基于NB—IoT的智能機床控制器設計

李鑫

【摘 要】工業物聯網技術是當前設備信息化的一種組網方式，現在各個運營商主推的物聯網方式為窄帶物聯網也就是NB-IoT網絡。隨著我國工業化水平越來越高，需要從低端產品制造到高端設備制造的轉化，現在利用智能物聯網是最好的選擇。在機床控制器中采用多種通信方式以及神經網絡自動控制手段實現機器加工設備自動化以及信息化。

【關鍵詞】窄帶物聯網；通信方式；神經網絡

中圖分類號：TN925 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0075-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.036

0 引言

工業的發展離不開機床，當代機床發展已經進入了智能化、一體化、信息化的時代，但有一些小型機床還不能實現這些功能。為了在不提高成本的情況下，將這些機床進行信息化改造，成為可以聯機，聯網，模塊化裝備的智能機床。在設備的研制過程中主要解決了設備信息化能力，采用LPC11xx系列處理器，在50MHz主頻下可以穩定長期工作，并對機床的各種操作進行記錄并將信息傳輸到云平臺。采用了新型的NB-IOT通信模塊，可以將設備的主要信息通過網絡發送到云平臺。在設備之間采用了短距離傳輸協議ZigBee，通過通信協議將設備信息進行交換，將設備之間的流程進行管理和維護。

1 智能機床的構成

當前機床的主要結構為控制器，執行器，反饋系統，組成的閉環控制。在這個系統中，處理器的作用非常重要，多數機床選擇使用PLC為主要控制器，在PLC控制下使用變頻電機帶動設備進行加工，由于PLC本身在通信以及信息化的局限性，不能提供更多更可靠的服務。

工業物聯網作為一種創新的應用技術，目前在眾多領域的普遍應用為智能機床工作情況監測和故障診斷技術的進步帶來了更多便利條件，在提高機床系統故障預防診斷能力、減少重大故障以及過度維修、改善系統保障模式等方面發揮了極大的效用，產生了巨大的經濟效益并為環保節能減排做出了貢獻。

智能機床控制系統主要構成為：機床主控制器，傳感器系統，執行機構ZigBee通信系統，NB-IoT網絡系統以及以太網傳輸系統。在這個系統里，可以單獨使用某特種機床設備，也可以聯網構成機床加工生產線，實現模塊化工作。

2 NB-IoT傳輸模塊

窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）是由3GPP標準化組織定義的一種技術標準，是一種專為物聯網設計的窄帶射頻技術，因此得名。主要有以下特點：

2.1 覆蓋范圍比較大

NB-IoT比LTE增益增加了20db，增益增加也就意味著功率比LTE增加了100倍，覆蓋能力提升了。在高增益下，一些以前不能聯通的比如地下室，車庫等地方也可以直接上線，提高了設備可利用率。

2.2 功耗非常低：可延長電池使用時間長達10年

雖然NB-IoT設備的增益增加了，但是它本身的功耗卻降低了。設備在進行調制解調以及功率放大過程中可以調節功率，因為設備主要是用在小數據量，小速率設備上，使得設備功耗非常小，保障電池10年以上的使用壽命。

2.3 降低設備成本

因為NB-IoT設備的芯片比較小，集成度比較高，使得芯片以及模塊的面積比較小，使得制作成本比較低。這樣的化價格也比較小，比一般的4G模塊便宜一半。

2.4 海量連接：每小區可達10萬連接

NB-IoT比2G/3G/4G有50-100倍的上行容量提升，在同一個基站下可以連接的設備數量也是非常大的。

NB-IoT典型電路如下：

采用了控制器lpc1114和NB-IoT通信模塊的通信控制結構，在這個控制過程中，主控制器擔負起對傳感器反饋信息處理以及對設備執行器相關操作。在設備運行期間將設備運行參數，設備運行狀態以及加工產品信息上傳到云平臺以方便用戶進行實時查詢和更改信息。

3 系統軟件流程

機床控制器采用了無線組網方式，采用競爭方式對整個設備生產線設備的優先級進行定義，優先級數值越小，級別越高。在設備內部組網使用ZigBee協議，短距離，自組網方式實現設備之間的調用和生產過程協商。

在程序流程中，為了簡化硬件設計難度采用通信模塊進行編程，在整個通信過程中主要采用串口為標準通信方式。通行過程中，采用自定義幀結構為主要通信幀結構：

通信采用串口通信，在通信過程中將數據幀進行發送，數據幀采用隊列的方式進行數據添加，在獲得數據結束標志之后，進行統一發送與數據處理。在此幀結構中，幀頭統一為0XAA，0X55，在類型中第一個字節為0X11表示采用NB-IoT，高4位表示是否啟用NB-IoT，低4位表示采用CoAP等無線協議。ZigBee采用0X11，高4位表示是否啟用ZigBee，低4位表示設備狀態，HOST為1個字節表示設備號，NO表示優先級。

在設備運行過程中，依據流程圖依次開始自檢，啟動ZigBee優先級協商，完成之后產生一個主機，其他都是從機，主機會取得設備流程方法，并將按照方法將設備I的各個運行狀態進行收集，并且根據設備的運行狀態發送給主機，主機獲得信息之后總體協調設備運行自動化。

4 結論

通過測試本系統在線運行良好，機床控制器將加工工件信息以及工作狀態信息有效的傳輸到物聯網平臺，并能夠準確執行加工流程。在普通機床基礎上進行的智能化升級改造有效的解決了遠程查看，遠程控制等問題，使得機床的附加值有效增加，提高機床制造智能化水平，降低了用戶的使用成本。

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