASH 存儲模塊,待網絡正常后重新發送數據包。 工作狀態指示模塊主要反映系統工作的狀態。 RTC 功能模塊用于記錄并上傳系統實時時間和設備斷電時間。 系統硬件框架如圖1 所示。

圖1 系統硬件框架圖Fig.1 System hardware block diagram

2 硬件電路設計

2.1 核心控制模塊

系統核心控制模塊采用意法半導體公司的STM32F103RET6 芯片。 該芯片采用高性能的32 位ARM Cortex-M3 內核[8],通過應用內部鎖相環(phase locked loop,PLL),工作頻率最高可達72 MHz,內置512 KB 的閃存存儲器及64 KB 的SRAM。 豐富的存儲資源使得該系列的芯片基本不用外擴SRAM 就能完成普通的應用。 該芯片采用2.0～3.6 V 的低壓供電,降低了系統功耗,非常適合工業控制領域的應用[9]。

2.2 4G 通信模塊

系統采用基于4G 網絡的遠程數據采集模式。 固件采用片內緩存機制,可以有效地優化2G 網絡采集終端現有的丟包及信道堵塞等問題。 同時,固件增加了收發應答緩存機制。 若連續3 次無接收應答,則將此包數據存儲至外部存儲模塊的FLASH 中,待信號恢復后重新發送數據,保證數據的穩定傳輸,實現良好的通信可靠性,數據傳輸丟包率低至0.5%。 4G 通信模塊不僅傳輸5 路數字輸入量,還將生產設備的其他信息進行上傳。 例如,設備編號、數據采集時間戳、定位信息、歷史狀態參數、設備上電信息、異常數據包、最近斷電時間信息和SIM 卡的集成電路卡識別碼(integrate circuit card identity,ICCID)。

綜合實際應用考慮,系統采用合宙通信科技有限公司的4G 模塊Air720G 作為系統的通信模塊,并以接插件形式內置于主板上,保證模塊選用的靈活性。 4G通信模塊采用LTE 3GPP Rel.9 技術,支持最大下行速率150 Mbit/s 和最大上行速率50 Mbit/s,滿足本系統的應用需求。 Air720G 模塊能夠向下兼容現存的GSM/GPRS 網絡,以確保在缺乏 3G 和 4G 網絡的偏遠地區也能正常工作。 Air720G 內置豐富的網絡協議,集成了多個工業標準接口,并支持多種操作系統下的USB 驅動和軟件功能,極大地拓展了其在數據卡、路由器、安防等機器對機器(machine to machine,M2M)領域的應用范圍。

4G 通信模塊與主板的接口如圖2 所示。 其中,模塊開和復位控制連接主要用于控制4G 通信模塊的電源和復位;模塊喚醒控制連接用于通信模塊的喚醒功能;模塊狀態指示連接用于顯示通信模塊的工作狀態,包括4G 網絡狀態、4G 通信模塊工作狀態和4G 網絡連接狀態顯示;系統主板與4G 通信模塊之間的數據通信通過UART 進行;4G 通信核心模塊Air720G 的供電電壓為3.8 V,由VCC 控制信號控制5 V 降壓得到。由于射頻發射時會在短時間內有一個較大電流的突發脈沖,可能導致在此階段內供電電壓的跌落。 因此,該模塊的電源網絡必須具備嚴苛的濾波功能。 如圖3 所示,Air720G 的電源VCC_3.8 V 并聯了一個低等效串聯電阻(equivalent series resistance,ESR)為0. 7 Ω 的100 μF 的鉭電容,以及100 nF、33 pF、10 pF 的濾波電容(0603 封裝),確保在最大發射功率時的大電流下不會產生太大的電壓跌落。

圖2 4G 通信模塊與主板的接口圖Fig.2 Interface between 4G communication module and mainboard

圖3 模塊在4G 模式下發射時的電壓電流波形圖Fig.3 Voltage and current waveform diagram of the module when transmitting in 4G mode

Air720G 4G 通信模塊的電源濾波網絡如圖4所示。

圖4 Air720G 4G 通信模塊的電源濾波網絡Fig.4 Power filter network for Air720G 4G communication module

2.3 多通道數據采集模塊

數據采集電路(1 路)如圖5 所示。

圖5 數據采集電路(1 路)Fig.5 Data acquisition circuit(one channel)

多通道數據采集模塊由5 路數字量輸入信號采集電路構成,5 路數字量輸入信號采集電路的結構相同。可采集的信號包括被采集設備的待機信號、運行信號、報警信號,以及被采集設備的2 路節拍計數信號。 被采集設備的信號通過IN2 和COM 端輸入,并且不需要區分信號電源正負極性,具有良好的過流、過壓保護功能。 TVS4 為限壓型雙向瞬態抑制二極管,最大可承受的反向電壓為36 V,響應速度小于1 ns,具有很強的防浪涌性能。 輸入信號通過光耦U8傳遞到STM32F103微處理器進行數據處理。

2.4 RTC 功能模塊

系統增加實時時鐘機制,通過添加紐扣電池和RTC 功能,記錄系統實時時間,上傳數據采集的時間點,并記錄設備每次斷電時間,以生產數據的可追溯性。

2.5 外部存儲模塊

存儲器選用華邦電子(Winbond)的FLASH 芯片W25Q32JVSSIQ。 它的容量為32 MB,滿足數據包無法上傳時將其存入FLASH 芯片內的要求。 待網絡正常后重新傳輸數據包,為系統數據傳輸的穩定、可靠提供保障。 該類芯片提供的靈活性和性能遠遠超出普通的串行閃存器[10]。 該器件工作電壓為3.6 V,電流消耗低至4 mA,能在-40～+85 ℃下正常工作。 芯片支持50 Mbit/s 的連續數據傳輸率及超過 10 萬次數據讀寫操作,數據可保存20 年。 主控芯片STM32F103 與存儲芯片W25Q32 之間通過串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)總線進行通信。 STM32F103的串行寄存器通過PB12 端口向W25Q32 的/CS 端口送入低電平的芯片片選信號,通過串行寄存器通過PB15 向W25Q32 的SI 端口寫入指令,W25Q32 通過SO 端輸出相應的數據。 W25Q32 引腳功能如表1所示。

表1 W25Q32 引腳功能/Tab.1 Functions of W25Q32 pins

W25Q32 與STM32F103 接口的電路圖如圖6 所示。

圖6 W25Q32 與STM32 F103 接口的電路圖Fig.6 Circult diagram of interface between W25Q32 and STM32 F103

2.6 工作狀態指示模塊

為顯示系統的工作及網絡狀態,專門設計了4 個LED 燈,用于顯示系統的電源和工作狀態是否正常,以及4G 網絡的狀態和連接情況。 工作狀態指示模塊的電路如圖7 所示。

圖7 工作狀態指示模塊的電路圖Fig.7 Circuit diagram of working state indication module

系統工作正常時,D5常亮,D15閃爍,由STM32F103主控模塊通過SYS_RUN 信號進行控制。 系統工作異常時,D15常亮或常滅。 D16和D17用來反映4G 網絡的狀態和連接情況,由4G 通信模塊分別通過NET_STATUS 和 NET _ MODE 信 號 進 行 控 制。 同 時,STM32F103 主控芯片分別對這2 個信號進行取樣,并根據取樣的4G_NET 和4G_LINK 信號判斷當前網絡連接情況。 如果沒有網絡,直接將數據包緩存到外部存儲模塊的FLASH 芯片內;如果網絡連接正常,則發送數據包和離線時存儲在FLASH 中的數據。 工作狀態指示燈的功能說明如表2 所示。

表2 工作狀態指示燈的功能說明Tab.2 Function description of working state indictors

3 系統軟件設計

系統上電后首先進行初始化,對STM32F103、4G通信模塊、外部FLASH 模塊進行初始化設置。 系統程序根據是否已聯網分為兩條支路。 當網絡已連接時,系統檢測是否有離線數據包待傳輸:如果有,則發送離線緩存的數據;如沒有,則發送設備上電信息(設備位置、最近斷電時間信息、ICCID)。 然后,開始定時監測端口數據。 當系統未聯網時,系統直接定時檢測端口的輸入數據,并與上次數據進行比較。 如果2 次數據不相同,系統立即將本次檢測的數據打包后實時發送;如果2 次數據相同,系統對檢測數據進行記錄,記錄滿后按設定的時間間隔進行數據發送(例如,輸入信號狀態在3 min 內未改變時,發一包數據),并根據系統網絡連接的情況,將數據打包作為離線數據進行緩存,或將數據打包后實時發送。 最后,系統返回定時監測端口輸入數據階段,進行下一次端口數據檢測與比較。

工業設備遠程數據采集系統的主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Flowchart of main program

4 測試結果

本數據采集系統安裝于天正公司的客戶生產現場進行性能測試。 通過Web 測試網頁或設備助手APP應用,查看系統上傳的設備斷電時間、SIM 卡號、設備定位信息、設備編號、數據采集時間戳等信息;對15 臺生產設備連續測試56 h,總計收集數據包2 669 包;統計并分析設備狀態采集、狀態時長、數據丟包率等信息。 生產現場實際測試結果如表3 所示。 由表3 可知,系統工作正常且穩定。

表3 生產現場實際測試結果Tab.3 Actual test results on production site

將遠程數據采集系統接入工業互聯網平臺,對天正公司的客戶的50 多臺生產設備的生產參數進行實時數據采集。 企業或數據中心可以通過本系統遠程監控和采集設備開機率、開機數量、關機數量、設備總開機時間、預警設備、有故障的設備數量、需要保養的設備數量等參數,以便生產管理人員對生產過程進行有效管理,提高設備的運營效率。 應用結果表明,系統滿足設計要求。

5 結論

多通道工業設備遠程數據采集系統是一款以Cortex-M3 系列微處理器為核心的工業互聯網數據采集終端。 它集數據采集、存儲和通信功能于一體,支持5 路數字量輸入,能上傳設備定位等工業生產設備的參數信息,并且通信時延小、數據丟包率低。 該系統與互聯網運營平臺組成完整的設備數字化遠程運維系統,可靈活應用于工業生產現場,為設備制造商或運營商解決不同工業場景下的數據采集和傳輸的問題。