0 引言

    大型高爐出鐵量大,，冶金生產(chǎn)環(huán)境惡劣,，導致鐵水溝侵蝕日益嚴重，需人工定期對冶金溝道部分進行溫測,，其準確度不高,，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主從通信方式進行多節(jié)點數(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)嚴重的多節(jié)點數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象,。

    基于蜂窩的NB-IoT是針對物聯(lián)網(wǎng)需求設計的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術，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)領域得到廣泛的應用。NB-IoT模塊匯集現(xiàn)場RS485總線多節(jié)點數(shù)據(jù),，經(jīng)4G網(wǎng)絡傳輸至上位機,。

    綜上所述,，本文以STM32為核心，結合Modbus和NB-IoT無線通信優(yōu)勢,，設計一種NB-IoT冶金節(jié)點溫度采集與遠程監(jiān)測系統(tǒng),，解決高爐冶金溝道測溫節(jié)點分布廣、監(jiān)控計算機距離遠,、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，實現(xiàn)對高爐生產(chǎn)階段進行有效運行監(jiān)測與優(yōu)化,。

1 系統(tǒng)設計

    本文提出一種NB-IoT冶金節(jié)點溫度采集與遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計,，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、基于Modbus和ADS1256的STM32F103C8T6主控機,、基于NB-IoT網(wǎng)絡傳輸^[2-4],、PC上位機組成。高爐系統(tǒng)通信結構如圖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)點中經(jīng)AD8495進行冷端補償與線性化算法處理，多個STM32節(jié)點通過RS485總線與STM32主控機進行通信,，主控機通過WH-NB74芯片與PC終端實現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡通信 ,。

2 系統(tǒng)硬件設計

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,，進一步提高溫度采集準確度,。基于AD8495的溫度采集電路如圖2所示,。

2.2 基于ADS1256的多通道模數(shù)轉換電路

    ADS1256的多通道模數(shù)轉換電路設計包括參考電壓電路與AD轉換電路設計,、STM32與外部接口通信電路設計等。參考電壓電路與AD轉換電路設計采用24位高精度同步采樣的AD轉換芯片ADS12568,，實現(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接口電路設計均采用ESD保護，保證信號完整性,。NB-IoT 4G通信模塊硬件結構如圖4所示,，WH-NB73通信模塊通過UART串口端口與主控機STM32實現(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高精度轉換，同步實現(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)壓縮法將標準的數(shù)據(jù)修正參考表存放到單片機的有限ROM資源中，在實際系統(tǒng)中實現(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計如圖5所示,。

3.2 基于MODBUS的數(shù)據(jù)傳輸

    節(jié)點從機在完成初始化以及周期性數(shù)據(jù)采集任務后,，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)地址判斷是否應答，若從機地址正確,，則應答完成CRC校驗并根據(jù)功能碼調(diào)用所需的服務函數(shù),。從機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的主設備與從設備Modbus通信流程,。

4 測試與驗證

    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,，配置從機地址0X01,，RS485最多接入255個從機地址,，主從校驗,，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為從機設備地址,，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轉化為十進制為溫度值37 ℃，238B為Modbus協(xié)議CRC16校驗碼,。NB-IoT 4G模塊數(shù)據(jù)收發(fā)測試結果如圖7所示,。該系統(tǒng)通過傳感器NB-IoT網(wǎng)絡正確發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡在線實時監(jiān)測溫度,。

    本地PC上位機采用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,。在上位機與STM32主控機建立TCP^[8]連接后,，上位機以默認頻率通過Modbus協(xié)議輪詢獲取各采集節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，本地上位機同步實時顯示多個節(jié)點當前溫度值,，滿足冶金生產(chǎn)溫度監(jiān)測技術要求,。

5 結論

    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)進行實時采集及本地與遠端同步監(jiān)測,?；贛odbus和NB-IoT的高爐冶金溝道溫度監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)多個冶金點溫度采集、智能化處理和網(wǎng)絡化的生產(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,，進一步降低冶金生產(chǎn)過程成本，加強了工業(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 國防科技學院，四川 綿陽621000)