基于NB—IoT的電焊機集群監控系統的設計

金約瑟 梁偉 張哲

摘要：焊接產業是傳統工業的一種，為提高焊接產品的質量，實時監控焊接的生產過程，設計了一套基于NB-IoT無線網絡的電焊機集群監控系統。系統以STM32為主控制器，采用像電壓、電流傳感器等監控設備來對焊接數據進行采集；以NB-IoT無線通信網絡為通信手段，實現焊接數據的上傳及焊接指令的接收；個人終端通過Internet與數據庫相連實現焊接過程的遠程監控。測試結果表明，該系統穩定性好，可靠性高，能準確、實時地對焊接過程進行遠程監控，滿足焊接生產環境的應用要求，為未來焊接智能化打下了基礎。

關鍵詞：物聯網；無線通信；焊接數據采集；窄帶物聯網

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0238-04

Abstract： Welding is a part of traditional industries. In order to improve the quality of products and realize the real-time and remote monitoring of welding process， a clustered and remote welding monitoring system based on narrowband Internet of Things（NB-IoT） communication technology was designed. The system uses STM32 Mico-chips as the Master controller， takes sensing devices such as voltage and current sensors to collect welding data； Applying wireless communication technology NB-IoT as the bridge of data transmission， which accomplishes the tasks of uploading welding data and receiving work instructions. Personal terminals access to the database through the Internet and achieve the goal of remote monitoring. The test results show that the system is stable and reliable. It can carry out the work of remote monitoring accurately and promptly. It also can meet the application requirements of welding environment and lay a foundation for the future welding industry.

Key words： IoT； wireless communication； Welding data acquisition； NB-IoT

隨著“工業4.0”的戰略計劃的提出，作為工業4.0三大主題之一的“智能生產”被認為是現代工業的一種發展趨勢，獲得了廣泛的關注。越來越多的先進技術應用到工業生產的過程當中，如云計算、大數據分析、物聯網、云計算、邊緣計算、先進的感知技術[1]。工業生產的這一系列的革新帶來的結果是，生產的過程更智能化、人性化，生產的管理更有序、便捷。

電焊作為傳統工業的一種，同樣也應參與到其中。傳統的焊接產業，車間環境往往十分惡劣。例如，由于焊接的原理多是利用高溫、高壓等技術實現金屬之間的連接、重鑄，這就導致焊接的過程多伴有有毒有害氣體、光輻射、廢塵、噪聲等污染[2]。這些都將會給焊接設備操作人員身體帶來巨大的危害。此外，技術人員無法實現24小時連續不斷監控焊接過程，這就給焊接生產的效率、質量和安全打了折扣。

傳統焊接生產中的這一系列的問題，使得對研究生產一種能實時監控、管理焊接過程的設備的需求變得十分迫切。

1 焊接監控系統研究現狀

針對傳統焊接產業生產管理存在的一些問題，國內外各大設備生產廠商、機構和院校紛紛投入到焊接監控系統的研究工作當中，并取得許多的研究成果。這些研究所得到的焊接監控系統基本都采用的是三層架構，感知層、網絡層和應用層。按照網絡層中所采用的通信方式的不同，大致可將其為如下兩類，基于有線通信技術和基于無線通信技術的焊接系統。

1.1 基于有線通信

有線通信技術常見的有總線技術和以太網技術，其代表有CAN、RS485、RS232、Profibus、LonWork、ProfiNet等[3]。

例如美國MIYACHI UNITEK公司生產的MG3焊接監控設備。此設備可以實時監控并記錄焊接過程中電壓、電流等信息，并通過RS-232串口通信協議將數據傳輸到計算機里面去。另外使用者可以根據焊接過程的需要，可選擇自行編寫程序或使用設備內置的程序去實現。比如：使用者可以為焊接的電壓、電流設置閾值，當采集到非法值的時候，啟動自我保護機制，切斷電源[4][5][6]。

德國HKS公司生產的焊接監控儀能過對焊接過程進行質量監控，對焊接過程中的信息數據（如電壓、電流、焊接時間、焊接日期等）進行記錄、統計、分析，并利用Console口與服務器相連，將數據傳輸至服務器，供PC段訪問。

轉看國內，在2010年，西安石油大學的趙志峰提出了采用基于ProfiBus總線為通信基礎的等離子焊接監控系統；在2015年，湖南汽車工程職業學院的劉小兵設計了，基于CAN總線的焊接車間的環境實時監測。

然而基于有線通信技術的焊接設備監測系統有著自身的局限性。首先，此類設備難以實現網絡化管理，不能進行遠程控制與訪問；其次，每一臺設備都是一個孤立系統，不能實現群體化管理。現如今，企業往往在全國各地都有分部，無法實現集群化、實時監控管理的系統無法被采用；此外，這類設備大多是集成設備，體積較大、靈活性差、無法嵌入到焊接設備上，同時還需要布置線纜，會給車間的管理造成一定的影響[7][8]。

1.2 基于無線通信

相對于有線通信技術，基于無線通信技術的焊接監控系統就具有很大的優勢，其靈活性高、擴展性好、不需要復雜的布線，在很大程度上彌補了無線通信技術的不足。無線通信技術的代表有ZigBee、Bluetooth、Wi-Fi、6LoWPAN等小范圍通信和GSM、3G、4G等大范圍通信[9]。

上海船舶工藝研究所的周國海、李高進、徐建中在2013年設計了基于Wi-Fi的直流焊機電能無線監測系統。每一臺電焊機配備一個監測裝置，這些裝置通過Wi-Fi無線網絡將數據無線傳輸至總控室的云服務器中。這樣，這些數據不僅可以在總控室上位機中得到訪問和處理，而且也可以通過智能手機等無線終端載體，對所監測的車間工作電焊機進行實時監測[10][11]。

這種系統同時也存在有一定的缺陷。Wi-Fi的覆蓋范圍室內100m左右，室外200m左右，無法滿足像船舶、汽車、航天工業等較大生產車間的焊接監控，需要布置多個Wi-Fi接收節點，給組網造成了不便；此外，Wi-Fi傳輸的安全性較低，焊接數據的安全性無法得到保障。

南京理工大學的李賓設計了基于Bluetooth的數字化監控系統。在感知端利用藍牙4.0無線通信模塊來進行焊接數據的傳輸，以TMS320F28033DSP芯片為核心的數字化控制系統來對數據進行處理，從而實現對焊接過程的監控和管理。這種系統具有功耗小、成本低、傳輸距離較遠的優勢。然而藍牙無線通信技術同樣存在著一些不足[12]。當信號收發節點之間的距離較遠，則其信號受限；藍牙連接的信號穩定性較差，然而在焊接監控中需要能做到焊接數據的實時準確的傳輸，信號穩定性差則不能滿足數據的實時性傳輸；藍牙通信容易受到干擾，藍牙工作的頻段為ISM，ISM是一個開放的頻段，容易受到工業、科研、醫療設備的干擾。

上海交通大學的朱俊杰、哈爾濱理工大學的李會樂、海南大學的張文清等人設計了基于ZigBee的焊接監控系統。其系統的結構是采用電壓、電流、壓力等傳感器，實現點焊機的焊接電流、電極壓力等數據的采集，通過ZigBee無線通信網絡將數據傳輸至上位機監測平臺，實現對整個焊接的過程的監測[13]。該系統能適應車間的惡劣環境，解決了傳統的以RS485串口、CAN總線的電纜布設的問題，同時數據傳輸的信號不易受干擾[14][15]。

但是ZigBee無線通信技術有其自身的缺陷。ZigBee因為是低功耗的通信方式，所以基于ZigBee網絡傳輸速率十分的低、且覆蓋范圍只有30-70m。除此之外，基于ZigBee的焊接網絡如果要與互聯網進行通信，需要額外加入協調節點。

1.3 本文主要研究內容

本文主要針對現有成果存在的一些問題，設計了一種基于NB-IoT的電焊機集群監控系統，從而實現對焊接生產的遠程集群化管理。根據焊接工業的生產過程，以及生產管理的需要，規劃整個監控系統的總體架構：信息感知層、網絡傳輸層和應用層，界定各個網絡層次的功能和技術選；根據生產的需求，在生產設備上布置相應的傳感器進行監測，同時電路的搭建、調試，完成NB-IoT網絡的組建；采用c++、HTML和SQL數據庫開發電焊機集群監控系統的上位機軟件系統，其主要功能包括，用戶的身份驗證、焊接過程中的相關數據的查看、存儲、管理。

2 焊接監控系統的總體設計

2.1 系統的需求及功能

現今的焊接生產向著智能化方向發展，焊接物聯網對通信技術的要求越來越高，這就使得所設計的系統要滿足許多需求。理論上講，監控系統需要做到焊接車間的任何地方都能被監測，這就需要有高覆蓋率；其次，生產設備隨著企業的規模不斷擴大，需要監控系統能容納大量的節點；再者，焊接生產參數是生產評估的重要依據，需要有可靠的系統數據傳輸；此外，生產數據關乎企業的商業機密，數據傳輸的安全性也是系統的需求之一。

本文所設計的焊接監控系統，利用NB-IoT通信技術的優勢，可以實現許多工業生產所需的功能。首先，關于焊接數據的采集，能夠對焊接過程中的電壓、電流都能生產要素數據進行準確、實時的采集；其次，關于遠程集群化管理，通過Internet網絡連接服務器，能夠對處于不同地理位置的焊接生產車間進行遠程、集群化監控管理；此外，關于傳輸數據，在焊接生產車間組建NB-IoT網絡，焊接設備上嵌入NB-IoT模塊構成NB-IoT節點，通過窄帶網將傳感器所采集到的數據實時的傳輸至上位機，以及個人終端，個人監測終端也能將指令傳回焊接設備；最后，關于系統自我保護，當傳感器所采集到的數據超出安全閾值時，啟動自我保護措施，如切斷電源，并觸發蜂鳴報警器。

2.2 系統的總體設計

本文設計的焊接監控系統又由焊接數據采集模塊、現場服務器和遠程監控中心三個部分組成，具體如圖1。

1、焊接數據采集模塊。由電壓、電流等相關傳感器及NB-IoT無線通信模塊組成，采集到的數據經過A/D轉換，以數字信號的形式，通過NB-IoT無線通信網絡發送至上位機。焊接數據采集模塊和主控制器組建成NB-IoT網絡。

2、現場服務器。現場服務器的功能主要有以下幾個方面，首先其可接收來自焊接監測設備傳來的數據信息，并對信息進行保存和顯示；其次它可對NB-IoT無線通信網絡進行管理；最后其扮演了網關的角色，實現焊接設備與遠程監控中心之間的通信。

3、遠程監控中心。遠程監控中心包括個人移動終端和PC端。主要是對所采集到的焊接數據進行分析、處理，實時掌握焊接的工作狀態。同時也可以將操作指令傳回至焊接設備。

3 系統硬件的設計

3.1 焊接數據采集模塊

在電焊機上所裝配的焊接數據采集設備由多種模塊集成。其中包含有電源、各種傳感器、NB-IoT無線通信模塊和微處理器。焊接數據采集模塊的具體結構如圖2。

在圖2中，電壓、電流、溫度等傳感器采集到的焊接數據為模擬信號，經過A/D轉換器轉換，轉換成數字信號。DSP處理對轉換后的數字信號進行濾波、變換等一系列操作。所有的數據（合法、非法數據）經由NB-IoT無線通信網絡傳至現場下位機。此外，從遠程控制中心發來的指令也可以逆向由NB-IoT無線通信網絡傳至焊接設備。

3.2 下位機結構

現場下位機主要由微處理器、LCD顯示屏、NB-IoT無線通信模塊、蜂鳴報警器、電源適配器和網絡接口。具體結構如圖3所示。

從圖中可以看出，從焊接數據采集模塊采集到的數據為模擬信號，經過A/D轉換器，轉換成數據信號；DSP處理對轉換后的數字信號進行濾波、變換等一系列操作；處理后的數據與安全閾值進行比對，若數據超出安全范圍則觸發蜂鳴報警器；所有的數據信息均在LCD顯示屏上顯示供現場管理人員查看；同時所有的數據（合法、非法）經過NB-IoT無線通信模塊傳至總控制中心。從遠程控制端所發送的指令也通過NB-IoT無線通信模塊，經DSP處理器，A/D轉換器轉換傳至焊接設備。

3.3 總控制中心結構

總控制中心由PC機、數據服務器、NB-IoT通信模塊、Internet接口組成。具體結構如圖4。

從圖中可以看到，NB-IoT通信模塊接收從下位機傳輸過來的數據，之后將數據保存在總控制中心的數據服務器上。數據服務器由一臺PC機進行管理，用于對數據的篩選、存儲和調取工作，同時供遠程監控端可以遠程、實時查看焊接數據；從遠程監控端所接收的指令也通過NB-IoT無線通信模塊傳輸至下位機。

3.4 遠程監控端

遠程監控端分為PC監控端和個人移動終端。前者是由互聯網來實現焊接數據的實時監測，以及相應指令的傳達，后者則是通過NB-IoT網絡來實現的。

4 焊接監控的軟件系統設計

4.1 焊接數據采集端身份認證

焊接工人操作焊接監控設備，需要先進行身份認證。每個焊接工人有特定的工號及對應的密碼，身份認證成功后即可操作焊接設備，查看相應的焊接數據。身份認證的程序流程圖如下。

從圖上可以看到，首先焊接工人需要輸入用戶名，系統根據數據庫中存儲的身份信息進行比對，若用戶名存在則進行密碼驗證，反之提示用戶不存在；用戶名認證通過后進行密碼認證，若輸入的密碼同數據庫中相應的密碼匹配則身份認證成功并結束，若不匹配則提示用戶，并進行新一輪的身份認證。

4.2 下位機軟件設計

身份認證通過后，下位機設備初始化，NB-IoT模塊初始化，開始數據采集。具體流程如下圖。

從圖上可也看到，身份驗證后，STM323單片機開始初始化，NB-IoT無線通信模塊初始化；NB-IoT模塊組網成功后，進行焊接數據的收集，若有數據傳入，判斷是否到轉發的時間，反之則重復數據問詢；若到轉發時間，通過NB-IoT模塊轉發數據。

4.3 上位機軟件系統

上位機軟件由用戶（UI）界面和數據庫兩部分，其中UI界面又有各種不同的功能。用戶經過身份認證后即可進入用戶界面。用戶可以在用戶界面對焊接數據進行一系列操作；數據操作可以細分為對數據的增、刪、改、查。數據庫部分主要與前端UI界面相連接，提供數據支持。

4.4 遠程監控端軟件系統

遠程監控端軟件由Web頁面和云端數據庫組成。登錄設計的Web頁面，身份認證通過后即可焊接車間的焊接數據；可自行選擇顯示指定焊接設備或所有焊接設備的數據信息；個人終端同時可以從Web頁面發送指令至焊接設備，實現焊接的集群化、遠程化操作。

5 測試分析

在完成整個系統的搭建工作，及各個模塊設備的配置后，進行焊接監測系統的模擬測試。經測試，焊接監控端可以準確地接收來自焊接數據采集端傳來的數據，并能對焊接的過程進行相應的控制。

在操作界面，分別設有焊接電壓上下限、電流上下限的按鈕。管理人員可以根據生產需要設置相應的安全閾值焊接數據顯示界面包含有焊接數據采集端所采集的電壓、電流數據；以及焊接工人的工號和設備號；除此之外還有最初設置的電壓、電流安全閾值，以供數據監控端管理者的對比分析。

為保證所設計的焊接監控系統的通信性能的可靠性，與上海騰焊智能科技有限公司的焊接車間進行了現場測試。測試包括接系統身份認證、數據采集、安全閾值設置、數據顯示、指令傳輸等。測試結果顯示，NB-IoT通信節點在測試車間100m范圍下具有可靠的通信性能。同時，數據的上傳和指令的下發的時間小于1s，基本滿足設計的需要。

6 結束語

針對現代焊接產業的需要，改善傳統焊接生產的監控難、管理難的問題，本文設計了一套焊接監控系統。基于NB-IoT窄帶物聯網技術，以STM32為核心的焊接生產集群監控系統，實現了通過個人用戶終端如手機、PC來對焊接生產進行遠程監控和管理。NB-IoT通信技術解決了傳統有線通信技術背景下車間的復雜布線與管理問題，同時其相較于ZigBee、WiFi、藍牙等技術有著更大的覆蓋范圍、和更多的節點接入量。系統智能控制終端界面簡潔易操作，并能實現所需的功能。這套系統將為未來焊接生產智能化提供基礎。

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【通聯編輯：梁書】