基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)生產(chǎn)線溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究

吳飛燕

(江西師范高等專科學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院,江西 鷹潭 335000)

在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活應(yīng)用等領(lǐng)域中,用溫度來描述物體加熱和冷卻的程度[1]。溫度過高或過低都會影響產(chǎn)品的質(zhì)量,甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品報廢和設(shè)備損壞。因此實時溫度監(jiān)控有助于及時檢查和保護(hù)受控對象,并且可以及時調(diào)節(jié)溫度。孫鵬[2]等人提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軸承溫度監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā),該解決方案首先通過Zigbee 技術(shù)收集軸承溫度狀態(tài)信息,然后通過GPRS 技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程的控制平臺,實現(xiàn)對軸承溫度信息的智能化管理,但是這種方案組網(wǎng)方式復(fù)雜,部署成本高。張玉杰[3]等人提出了一種基于嵌入式Linux 的工業(yè)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計,該系統(tǒng)的工業(yè)溫度監(jiān)控設(shè)備使用Internet技術(shù)實現(xiàn)信息互聯(lián)互通,并且用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。但該設(shè)計功耗高、穩(wěn)定性較差。

針對上述問題,本文提出了一種基于NB-IOT 的工業(yè)生產(chǎn)線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的解決方案。該系統(tǒng)的優(yōu)點不僅是軟件設(shè)計簡單靈活,而且成本低、能低耗、抗干擾性好。另外,個人手機(jī)實時接收生產(chǎn)線溫度,監(jiān)控流水線溫度是否異常,保證器件加工的可靠性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

工業(yè)生產(chǎn)線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示,主要由五個部分組成：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層[4]。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

第一層是感知層,主要執(zhí)行從傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)上報以及執(zhí)行平臺發(fā)出的命令的功能；第二層是網(wǎng)絡(luò)層,包括基站和核心網(wǎng),完成上下兩層信息傳輸、擁塞控制、流量調(diào)度等功能；第三層是平臺層,用于用戶設(shè)備接入管理、設(shè)備管理、業(yè)務(wù)使能、大數(shù)據(jù)分析以及智能推薦,本設(shè)計使用華為OceanConnect 物聯(lián)網(wǎng)平臺；第四層是業(yè)務(wù)層,處理業(yè)務(wù)邏輯,整合資源；第五層是應(yīng)用層,用于實時顯示數(shù)據(jù)和發(fā)布命令。

基于REST 架構(gòu)的CoAP 協(xié)議用于終端和OceanConnect 平臺之間的通信[5]。基于超文本傳輸協(xié)議(HTTP) 用于OceanConnect 物聯(lián)網(wǎng)平臺與物聯(lián)網(wǎng)后臺之間的通信。

2 BC35G 模塊設(shè)計

系統(tǒng)使用BC35G 模塊用于NB-IOT 無線通信,其設(shè)計方面與GSM/GPRS 系列M95 模塊兼容[6]。工作電壓范圍為VBRT =3.1-4.2 V,典型值為3.6V。當(dāng)BC35G 芯片的NETLIGHT 控制引腳為高電平時,網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行；當(dāng)為低電平時,網(wǎng)絡(luò)不能正常運(yùn)行。BC35G 模塊通過TXD/RXD 發(fā)送和接收數(shù)據(jù),并通過存儲在標(biāo)準(zhǔn)SIM 卡插槽中的移動卡將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到OceanConnect。同時OceanConnect 平臺可以接收APP 發(fā)送的指令并執(zhí)行相應(yīng)的操作。BC35G 模塊的工作電路包括：天線模塊,標(biāo)準(zhǔn)SIM卡插槽模塊,串行調(diào)試模塊和復(fù)位模塊等。具體電路如圖2 所示。

3 NB-IOT 模塊入網(wǎng)設(shè)計

NB-IOT 模塊入網(wǎng)有以下兩個步驟：

(1)給模塊上電,調(diào)用BC35G_PWR_H 函數(shù),如果模塊故障則可以重新上電,模塊上電后等待初始化8s。

(2)當(dāng)模塊完成上電后,開始進(jìn)行AT 指令的設(shè)置,共需設(shè)置11 個AT 指令,每個指令發(fā)送之間間隔一定的等待時間(比如settime = 300ms),當(dāng)settime=0 時才開始發(fā)送AT 指令。NB-IOT 模塊入網(wǎng)有以下11 個步驟：

①執(zhí)行“AT”指令,檢查串口通訊。

②執(zhí)行“AT+CIMI”指令,獲取SIM IEMT 號,確保SIM 物理連接正常。

③執(zhí)行“AT+CMEE=1”指令,使能打印錯誤消息。

④執(zhí)行“AT+NNMI=1”指令,設(shè)置NB-IOT 模塊收到消息時顯示收到消息和數(shù)據(jù)。

⑤執(zhí)行“AT+CGSN=1”指令,獲取模塊IEMI 號。

⑥執(zhí)行“AT+CSQ”指令,獲取信號強(qiáng)度指示。

圖2 BC35G 模塊

⑦執(zhí)行“AT+NCDP=IP,PORT”指令,設(shè)置設(shè)備對接IOT 平臺的IP 地址和端口號。該系統(tǒng)對接IP 地址為：117.78.42.93,端口號為：5683。

⑧執(zhí)行“AT+CEREG=1”指令,注冊ESP 網(wǎng)絡(luò)。

⑨執(zhí)行“AT+CGATT=1”指令,附著到運(yùn)營商N(yùn)B-IOT 網(wǎng)絡(luò)到基站。

⑩執(zhí)行“AT+CGPADDR”指令,獲取模塊返回的IP 地址。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)設(shè)計

傳感器收集來自工業(yè)生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù),并將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給總線,主控制芯片讀取該信息,將數(shù)據(jù)內(nèi)部轉(zhuǎn)換并封裝為AT 指令,然后通過串口將AT 指令發(fā)送給NB-IOT 無線通信模塊。NB-IOT 無線通信模塊收到AT 指令后,會自動將數(shù)據(jù)封裝為CoAP 協(xié)議消息,并發(fā)送給配 置 好 的 OceanConnect 平 臺 。OceanConnect 平臺收到數(shù)據(jù)后,根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)線設(shè)備profile 文件,找到匹配的編解碼插件,將CoAP 協(xié)議轉(zhuǎn)換成與工業(yè)生產(chǎn)線設(shè)備profile 中匹配的JSON(JavaScript Object Notation)數(shù)據(jù),同時將數(shù)據(jù)推送至物聯(lián)網(wǎng)后臺。最后,關(guān)注微信公眾號中的掌上實訓(xùn)平臺通過數(shù)據(jù)查詢接口(RESTful)獲取物聯(lián)網(wǎng)后臺的數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)測試

OLED 顯示效果如圖3 所示。綁定設(shè)備,點擊提交后,頁面下方會出現(xiàn)對應(yīng)的場景,點擊“查看數(shù)據(jù)”,如圖4 所示。

圖3 OLED 顯示效果

圖4 掌上平臺效果

6 結(jié)論

本文采用基于NB-IOT 技術(shù)設(shè)計的工業(yè)產(chǎn)線溫度監(jiān)測系統(tǒng),很好的解決了廣域物聯(lián)網(wǎng)在產(chǎn)線溫度監(jiān)控系統(tǒng)中存在的成本高,功耗高、穩(wěn)定性差等問題,實現(xiàn)了對產(chǎn)線溫度的智能化管理,具有很好的應(yīng)用價值和推廣前景。