基于物聯網的高溫燒結爐監控系統研究

鞠文清 陸欣云 張鳳 童金武 吳彬

摘? 要：高溫燒結爐被廣泛應用于材料、化工、制藥等諸多領域，在設置小型燒結爐的溫控曲線時，步驟煩瑣且無法獲知實際的運行曲線。為了確保燒結爐工作過程的安全與可靠，往往在工作現場還需要有人值守。為了降低人力成本，方便設置并監控燒結爐的運行，將物聯網技術引入高溫燒結爐，實現對多個運行設備的遠程監控，用戶通過手機就能實現遠程操控，便捷可靠，大大提高了工作的效率。

關鍵詞：高溫燒結爐;物聯網;溫控器;MQTT協議

中圖分類號：TP317.3? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）03-0169-05

Research on Monitoring System of High Temperature Sintering Furnace Based on IoT

JU Wenqing1， LU Xinyun1， ZHANG Feng2， TONG Jinwu1， WU Bin1

（1.Industrial Center， Nanjing Institute of Technology， Nanjing? 211167， China; 2.School of Mechanical Engineering， Jinken College of Technology， Nanjing? 211156， China）

Abstract： High temperature sintering furnace is widely used in materials， chemical industry， pharmacy and many other fields. When setting the temperature control curve of small sintering furnace， the steps are cumbersome and the actual operation curve can not be obtained. In order to ensure the safety and reliability of the working process of sintering furnace， it is often necessary to have someone on duty at the work site. In order to reduce the labor cost and facilitate the setting and monitoring of the operation of the sintering furnace， the Internet of Things technology is introduced into the high-temperature sintering furnace to realize the remote monitoring of multiple operating equipment. Users can realize remote control through mobile phones， which is convenient and reliable， and greatly improves the efficiency of work.

Keywords： high temperature sintering furnace; IoT; thermostat; MQTT protocol

0? 引? 言

在新材料、化工、制藥等諸多領域經常會用到高溫燒結爐。通常小型高溫燒結爐是通過溫控器面板上的4個小型輕觸按鍵來進行溫度曲線的設定，通過兩組3位的數碼管顯示當前值與設定值。這對于設定較為復雜的溫控曲線就會非常煩瑣。用戶進行了幾十次的按鍵輸入后設定的溫度曲線不能直觀呈現，對其設定曲線的正確與否很難確定，一旦在錯誤的設定情況下將實驗進行下去，會導致所有的實驗數據是無效的。而且在整個設置過程中，一旦某一步操作失誤，可能需要完全重新設定，使用過程中非常不方便。在溫度曲線設定結束后，執行加熱的過程中，實際加熱過程的溫度變化未能得到方便的記錄與存儲，用戶也搞不清楚實際溫度運行曲線與設定溫度曲線究竟有怎樣的差異，這對于實驗研究帶來許多問題。

近年來，物聯網（IoT）的普及導致了無處不在的應用并與我們的日常生活息息相關。將物聯網技術引入高溫燒結爐的控制將會解決傳統設備使用過程中存在的諸多問題。本文基于Wi-Fi通信模塊運用MQTT協議與阿里云服務器建立連接，設計并實現了一種新型的高溫燒結爐遠程監測系統，能通過手機端或PC機設置溫控曲線發送到遠端高溫燒結爐，并且可以實時監測當前爐溫及運行狀況，保存歷史數據在云端或本地計算機，這對爐子的控制以及加熱狀況的數據分析都帶來了極大的方便。

1? 系統總體方案

本系統采用雙向可控硅作為功率器件驅動電阻絲加熱，測溫元件采用熱電偶。選用配備有RS232串口的智能溫控器作為爐溫的控制部件，開發出基于Wi-Fi通信的無線網橋實現溫控器與MQTT服務器的數據交互。管理端采用基于Spring Cloud的SaaS型微服務腳手架，開發出監控燒結爐運行的應用軟件。整個系統的總體框架方案如圖1所示。

2? 硬件電路設計

系統中的無線網橋一方面實現通過串口通信的方式來控制溫控器的工作，讀取當前燒結爐的運行狀況以及溫控器的工作參數。另一方面，通過Wi-Fi模塊或者NB-IoT模塊使用MQTT協議與云服務器建立通信，將燒結爐及溫控器的各項數據傳送至服務器存儲、分析、提供給終端用戶通過PC機或手機進行分析監測。同樣，用戶也可以通過手機APP及PC機應用軟件對燒結爐進行控制。無線網橋內部模塊結構如圖2所示。

整個硬件電路部分主要包括微控制器單元、溫控器數據轉換接口、Wi-Fi通信模塊、與PC端通信電路、電源轉換電路五個部分構成。

3? 無線網橋與溫控器連接電路設計

無線網橋的主控芯片采用ST公司型號為STM32F103 C8T6 的MCU，該芯片主頻可達72 MHz;內部用于64 KB的Flash ROM以及20 KB的RAM;在2～3.6 V單一電壓供電下工作;具備3個USART接口，將USART3接口用作與溫控器進行通信，具體電路如圖3所示。

系統中需要通過Wi-Fi模塊實現溫控器與MQTT服務器的雙向數據交互，設計中選用安信可公司自主開發的一款高性價比Wi-Fi模組ESP8266，該模塊支持標準的IEEE802.11 b/g/n協議，內置完整的TCP/IP協議棧，完全符合設計的需求。ESP8266通過串口與MCU的USART2模塊相連，具體連接電路如圖4所示。

4? 系統軟件開發

本系統軟件開發包括無線網橋上運行的基于STM32微控制器的程序設計、基于Android Studio的手機端應用軟件設計以及Visual Studio的PC端應用軟件開發。

4.1? 無線網橋程序設計

4.1.1? 無線網橋與MQTT服務器之間建立連接

無線網橋是建立溫控器與MQTT服務器之間通信的橋梁。它一方面接收MQTT服務器給它的加熱爐溫控及參數設置指令，并將其轉換成溫控器能識別的數據流控制溫控器的運行。另一方面按照用戶需求定時獲取當前的爐溫等數據并將其傳送至服務器。

消息隊列遙測傳輸協議（Message Queuing Telemetry Transport， MQTT）是一種基于消息發布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通信協議。無線網橋通過MQTT協議與布置在阿里云端的服務器通信，在此之前ESP8266必須與外網連接的路由器建立TCP連接.對于任何一臺設備最初并不知道它所需連接路由器的SSID及密碼，因此，設計中可以先開啟ESP8266中所具備的SmartConfig智能配網功能，通過手機端開發的應用軟件以UDP的方式廣播當前所需連接路由器的SSID及密碼。待配網的設備掃描所有的可用無線信道，找到發送配網的報文，與路由器建立連接開始接收數據。配網成功之后可以通過AT+CWAUTOCONN=1指令，實現下一次上電自動連接路由器。

為了與路由器可靠通信，ESP8266需要被設置為station、單連接透傳模式，并且與遠端MQTT服務器建立TCP連接。無線網橋以客戶端的角色發送CONNECT控制報文請求連接服務器，請求消息中包含ClientID、心跳包時間、用戶名及密碼，若連接成功服務器會返回一個CONNACK報文至客戶端。

4.1.2? 無線網橋與控制終端的主題訂閱機制

在系統中無線網橋與控制終端（包括手機端或PC機）都是客戶端的角色，它們之間的數據通信采用消息發布/訂閱模式，用戶控制端發布的主題格式是/Server/Device ID，其中Server表示控制端發布的這個消息是要通過MQTT服務器轉發出去，DeviceID是需要訪問設備的ID號，每臺設備在出廠時被分配唯一的ID號并訂閱屬于本機ID號的消息，接受MQTT服務器對它的控制。

無線網橋端發布的主題格式是/Device Type/Device ID，其中Device Type表示網橋所連接設備的類型，Device ID是設備的ID號，網橋把設備的參數及狀態信息通過該主題發送至MQTT服務器，服務器自動將信息轉發給訂閱了該主題的相關控制終端。

通過MQTT協議的機制，控制終端訂閱多個設備所發布的主題可以實現對多臺設備的同時監控。同樣，一個加熱爐設備的主題被多個控制終端訪問也可以實現多點控制同一臺設備。真正實現物聯網系統中的多對多的控制模式。

4.1.3? 無線網橋與控制終端的數據交互

網橋與控制終端建立好網絡連接后，二者隨后的數據交互可以劃分為若干個階段，采用有限狀態機的方法確保兩端工作的時序高效運行。起始狀態網橋會主動訪問溫控器獲取當前爐溫作為設置加熱曲線的起始溫度，并將該數據通過MQTT服務器轉接給控制終端，控制終端設置好目標加熱曲線后及采樣時間間隔等參數后發送給無線網關，啟動加熱爐的運行，整個控制過程的時序如圖5所示。

設計中選用的AI-516PD2K5S溫控器使用異步串行通信接口，讀參數指令和寫參數指令都是8個字節，無線網橋對其進行控制時，無論是讀操作還是寫操作都會有一個10字節的返回值。例如，當要設置溫控器的給定值SV時，可以通過向控制接口發送以下格式的8個字節數據即可：地址代號+43H+要寫的參數代號+寫入數低字節+寫入數高字節+校驗碼。

當發送了0x86，0x86，0x43，0x00，0xE8，0x03，0x31，0x04的數據流就表示設定溫控器的給定值SV=100 ℃，隨后無線網橋會接收到0xDB 0x00 0x08 0x02 00 60 08 02 F1 64的比特流，表示當前溫控器測量出來的溫度是21.9 ℃。

無線網橋與MQTT服務器之間的數據交互采用數據格式（JavaScript Object Notation， JSON）。JSON是一種輕量級的數據交換格式，它采用完全獨立于語言的文本格式，這些特性使JSON成為理想的數據交換語言，易于人閱讀和編寫，同時也易于機器解析和生成。在設備獲取到燒結爐的初始溫度之后，會自動發送一條JSON數據流到服務器，數據流的格式為：

{“DeviceType”：“a”，“DeviceID”：“123456”，“DataType”：“B”，“Data”：32.1，“Count”：0}

上述字符串中：

DeviceType：a表示是高溫燒結爐。

DeviceID：123456表示該設備的唯一的ID號。

DataType：B表示這是爐子與云端鏈接上之后初始握手數據包。

Data：初始的握手數據包的數據載荷將會是爐子的初始溫度值。

Count：數據包計數器的值為0表示這是初始的握手數據包。

監控終端設置溫控曲線的JSON數據流根據加熱工作的模式分成兩類：一類是恒溫模式，適用于要求爐子直接加熱對象到某一固定溫度的場合。其數據流格式進行以下設置：{“DirectMode”：[{“temp”：600，“time”：0}]，”interval”：6，“taskId”：100086}

上述字符串中的第一個字符串表示命令要求是恒溫加熱模式，后面表示目標溫度是600 ℃，采樣周期是6 s。

如果是需要設置溫控曲線進行加熱，加熱模式需要設置為斜率模式，即”SlopeMode”，生成的數據流格式是：

{“SlopeMode”：[{“temp”：20， “time”：15}，{“temp”：260，“time”：10}，

{“temp”：260，“time”：20}，{“temp”：200，“time”：0}]，“interval”：6，“taskId”：100087}

該數據流表示對溫控器進行如圖7所示的溫控曲線的設置。

4.2? 手機端應用軟件程序設計

在Android Studio集成開發環境中開發了系統中的手機端應用軟件。高溫燒結爐監控軟件首先需要建立與路由器的連接，獲取連接Wi-Fi的名稱，然后需要在AndroidMainfest.xml文件中添加權限。

<uses-permission android：name=

“android.permission.ACCESS_NETWORK_STATE” />

<uses-permission android：name=

“android.permission.ACCESS_WIFI_STATE” />

應用軟件端與MQTT服務器建立連接后，在將接收到的JSON數據包信息圖形展示之前需要先對其進行解析。設計中采用是Google出品的JSON解析函數庫GSON，可以將JSON字符串反序列化為對應的Java對象，或者反過來將Java對象序列化為對應的字符串，免去了開發者手動通過JSONObject和JSONArray將JSON字段逐個進行解析的煩惱，也減少了出錯的可能性，增強了代碼的質量。使用GSON解析時候，對應的Java實體類無需要使用注解進行標記，支持任意復雜Java對象，包括沒有源代碼的對象。

在對溫控曲線進行設置時根據兩種加熱模式設計成如圖6所示的界面，界面中是采用斜率模式進行溫控曲線設置，生成的溫控曲線如圖7所示，通過按下開始運行按鈕，手機端將會發出“SlopeMode”模式下的JSON數據流控制燒結爐啟動運行。

5? 系統的測試

在實驗室中對高溫燒結爐的監控系統進行測試，在第一次的上電使用中，由于無線網關不知道連接外網的路由器的SSID和密碼，無線網橋上的蜂鳴器會鳴叫以提示用戶設備沒有連上網絡，此時可以通過手機端應用軟件上智能配網按鈕對其進行配網。設備連接成功后，通過手機設置成恒溫模式，目標溫度300 ℃，啟動加熱后得到的目標溫度與實際溫度的實時監控圖如圖8所示;從監控曲線可以發現爐子從室溫27 ℃加熱到300 ℃大約花費了750 s左右的時間，溫度上升的趨勢并不是一個斜率固定的直線。當爐溫升高到300 ℃，由于溫控器經過合適的自整定，有了比較匹配的PID參數，爐溫只有很小的超調量，并且能一直維系在300 ℃左右在微小的變化。

6? 結? 論

通過設計高溫燒結爐物聯網監控系統，實現了在阿里云物聯網平臺對燒結爐設備的運行監控。通過測試結果表明該系統既可以實現在手機端或PC端對加熱爐設置溫控曲線，也可以在無人值守的情況下實時監測爐子的運行數據，并且方便對爐子的實際工作數據進行存儲分析。工程中可以將這項技術應用到實驗室不同設備，從而實現智慧實驗室。

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作者簡介：鞠文清（2000.02—），女，漢族，河南信陽人，本科在讀，研究方向：計算機測控系統。