0 引言

    大型高爐出鐵量大，冶金生產(chǎn)環(huán)境惡劣，導(dǎo)致鐵水溝侵蝕日益嚴(yán)重，需人工定期對冶金溝道部分進(jìn)行溫測，其準(zhǔn)確度不高，生產(chǎn)成本高，安全保障低^[1]。為了能夠?qū)Ω郀t冶金溝道進(jìn)行全方位測溫，掌握鐵水溝道的溫度和腐蝕情況，利用RS485主從通信方式進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。RS485能提供穩(wěn)定、即時、可靠的數(shù)據(jù)通信，然而RS485總線有自身局限性，如通信速率制約通信距離，隨著距離的增加，會使數(shù)據(jù)丟包率增加，傳輸速率下降，從而出現(xiàn)嚴(yán)重的多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

    基于蜂窩的NB-IoT是針對物聯(lián)網(wǎng)需求設(shè)計的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT具有低成本、覆蓋廣和無線傳輸?shù)膬?yōu)勢，其在萬物互聯(lián)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。NB-IoT模塊匯集現(xiàn)場RS485總線多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)。

    綜上所述，本文以STM32為核心，結(jié)合Modbus和NB-IoT無線通信優(yōu)勢，設(shè)計一種NB-IoT冶金節(jié)點(diǎn)溫度采集與遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，解決高爐冶金溝道測溫節(jié)點(diǎn)分布廣、監(jiān)控計算機(jī)距離遠(yuǎn)、現(xiàn)場監(jiān)測高爐高熱環(huán)境成本高、生產(chǎn)安全保障低等問題，實(shí)現(xiàn)對高爐生產(chǎn)階段進(jìn)行有效運(yùn)行監(jiān)測與優(yōu)化。

1 系統(tǒng)設(shè)計

    本文提出一種NB-IoT冶金節(jié)點(diǎn)溫度采集與遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，該監(jiān)測系統(tǒng)主要由基于AD8495的K型熱電偶傳感器溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、基于Modbus和ADS1256的STM32F103C8T6主控機(jī)、基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸^[2-4]、PC上位機(jī)組成。高爐系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如圖1，多個K型熱電偶傳感器置于高爐冶金溝道中，多個熱電偶傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)單向傳送到STM32節(jié)點(diǎn)中經(jīng)AD8495進(jìn)行冷端補(bǔ)償與線性化算法處理，多個STM32節(jié)點(diǎn)通過RS485總線與STM32主控機(jī)進(jìn)行通信，主控機(jī)通過WH-NB74芯片與PC終端實(shí)現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信 。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 基于AD8495的K型熱電偶溫度采集電路

    AD8495提供內(nèi)部冷端補(bǔ)償，其高CRMM抑制性對熱電偶線或延長線引入的共模噪聲具有很好的抑制能力^[5]。熱電偶輸出端與AD8495差分輸入端IN相接，溫度數(shù)據(jù)通過差分電路的固定增益122.4實(shí)現(xiàn)熱電偶的微弱電信號放大。采用低通濾波器消除K型熱電偶RF信號影響。布線時，AD8495靠近K型熱電偶冷端，盡可能減小冷端溫度誤差，進(jìn)一步提高溫度采集準(zhǔn)確度?；贏D8495的溫度采集電路如圖2所示。

2.2 基于ADS1256的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

    ADS1256的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計包括參考電壓電路與AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、STM32與外部接口通信電路設(shè)計等。參考電壓電路與AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計采用24位高精度同步采樣的AD轉(zhuǎn)換芯片ADS12568，實(shí)現(xiàn)八通道低噪聲、多通道數(shù)據(jù)采集。STM32與外部接口通信電路設(shè)計利用STM32芯片的SPI、RS485和USART數(shù)據(jù)通信。

2.3 基于WH-NB73 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

    WH-NB73 4G通信電路原理如圖3所示。DC 3.8 V供電時，UART0與MCU收發(fā)引腳需要進(jìn)行電平匹配電路處理VCC_IO電壓。外放天線、SIM接口和USB接口電路設(shè)計均采用ESD保護(hù)，保證信號完整性。NB-IoT 4G通信模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，WH-NB73通信模塊通過UART串口端口與主控機(jī)STM32實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，同步通過USB連接本地PC。該模塊支持3G和2G接入，具有低功耗、低成本、高可靠性的優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 熱電偶的線性化算法及報警

    STM32通過ADS1256芯片完成AD高精度轉(zhuǎn)換，同步實(shí)現(xiàn)K型熱電偶的線性化處理，提高熱電偶測溫精度。直接查表法和數(shù)據(jù)壓縮法將標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)修正參考表存放到單片機(jī)的有限ROM資源中，在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的代價較高。本文具體線性化算法選擇直線擬合，既能節(jié)省有限資源又能提高測量精度^[6]，熱電偶線性化及報警的軟件設(shè)計如圖5所示。

3.2 基于MODBUS的數(shù)據(jù)傳輸

    節(jié)點(diǎn)從機(jī)在完成初始化以及周期性數(shù)據(jù)采集任務(wù)后，其他時間均控制其RS485接口處于等待接收狀態(tài)，采用串口中斷接收數(shù)據(jù)幀，解析首數(shù)據(jù)幀，調(diào)用處理函數(shù)檢查該數(shù)據(jù)地址判斷是否應(yīng)答，若從機(jī)地址正確，則應(yīng)答完成CRC校驗(yàn)并根據(jù)功能碼調(diào)用所需的服務(wù)函數(shù)。從機(jī)STM32將 RS485置于發(fā)送態(tài)，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)即可。圖6為基于RS485的主設(shè)備與從設(shè)備Modbus通信流程。

4 測試與驗(yàn)證

    根據(jù)Modbus協(xié)議配置RS485接口的通信參數(shù)，其中波特率為9 600 b/s，配置從機(jī)地址0X01，RS485最多接入255個從機(jī)地址，主從校驗(yàn)，數(shù)據(jù)幀格式：1字節(jié)地址位/1字節(jié)功能碼/2字節(jié)起始位/2字節(jié)數(shù)據(jù)位/2字節(jié)校驗(yàn)位。

    在SDK Demo調(diào)試下，根據(jù)TCP協(xié)議配置NB-IoT 4G模塊網(wǎng)絡(luò)透傳模式，使用AT指令對Socket配置，地址為Test.usr.cn，端口為2317，波特率為115 200 b/s。傳輸數(shù)據(jù)格式：01460000000306002500140000238B，其中01為從機(jī)設(shè)備地址，46為功能碼，0000為起始地址，0003為寄存器單元長度，06為數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)002500140000轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制為溫度值37 ℃，238B為Modbus協(xié)議CRC16校驗(yàn)碼。NB-IoT 4G模塊數(shù)據(jù)收發(fā)測試結(jié)果如圖7所示。該系統(tǒng)通過傳感器NB-IoT網(wǎng)絡(luò)正確發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)時監(jiān)測溫度。

    本地PC上位機(jī)采用LabVIEW開發(fā)程序編寫^[7]，LabVIEW配置IP地址和端口號8080，溫度監(jiān)測軟件界面如圖8所示。在上位機(jī)與STM32主控機(jī)建立TCP^[8]連接后，上位機(jī)以默認(rèn)頻率通過Modbus協(xié)議輪詢獲取各采集節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，本地上位機(jī)同步實(shí)時顯示多個節(jié)點(diǎn)當(dāng)前溫度值，滿足冶金生產(chǎn)溫度監(jiān)測技術(shù)要求。

5 結(jié)論

    相比現(xiàn)場單一地監(jiān)測環(huán)境溫度^[9]，該系統(tǒng)RS485總線支持拓展從機(jī)各類傳感器，提高監(jiān)測環(huán)境參數(shù)數(shù)量，NB-IoT支持大容量數(shù)據(jù)傳輸，支持對多種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集及本地與遠(yuǎn)端同步監(jiān)測?；贛odbus和NB-IoT的高爐冶金溝道溫度監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多個冶金點(diǎn)溫度采集、智能化處理和網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測，提高了現(xiàn)場高熱環(huán)境溫度監(jiān)測的可靠性，進(jìn)一步降低冶金生產(chǎn)過程成本，加強(qiáng)了工業(yè)生產(chǎn)安全管理。

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作者信息:

鄧仁地，劉  雄，伍  春

(西南科技大學(xué) 國防科技學(xué)院，四川 綿陽621000)