李東陽(yáng) 鄧?yán)棂i 胡德安 譚欽文

摘要：基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和MQTT（消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）通信協(xié)議技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套以 STM32F103VET6單片機(jī)為主控核心，以阿里云IoT Studio（物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)）網(wǎng)頁(yè)為監(jiān)測(cè)界面的電阻點(diǎn)焊數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電阻點(diǎn)焊過(guò)程的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和焊接電流、電極壓力曲線(xiàn)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩個(gè)部分，主要內(nèi)容包括傳感器、數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊、主控模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸丟包率低于1%，為物聯(lián)網(wǎng)化下的智能化焊接提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：電阻點(diǎn)焊;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);物聯(lián)網(wǎng); MQTT

中圖分類(lèi)號(hào)： TG438.2????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B文章編號(hào)：1001-2303（2022）02-0078-06

Design of Data Monitoring System for Resistance Spot Welding Based on Alibaba Cloud

LI Dongyang， DENG Lipeng， HU Dean， TAN Qinwen

School of Aeronautical Manufacturing Engineering， Nanchang Hangkong University， Nanchang 330063， China

Abstract： Based on the Alibaba Cloud Internet of Things platform and MQTT （Message Queue Telemetry Transmission） communication protocol technology， a set of resistance spot welding data with STM32F103VET6 microcontroller as the main control core and Alibaba Cloud IoT Studio （Internet of Things Application Development） webpage as the monitoring interface is designed The monitoring system realizes online monitoring of resistance spot welding process and remote real- time display of welding current and electrode pressure curve. The design of the monitoring system is divided into two parts： hardware and software. The main content includes sensors， data signal processing modules， main control modules， wireless transmission networks， and Alibaba Cloud Internet of Things platform. The actual measurement results show that the system can accurately realize remote real-time monitoring of welding data， with stable performance， and the data transmission packet loss rate is less than 1%， which provides technical support for intelligent welding under the Internet of Things.???????? Keywords： resistance spot welding; real-time monitoring; internet of Things; MQTT

引用格式：李東陽(yáng)，鄧?yán)棂i，胡德安，等.基于阿里云的電阻點(diǎn)焊數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2022，52（2）：78-83.

Citation：LIDongyang， DENG Lipeng， HU Dean， et al. Design of Data Monitoring System for Resistance Spot Welding Based on Alibaba Cloud[J]. Electric Welding Machine， 2022， 52（2）：78-83.

0? 前言

隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，極大提高了工業(yè)生產(chǎn)效率[1]。電阻點(diǎn)焊過(guò)程具有高度非線(xiàn)性、多變量耦合作用并伴隨著大量的隨機(jī)因素，因此在線(xiàn)監(jiān)測(cè)電阻點(diǎn)焊過(guò)程對(duì)提高焊點(diǎn)質(zhì)量有著重要意義[2-3]。由于傳統(tǒng)的焊接過(guò)程監(jiān)控不足、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)相對(duì)孤立，造成了巨大的人力物力浪費(fèi)[4]，因此建立了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的電阻點(diǎn)焊數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將各個(gè)點(diǎn)焊設(shè)備連接起來(lái)以達(dá)到集中監(jiān)測(cè)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)隨著制造業(yè)向精細(xì)化方向發(fā)展，對(duì)電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的要求也在不斷提高，電阻點(diǎn)焊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。管景凱[5]等人采用觸摸屏作為電阻點(diǎn)焊監(jiān)測(cè)儀的人機(jī)交互界面，并通過(guò) RS485串口完成單片機(jī)與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了電阻點(diǎn)焊的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和焊接過(guò)程分析。李偉[6]使用LabVIEW軟件編寫(xiě)了上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面程序和數(shù)據(jù)處理程序，能準(zhǔn)確獲取點(diǎn)焊過(guò)程的特征信號(hào)。蔡洪豐[7]采用外擴(kuò)RAM 的ATMEGA128單片機(jī)作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流和動(dòng)態(tài)電阻的準(zhǔn)確測(cè)量。Haghshenas[8]等人使用高速攝影儀對(duì)電極位移進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量的預(yù)測(cè)。Li[9]采用PLC高速采集卡和 AD轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流和電極間電壓的同步采集。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)化進(jìn)程的推進(jìn)，將云平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為一個(gè)趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)已有許多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了研究。李鑫磊[10]通過(guò)在云服務(wù)器上搭建MQTT服務(wù)器方法，實(shí)現(xiàn)了管道焊接的云監(jiān)控功能。路昊[11]利用單片機(jī)、低功耗無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)消防設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和報(bào)警。王曉蘭[12]等人基于CAN總線(xiàn)和ZigBee技術(shù)構(gòu)建了地下感測(cè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并通過(guò)3G/GPRS技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷。劉歡[13]等人采用邊緣-云架構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)核電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和智能診斷。本文在以上研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)與點(diǎn)焊監(jiān)測(cè)原理的分析，設(shè)計(jì)了一套基于云平臺(tái)的實(shí)時(shí)點(diǎn)焊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在焊接設(shè)備監(jiān)測(cè)與質(zhì)量管理中的優(yōu)越性。

1? 基于云平臺(tái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由焊接數(shù)據(jù)傳感器、數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊、主控模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)構(gòu)成。以上各模塊分別對(duì)應(yīng)著本系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

電流傳感器和電極壓力傳感器采集相應(yīng)的焊接數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊的積分、放大等電路處理后得到模擬信號(hào)，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送至主控芯片，主控芯片通過(guò)其內(nèi)部移植的FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)調(diào)取任務(wù)程序?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行有效值計(jì)算，并判斷是否超出設(shè)置的工藝范圍，然后將以上數(shù)據(jù)打包整理成標(biāo)準(zhǔn)的 MQTT報(bào)文格式，數(shù)據(jù)包經(jīng)WiFi模塊—無(wú)線(xiàn)路由器—互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)桨⒗镌茢?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，由阿里云 IoT Studio構(gòu)建的可視化應(yīng)用網(wǎng)頁(yè)從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中調(diào)取數(shù)據(jù)，向遠(yuǎn)程用戶(hù)呈現(xiàn)焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)，用戶(hù)也可以根據(jù)需要對(duì)焊機(jī)下發(fā)一些簡(jiǎn)單的控制指令。

2? 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? 主控模塊硬件電路設(shè)計(jì)

主控模塊是系統(tǒng)的控制核心，由于其需要對(duì)大量的焊接信號(hào)進(jìn)行處理和傳輸，因此采用以Cortex- M3為內(nèi)核的 STM32F103VET6單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制核心，該芯片具有高性能、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，其最高72 MHz 的工作頻率基本滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。主控模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主控模塊采用24 V直流電源進(jìn)行供電，通過(guò) LM2596和LM117模塊將電源電壓降到5 V和3.3 V，分別對(duì) USB 轉(zhuǎn)串口模塊和主控 MCU進(jìn)行供電。 SD 卡接口用于數(shù)據(jù)的外部存儲(chǔ)，USB 轉(zhuǎn)串口模塊用于系統(tǒng)的調(diào)試，與芯片 GPIO 相連接的按鍵和 LED 指示燈用于系統(tǒng)的復(fù)位和狀態(tài)顯示。主控板與路由器的無(wú)線(xiàn)傳輸是依靠以ESP8266為核心的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)，ESP8266是集成WiFi和32位Tensilica處理器的嵌入式WiFi模塊，具有性能穩(wěn)定、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。

2.2? 焊接數(shù)據(jù)信號(hào)處理電路

本系統(tǒng)需要對(duì)焊接電流和電極壓力兩個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行采集和處理。電流信號(hào)檢測(cè)易受到外界干擾，因此采用 Rogowski 線(xiàn)圈作為電流傳感器， Rogowski線(xiàn)圈輸出的信號(hào)經(jīng)積分電路積分后得到焊接電流，然后再經(jīng)過(guò)濾波、整流等電路傳到MUC的 ADC 模塊中。設(shè)計(jì)的電流信號(hào)積分電路采用 ICL7650作為運(yùn)放的核心，其具有增益高、失調(diào)小和漂移低等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿(mǎn)足積分電路高輸出阻抗、低輸入阻抗和高精度反饋的要求。

電極壓力傳感器采用的是壓阻式壓力傳感器，其輸出的電壓信號(hào)在70～350 mV范圍內(nèi)，本系統(tǒng)通過(guò)放大電路將其升至0～3.3 V供AD轉(zhuǎn)換模塊識(shí)別。

3? 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 軟件總體設(shè)計(jì)

通過(guò)STM32中移植的FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)程序進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接數(shù)據(jù)信號(hào)的處理及傳輸。系統(tǒng)主要有AD轉(zhuǎn)換及緩存、數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)、MQTT報(bào)文制定、消息訂閱與發(fā)布、MQTT報(bào)文解析、WiFi通信6個(gè)子任務(wù)程序，使用FreeRTOS的搶占式任務(wù)調(diào)度器來(lái)協(xié)調(diào)各子任務(wù)的運(yùn)行，軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。程序流程如圖4所示。

3.2 ??MQTT通訊協(xié)議制定

MQTT 是一套專(zhuān)門(mén)為物聯(lián)網(wǎng)定制的輕量級(jí)應(yīng)用層協(xié)議。MQTT有三種服務(wù)質(zhì)量等級(jí)，本系統(tǒng)選擇服務(wù)等級(jí)1“至少一次”，確保信息的準(zhǔn)確送達(dá)， MQTT總共有14個(gè)控制報(bào)文，其中最主要的幾個(gè)控制報(bào)文信息如表1所示。

控制報(bào)文的內(nèi)容由固定報(bào)頭、可變報(bào)頭和負(fù)載組成。CONNECT報(bào)文用于客戶(hù)端請(qǐng)求與服務(wù)端連接，由客戶(hù)端向服務(wù)端發(fā)送，CONNECT的固定報(bào)頭是固定的0x10加剩余長(zhǎng)度，可變報(bào)頭的內(nèi)容用于配置功能，如設(shè)置協(xié)議名、設(shè)置協(xié)議級(jí)別等，負(fù)載部分則是用于提交所要連接客服端的ID、用戶(hù)名和密碼等信息，以上的客戶(hù)端信息是根據(jù)阿里云中所建立設(shè)備的三元組構(gòu)建而成的，打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手發(fā)送 CONNECT 報(bào)文，服務(wù)器端會(huì)返回確認(rèn)連接報(bào)文：0x20020000，表示連接成功，圖5框中是CONNECT報(bào)文內(nèi)容。

通過(guò) SUBSCRIBE報(bào)文訂閱相關(guān)Topic后，便可以向服務(wù)器端發(fā)送PUBLISH 報(bào)文，PUBLISH 報(bào)文負(fù)載部分是焊接過(guò)程參數(shù)的標(biāo)識(shí)符和數(shù)值，參數(shù)的標(biāo)志符和數(shù)據(jù)類(lèi)型需要在阿里云平臺(tái)中進(jìn)行定義，將含有焊接過(guò)程數(shù)據(jù)的PUBLISH報(bào)文通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手發(fā)送到服務(wù)器時(shí)，會(huì)在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)備物模型中觀(guān)測(cè)到焊接過(guò)程數(shù)據(jù)，如圖6所示。在本系統(tǒng)中PUBLISH報(bào)文發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有焊接電流、電極壓力、報(bào)警數(shù)據(jù)、工件編號(hào)、設(shè)備信息、控制指令等。

3.3? 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)的應(yīng)用平臺(tái)。首先在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上建立相關(guān)的產(chǎn)品和設(shè)備以及所需的物模型，建立成功后生成的設(shè)備的三元組信息，在系統(tǒng)MQTT通訊協(xié)議程序中設(shè)置與之相同的三元組。然后在IoT Studio平臺(tái)上建立電腦端應(yīng)用網(wǎng)頁(yè)和移動(dòng)端應(yīng)用網(wǎng)頁(yè)，并關(guān)聯(lián)前面所建立的產(chǎn)品和設(shè)備，設(shè)計(jì)電腦端和移動(dòng)端監(jiān)測(cè)界面，布置頁(yè)面組件如按鈕、數(shù)據(jù)曲線(xiàn)等，并為其配置物模型中的數(shù)據(jù)源，電腦端和移動(dòng)端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面分別如圖7、圖8所示。

4? 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

點(diǎn)焊電源設(shè)備采用型號(hào)為IDW-8100的精密焊接電源，加壓設(shè)備采用型號(hào)為MSME022G1S的松下伺服電機(jī)。

（1）焊接過(guò)程中，將主控板的串口轉(zhuǎn)USB模塊連接到電腦的USB 口，焊接完一次后，主控板通過(guò)串口調(diào)試助手將緩存區(qū)中采集到的數(shù)據(jù)打印到電腦上，然后通過(guò)Origin軟件將該數(shù)據(jù)繪制成曲線(xiàn)，如圖9所示，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中物模型會(huì)將接收到數(shù)據(jù)以曲線(xiàn)的形式展現(xiàn)出來(lái)，如圖10所示。對(duì)比圖9、圖10，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)與主控板中采集到的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)一致，未出現(xiàn)失真現(xiàn)象。

（2）在單片機(jī)串口2波特率設(shè)置為115200且WiFi傳輸距離為30 m以?xún)?nèi)的情況下，焊接5次，每次上傳約2000組數(shù)據(jù)，對(duì)比主控板實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)和云平臺(tái)物模型數(shù)據(jù)，結(jié)果表明每次焊接平均丟包率低于1%，傳輸穩(wěn)定，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)傳輸要求。

5? 結(jié)論

本文給出了一種基于阿里云的電阻點(diǎn)焊監(jiān)測(cè)方案，滿(mǎn)足預(yù)期目標(biāo)：

（1）完成以STM32為核心的單片機(jī)外圍電路和焊接信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程信號(hào)的高頻采集和處理。

（2）在單片機(jī)中移植FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)各個(gè)子任務(wù)程序，完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸，為未來(lái)點(diǎn)焊車(chē)間的物聯(lián)網(wǎng)化監(jiān)測(cè)提供了軟件模型。

（3）通過(guò)登錄阿里云平臺(tái)電腦端和移動(dòng)端應(yīng)用網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，經(jīng)測(cè)試，實(shí)時(shí)曲線(xiàn)未出現(xiàn)失真現(xiàn)象，傳輸過(guò)程中丟包率低于1%，具有較高的穩(wěn)定性、良好的應(yīng)用前景和參考價(jià)值。

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