劉飛飛 徐隆姬 馬禮然

摘? 要： 銅加工企業(yè)為了保證銅帶退火工藝要求，需要工人現場巡視爐內溫度和氣壓情況并做記錄。為了保證工人遠離危險作業(yè)環(huán)境設計了一套以STM32最小系統板為主控制器的遠程溫壓數據采集硬件終端和監(jiān)測系統。重點介紹了罩式爐的溫壓遠程監(jiān)測系統的組成、主要硬件電路設計及軟件設計。經過測試實現了在OneNet平臺上對罩式爐溫壓遠程的有效在線監(jiān)測。

關鍵詞： 銅加工罩式爐; 溫壓監(jiān)測; 遠程通信; 系統設計; 數據采集; 實時傳輸

中圖分類號： TN931+.3?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）14?0017?04

Design of remote temperature and pressure monitoring system for copper

processing bell?type furnace

LIU Feifei， XU Longji， MA Liran

（Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， China）

Abstract： In order to ensure the annealing process quality of copper strip， the copper processing enterprises need workers to inspect the temperature and air pressure in the furnace on site and make records. A remote temperature and pressure data acquisition hardware terminal and a monitoring system are designed to keep workers away from dangerous working conditions， which takes the STM32 minimum system board as the main controller. The composition， main hardware circuit design and software design of the temperature and pressure remote monitoring system for the bell?type furnace are introduced emphatically. In the system testing， the effective remote online monitoring of temperature and pressure inside bell?type furnace was realized on the OneNet platform.

Keywords： copper processing bell?type furnace; temperature and pressure monitoring; remote communication; system design; data acquisition; real?time transmission

0? 引? 言

我國銅加工企業(yè)為保證罩式爐生產安全和工藝要求， 必須對爐內的溫度和氣壓進行實時監(jiān)測， 控制其在合理范圍之內[1?2]。目前， 大部分企業(yè)安排工人在爐體旁巡視溫控儀和氣壓表的數據并記錄備案，但是爐體高溫對工人的健康影響很大，并且出現過爐內溫度壓力過高發(fā)生的生產事故。盡管有的企業(yè)通過現場總線的技術來解決遠程監(jiān)測問題，但是還需要通過設計專門監(jiān)測平臺和通信線路，因此成本高昂。對此，本文設計以STM32單片機最小系統板為主控制器的罩式爐遠程溫壓數據采集與發(fā)送監(jiān)測硬件終端?？梢缘顷懼袊苿庸鹃_放的OneNet云臺管理中心實現在任意的移動網絡終端在線監(jiān)測，從成本和實用性上有很大優(yōu)勢，提高了企業(yè)生產安全系數和生產效率。

1? 系統總體設計

系統主要以STM32最小系統板為主控制器通過調度各個其他功能模塊協調完成監(jiān)測數據的采集和發(fā)送處理。

首先溫度控制儀和氣壓測量儀將采集的數據傳輸給STM32處理器處理， 然后應用EC20無線模塊連接到4G網絡并且訪問OneNet云平臺并將數據上傳， 用戶可以通過PC或者移動客戶端訪問OneNet平臺上的系統網頁監(jiān)測界面進行實時查看。整個監(jiān)測系統結構如圖1所示。

2? 系統監(jiān)測硬件終端設計

本文進行數據采集處理使用的主控制器是STM32F103RBT6最小系統板，系統板自帶時鐘電路、復位電路，通過配上外圍測量設備和發(fā)送模塊構成系統監(jiān)測硬件終端。

該單片機是STM32系列單片機的增強型的32位，以ARM Cortex?M3為內核，時鐘頻率高達72 MHz，對數據的處理速度快，滿足數據采集和發(fā)送的實時性要求，具備大容量的SRAM和FLASH便于程序和數據的存儲，多達3個UART串口和幾十個I/O控制端口，豐富的外設接口方便與外部設備的通信和控制[1?2]。監(jiān)測終端整體硬件結構如圖2所示。

[溫度控制儀][氣壓測量儀儀][MCU

STM32F103RBT6][EC20無線模塊]

2.1? 無線通信模塊電源電路設計

STM32F103RBT6最小系統板設計自帶有額定輸入電壓DC 5～36 V轉5 V電路，其輸入電源由現場控制柜提供。由于EC20無線模塊需要提供3.8 V外接工作電源，所以需要經過電壓轉換提供額定電壓。本文利用STM32主控制器最小系統板轉換后得到的5 V電源，再經過如圖3所設計的電壓轉換電路得到3.8 V電源。轉換芯片采用的是MIC29302WU，輸出電壓穩(wěn)定，滿足無線模塊對電壓穩(wěn)定性的要求。

2.2? 溫壓采集模塊電路設計

為了實現對罩式爐溫度精確測量和控制，采用國產的溫控儀，型號為E300，帶數字顯示和按鍵參數設置功能，并且?guī)в卸喾N型號熱電偶溫度采集端口，同時具備驅動多種加熱機構輸出功能，其內置的PID算法很好地滿足了對爐子的恒溫控制。在氣壓測量方面選擇星儀CYZ11型氣壓測量儀表，該表具有數字氣壓顯示和串口通信功能，既可以支持遠程監(jiān)測也可以現場數字觀測。

溫度控制儀和氣壓測量儀都支持RS 485通信端口。RS 485總線傳輸距離可達上千米，接口在總線上允許連接多達255個從站，即具有多從站功能，方便后期擴展多個爐體溫壓數據的監(jiān)測。

為了使得與主控制器進行數據交換，保證通信的兼容和穩(wěn)定，使用SP3485芯片對主控制器串口傳輸進行轉換才可通信，設計如圖4所示的外圍硬件通信電路。現場采用雙絞屏蔽電纜與系統板通信端口進行連接。其中，RS 485A，RS 485B接溫度控制儀、氣壓測量儀的通信端口。

2.3? 無線通信傳輸模塊電路設計

為了將采集的溫度和氣壓數據向OneNet云平臺發(fā)送，硬件上選擇了由移遠公司生產的型號為EC20無線4G網絡通信模組。該模組支持內置豐富的通信協議，自帶SIM卡槽和網絡天線，很方便與云平臺之間進行4G網絡通信和與主控制器最小系統板的硬件組合。

使用具備4G網絡功能無線傳輸模塊，相比傳統的GPRS網絡傳輸速度更快，數據容量大，通信費用低，在復雜的環(huán)境下也有很好的實時響應能力等優(yōu)勢。同樣由于串口的兼容性問題，本文通過MAX2232芯片，將主控制器和EC20模塊的串口全部轉換成RS 232進行通信，設計外圍電路如圖5所示。

3? 系統軟件設計

軟件設計開發(fā)平臺為 ARM公司的Keil μVision 5，整個監(jiān)測系統的程序采用 C 語言編程實現。系統軟件的設計主要由現場采集軟件的設計和數據發(fā)送軟件設計兩部分組成。

3.1? 溫壓采集程序設計

為了實現罩式爐的溫壓有效采集，本文選擇了均支持MODBUS_RTU協議的溫度控制儀和氣壓測量儀，通信傳輸為異步方式。在主站和子站之間傳遞的每一數據幀都是11位的串行數據流，包括1位起始、8位數據、1位校驗和1位停止[3?5]。MODBUS_RTU協議幀格式：第1位幀為地址碼，即需要訪問的從設備地址;第2位幀為功能碼，即需要讀取或寫入等操作方式; 第3，4位幀為主機欲訪問從機設備的起始寄存器地址;第5，6位幀為要訪問的寄存器個數;最后兩位幀為CRC校驗碼，如果CRC校驗無誤，則執(zhí)行相應的任務。

為了讀取現場溫壓信息先訪問相關的地址碼，然后寫入功能碼設置相關的寄存器，讀取相關寄存器的數據值。具體的溫壓采集信息幀協議格式參數如表1所示。

主設備可單獨和從設備通信，也可以廣播輪詢方式和所有從設備通信。如果單獨通信時，需要從設備返回一消息作為回應檢驗程序是否有效，如果以廣播方式查詢的，則不需要做任何回應。本文使用輪詢方式訪問溫控儀和氣壓測量儀。

采集溫度和氣壓數據的程序采用定時中斷方式不斷執(zhí)行循環(huán)采集程序，采集后進行數據處理，然后放在程序的寄存器中等待讀取發(fā)送。溫壓采集和處理程序設計流程如圖6所示。

3.2? 數據發(fā)送軟件設計

3.2.1? 云平臺項目創(chuàng)建

OneNet是中國移動公司開發(fā)的免費物聯網云，平臺支持接入的公開協議包括EDP，MQTT，HTTP，以及私有協議[6?8]。

本文選擇MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協議接入。設備接入平臺前需要在官網完成注冊賬戶、新建項目、新增設備、新增數據流等步驟[9?10]。在此過程會生成設備ID、APIKEY設備接入鑰匙、產品ID、鑒權信息等信息，這些信息是建立云平臺通信的重要參數。最后在平臺提供的工具欄中拖動儀表盤和曲線圖繪制監(jiān)測界面，等通信建立以后選擇數據流即可在線監(jiān)測溫壓數據，本文選擇的數據刷新時間為5 s，足以滿足監(jiān)測精度要求。

3.2.2? 云平臺通信建立

STM32最小系統板控制器通過指令控制EC20模塊主要分兩部分： 第1部分是網絡和服務器的通信建立。系統上電后EC20模塊檢測SIM卡是否有效并開始嘗試加入網絡，在規(guī)定時間之內未加入成功，則退出入網，重新嘗試加入網絡，如4G網絡登錄成功，則按照OneNet平臺創(chuàng)建的設備ID與權鑒字符串等入口參數信息封成連接請求包，與平臺服務器連接，定義網絡和OneNet平臺接入參數的結構體和連接函數，程序如下所示：

typedef struct

{ char devID[15];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//設備ID

char apiKey[35];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //接入密匙

char proID[10];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //產品ID

char auif[50];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //鑒權信息

char ip[16];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //服務器IP地址

char port[8];? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //端口號

const unsigned char protocol;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//協議類型

unsigned char network ： 1;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//接入標志

}ONETNET_INFO;? ? ? ? ? ? ? ?//平臺登錄與接入參數結構體

NET_DEVICE_Init（oneNetInfo.protocol，oneNetInfo.ip，

oneNetInfo.port）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //平臺登錄函數

OneNet_DevLink（oneNetInfo.devID，oneNetInfo.proID，

oneNetInfo.auif）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? //平臺接入函數

第2部分是數據發(fā)送。與平臺連接之后發(fā)送溫壓數據包，若發(fā)送不成功，返回重新對數據打包發(fā)送。整個溫壓數據發(fā)送程序設計流程如圖7所示。

4? 系統測試

系統上電端口初始化硬件監(jiān)測終端以后自動加入4G網絡，向云平臺上傳數據。通過登錄中國移動的OneNet云平臺管理中心，進入監(jiān)控界面可以通過儀表盤很清楚地觀察到爐內的溫度和氣壓的實時數據，如圖8所示。為了驗證監(jiān)測數據的誤差率，通過對現場和監(jiān)測平臺數據的記錄生成如表2所示的對比表，發(fā)現誤差率在5‰以內，數據精確度滿足監(jiān)測要求。

圖8? 監(jiān)測系統界面

5? 結? 語

本文將STM32單片機最小系統板結合罩式爐現場的溫度控制儀和氣壓測量儀，進行硬件和軟件的設計，成功地實現了現場的溫壓采集，并將數據傳輸到OneNet平臺進行監(jiān)測，節(jié)約了企業(yè)的監(jiān)測平臺的開發(fā)成本。該系統的開發(fā)架構具有很強的實用價值，為后續(xù)其他工業(yè)控制領域在網絡技術的應用提供了借鑒。

參考文獻

[1] 唐時葵，章小峰.罩式爐保護氣同步回收技術與應用[J].熱處理技術與裝備，2017，38（4）：59?62.

[2] 韓玉龍，周樂育.罩式爐退火溫度對Nb?Ti復合IF鋼組織及性能的影響[J].金屬熱處理，2018，43（3）：171?176.

[3] 楊鋼.基于STC單片機與Modbus通信控制[J].電子科學技術，2017，4（3）：103?105.

[4] 趙陽光，魏霞.基于ModBus協議的遠程AI模塊的開發(fā)[J].現代電子技術，2019，42（6）：179?182.

[5] 王佩，陳金鷹，童焦龍.面向物聯網應用的嵌入式ModBus協議分析與實現[J].儀表技術與傳感器，2018（7）：102?106.

[6] 潘琢金，李冰，羅振，等.基于STM32的UART?WiFi模塊的設計與實現[J].制造業(yè)自動化，2015，37（7）：127?130.

[7] 張萍.基于ESP8266和OneNET云平臺的遠程報警系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2017，17（12）：64?67.

[8] 丁飛，吳飛，艾成萬，等.基于OneNET平臺的環(huán)境監(jiān)測系統設計與實現[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2018，38（4）：24?29.

[9] 陳寶遠，褚慶文，孫忠祥，等.一種基于OneNet設備云的智能硬件組網方法[J].哈爾濱理工大學學報，2017，22（5）：76?80.

[10] 龐培釗，吳夢嬌，陳馨，等.基于OneNet設備云的農業(yè)云監(jiān)控系統設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2019（2）：107?108.