王海峰

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅嘉峪關(guān)，735100）

0 引言

罩式爐安全生產(chǎn)工藝的研發(fā)，是我國(guó)銅加工企業(yè)提升生產(chǎn)水平的關(guān)鍵[1]。目前，大部分企業(yè)采用人工巡檢方式，記錄氣壓表和溫控儀數(shù)據(jù)，每間隔一段時(shí)間記錄一次數(shù)據(jù)，作為設(shè)備作業(yè)安全診斷參考依據(jù)[2]。這種診斷模式提供的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性較差，并且存在錯(cuò)誤記錄情況[3]。為了實(shí)時(shí)且精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)罩式爐作業(yè)狀況，本文嘗試提出一種溫壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇STM32作為核心控制器，借助EC20模塊，建立現(xiàn)場(chǎng)終端和無線網(wǎng)絡(luò)的通信連接，通過訪問OneNet云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)溫壓數(shù)據(jù)上傳[4]。其中，使用到的網(wǎng)絡(luò)基站為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件架構(gòu)主要是信息采集終端，以STM32單片機(jī)作為控制器，利用I/O端口，對(duì)溫度控制儀和氣壓測(cè)量?jī)x進(jìn)行有效控制，通過EC20無線模塊傳輸數(shù)據(jù)。所以，系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)主要由以上4部分組成。

2.2 銅加工罩式爐溫壓信息采集設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選取E300溫控儀、CYZ11氣壓測(cè)量?jī)x作為信息采集工具，前者通過RS485A建立通信連接，后者通過RS485B建立通信連接，設(shè)備硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)溫度信息采集電路

2.3 無線通信設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選取EC20無線通信模組作為開發(fā)工具，與4G/5G網(wǎng)絡(luò)建立通信連接。其中，與主控器的串口連接，利用MAX2232芯片實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換[5]。如圖3所示為無線通信電路。

圖3 系統(tǒng)無線通信電路

2.4 系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)

STM32核心控制器硬件電路中自帶電壓轉(zhuǎn)換電路，由控制柜供電，輸出電壓為5V。另外，EC20模塊的作業(yè)電壓與之不同，作業(yè)電壓為3.8V。所以，本系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)，利用MIC29300WU作為電源轉(zhuǎn)換裝置，滿足不同硬件供電需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 銅加工罩式爐溫壓信息采集設(shè)計(jì)

關(guān)于爐溫壓信息的采集，利用核心控制器STM32控制溫度控制儀、氣壓測(cè)量?jī)x，通過下達(dá)信息采集命令，從而實(shí)現(xiàn)信息采集。關(guān)于此部分功能軟件開發(fā)主要包括兩部分，分別是設(shè)備采集信息幀協(xié)議格式、信息采集與處理流程開發(fā)。

（1）采集信息幀協(xié)議格式

溫度控制儀，設(shè)置功能碼為0x03，設(shè)備地址0x01，設(shè)定兩個(gè)寄存器地址，均為0x00，第一個(gè)地址的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和CRC校驗(yàn)碼分別為0x00、0x84，第二個(gè)地址的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和CRC校驗(yàn)碼分別為0x02、0x0A。

氣壓測(cè)量?jī)x，設(shè)置功能碼為0x03，設(shè)備地址0x02，設(shè)定兩個(gè)寄存器地址，分別為0x00和0x02。其中，地址0x00的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和CRC校驗(yàn)碼分別為0x00、0x89，地址0x02的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和CRC校驗(yàn)碼分別為0x02、0x2C。

（2）信息采集與處理流程開發(fā)

本系統(tǒng)選取定時(shí)中斷方式控制系統(tǒng)作業(yè)程序，構(gòu)建服務(wù)函數(shù)，采集并識(shí)別信號(hào)，從而獲取溫壓數(shù)據(jù)。以下為該項(xiàng)功能的核心流程：

第一步：串口初始化；

第二步：等待信號(hào)；

第三步：判斷當(dāng)前服務(wù)模式，是否為信號(hào)采集服務(wù)模式，如果是該模式，則自動(dòng)跳轉(zhuǎn)下一步，反之，需要返回第二步；

第四步：構(gòu)造服務(wù)函數(shù)，向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令；

第五步：向采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求幀；

第六步：解析當(dāng)前數(shù)據(jù)信息幀；

第七步：判斷當(dāng)前解析操作是否有效，如果有效，則自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一步，反之，出錯(cuò)報(bào)警。

第八步：對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息采取相應(yīng)處理。

3.2 基于云平臺(tái)的數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)云平臺(tái)數(shù)據(jù)發(fā)送功能的開發(fā)建立在物聯(lián)網(wǎng)云基礎(chǔ)上，通過設(shè)置公開協(xié)議，為用戶提供數(shù)據(jù)發(fā)送服務(wù)。本系統(tǒng)開發(fā)選擇的通信協(xié)議為MQTT（Message Queuing Telemetry Transport），以云平臺(tái)通信參數(shù)設(shè)置，來限定用戶訪問端口和發(fā)送數(shù)據(jù)行為。按照操作先后順序，將數(shù)據(jù)發(fā)送拆分為兩個(gè)階段。第一階段為密匙接入與參數(shù)設(shè)置，即數(shù)據(jù)發(fā)送的準(zhǔn)備階段。需要用戶輸入與發(fā)送設(shè)備連接的密匙，而后設(shè)置服務(wù)器IP地址、端口號(hào)、鑒權(quán)信息等參數(shù)，而后創(chuàng)建平臺(tái)登陸函數(shù)、接入函數(shù)，為登陸與連接函數(shù)搭建結(jié)構(gòu)體系。第二階段為數(shù)據(jù)發(fā)送。該階段利用EC20模塊，創(chuàng)建4G/5G網(wǎng)絡(luò)通信連接，檢查通信連接是否成功，而后開始傳輸數(shù)據(jù)信息，以下為具體數(shù)據(jù)發(fā)送流程。

第一步：EC20模塊初始化，創(chuàng)建4G/5G網(wǎng)絡(luò)通信連接；

第二步：判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接是否正常，如果正常，則進(jìn)入第三步，反之，返回第一步；

第三步：連接服務(wù)器；

第四步：判斷當(dāng)前服務(wù)器連接是否正常，如果正常，則進(jìn)入第五步，反之，返回第三步；

第五步：發(fā)送數(shù)據(jù)包；

第六步：延時(shí)等待返回確認(rèn)包；

第七步：判斷當(dāng)前是否收到了確認(rèn)包，如果成功收到，則進(jìn)入第八步，反之，返回第五步；

第八步：判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送操作是否完畢，如果發(fā)送完畢，則進(jìn)入第九階段，反之，返回第五步；

第九步：斷開與服務(wù)器的訪問鏈接。

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

4.1 測(cè)試環(huán)境

本次測(cè)試按照系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)連接系統(tǒng)硬件設(shè)備，在OneNet云平臺(tái)環(huán)境中測(cè)試系統(tǒng)功能。檢驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)備連接無誤后，將硬件監(jiān)測(cè)設(shè)備與4G/5G網(wǎng)絡(luò)建立通信連接。在平臺(tái)監(jiān)測(cè)界面上觀察測(cè)試結(jié)果。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

當(dāng)前監(jiān)測(cè)界面顯示采集數(shù)據(jù)時(shí)間與實(shí)際采集數(shù)據(jù)之間差在1s之內(nèi)。為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面上顯示的數(shù)據(jù)是否可靠，本次測(cè)試將界面顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果誤差在1%內(nèi)，則認(rèn)為該系統(tǒng)可以作為溫壓監(jiān)測(cè)工具。如表1所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

表1中5組測(cè)試，氣壓和溫度測(cè)試結(jié)果誤差均在1%以內(nèi)。其中，氣壓最大誤差為2.87‰，溫度最大誤差為2.43‰。