基于NB—IoT的电焊机集群监控系统的设计

金约瑟 梁伟 张哲

摘要：焊接产业是传统工业的一种，为提高焊接产品的质量，实时监控焊接的生产过程，设计了一套基于NB-IoT无线网络的电焊机集群监控系统。系统以STM32为主控制器，采用像电压、电流传感器等监控设备来对焊接数据进行采集；以NB-IoT无线通信网络为通信手段，实现焊接数据的上传及焊接指令的接收；个人终端通过Internet与数据库相连实现焊接过程的远程监控。测试结果表明，该系统稳定性好，可靠性高，能准确、实时地对焊接过程进行远程监控，满足焊接生产环境的应用要求，为未来焊接智能化打下了基础。

关键词：物联网；无线通信；焊接数据采集；窄带物联网

中图分类号：TP277 文献标识码：A

文章编号：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

随着“工业4.0”的战略计划的提出，作为工业4.0三大主题之一的“智能生产”被认为是现代工业的一种发展趋势，获得了广泛的关注。越来越多的先进技术应用到工业生产的过程当中，如云计算、大数据分析、物联网、云计算、边缘计算、先进的感知技术[1]。工业生产的这一系列的革新带来的结果是，生产的过程更智能化、人性化，生产的管理更有序、便捷。

电焊作为传统工业的一种，同样也应参与到其中。传统的焊接产业，车间环境往往十分恶劣。例如，由于焊接的原理多是利用高温、高压等技术实现金属之间的连接、重铸，这就导致焊接的过程多伴有有毒有害气体、光辐射、废尘、噪声等污染[2]。这些都将会给焊接设备操作人员身体带来巨大的危害。此外，技术人员无法实现24小时连续不断监控焊接过程，这就给焊接生产的效率、质量和安全打了折扣。

传统焊接生产中的这一系列的问题，使得对研究生产一种能实时监控、管理焊接过程的设备的需求变得十分迫切。

1 焊接监控系统研究现状

针对传统焊接产业生产管理存在的一些问题，国内外各大设备生产厂商、机构和院校纷纷投入到焊接监控系統的研究工作当中，并取得许多的研究成果。这些研究所得到的焊接监控系统基本都采用的是三层架构，感知层、网络层和应用层。按照网络层中所采用的通信方式的不同，大致可将其为如下两类，基于有线通信技术和基于无线通信技术的焊接系统。

1.1 基于有线通信

有线通信技术常见的有总线技术和以太网技术，其代表有CAN、RS485、RS232、Profibus、LonWork、ProfiNet等[3]。

例如美国MIYACHI UNITEK公司生产的MG3焊接监控设备。此设备可以实时监控并记录焊接过程中电压、电流等信息，并通过RS-232串口通信协议将数据传输到计算机里面去。另外使用者可以根据焊接过程的需要，可选择自行编写程序或使用设备内置的程序去实现。比如：使用者可以为焊接的电压、电流设置阈值，当采集到非法值的时候，启动自我保护机制，切断电源[4][5][6]。

德国HKS公司生产的焊接监控仪能过对焊接过程进行质量监控，对焊接过程中的信息数据（如电压、电流、焊接时间、焊接日期等）进行记录、统计、分析，并利用Console口与服务器相连，将数据传输至服务器，供PC段访问。

转看国内，在2010年，西安石油大学的赵志峰提出了采用基于ProfiBus总线为通信基础的等离子焊接监控系统；在2015年，湖南汽车工程职业学院的刘小兵设计了，基于CAN总线的焊接车间的环境实时监测。

然而基于有线通信技术的焊接设备监测系统有着自身的局限性。首先，此类设备难以实现网络化管理，不能进行远程控制与访问；其次，每一台设备都是一个孤立系统，不能实现群体化管理。现如今，企业往往在全国各地都有分部，无法实现集群化、实时监控管理的系统无法被采用；此外，这类设备大多是集成设备，体积较大、灵活性差、无法嵌入到焊接设备上，同时还需要布置线缆，会给车间的管理造成一定的影响[7][8]。

1.2 基于无线通信

相对于有线通信技术，基于无线通信技术的焊接监控系统就具有很大的优势，其灵活性高、扩展性好、不需要复杂的布线，在很大程度上弥补了无线通信技術的不足。无线通信技术的代表有ZigBee、Bluetooth、Wi-Fi、6LoWPAN等小范围通信和GSM、3G、4G等大范围通信[9]。

上海船舶工艺研究所的周国海、李高进、徐建中在2013年设计了基于Wi-Fi的直流焊机电能无线监测系统。每一台电焊机配备一个监测装置，这些装置通过Wi-Fi无线网络将数据无线传输至总控室的云服务器中。这样，这些数据不仅可以在总控室上位机中得到访问和处理，而且也可以通过智能手机等无线终端载体，对所监测的车间工作电焊机进行实时监测[10][11]。

这种系统同时也存在有一定的缺陷。Wi-Fi的覆盖范围室内100m左右，室外200m左右，无法满足像船舶、汽车、航天工业等较大生产车间的焊接监控，需要布置多个Wi-Fi接收节点，给组网造成了不便；此外，Wi-Fi传输的安全性较低，焊接数据的安全性无法得到保障。

南京理工大学的李宾设计了基于Bluetooth的数字化监控系统。在感知端利用蓝牙4.0无线通信模块来进行焊接数据的传输，以TMS320F28033DSP芯片为核心的数字化控制系统来对数据进行处理，从而实现对焊接过程的监控和管理。这种系统具有功耗小、成本低、传输距离较远的优势。然而蓝牙无线通信技术同样存在着一些不足[12]。当信号收发节点之间的距离较远，则其信号受限；蓝牙连接的信号稳定性较差，然而在焊接监控中需要能做到焊接数据的实时准确的传输，信号稳定性差则不能满足数据的实时性传输；蓝牙通信容易受到干扰，蓝牙工作的频段为ISM，ISM是一个开放的频段，容易受到工业、科研、医疗设备的干扰。

上海交通大学的朱俊杰、哈尔滨理工大学的李会乐、海南大学的张文清等人设计了基于ZigBee的焊接监控系统。其系统的结构是采用电压、电流、压力等传感器，实现点焊机的焊接电流、电极压力等数据的采集，通过ZigBee无线通信网络将数据传输至上位机监测平台，实现对整个焊接的过程的监测[13]。该系统能适应车间的恶劣环境，解决了传统的以RS485串口、CAN总线的电缆布设的问题，同时数据传输的信号不易受干扰[14][15]。

但是ZigBee无线通信技术有其自身的缺陷。ZigBee因为是低功耗的通信方式，所以基于ZigBee网络传输速率十分的低、且覆盖范围只有30-70m。除此之外，基于ZigBee的焊接网络如果要与互联网进行通信，需要额外加入协调节点。

1.3 本文主要研究内容

本文主要针对现有成果存在的一些问题，设计了一种基于NB-IoT的电焊机集群监控系统，从而实现对焊接生产的远程集群化管理。根据焊接工业的生产过程，以及生产管理的需要，规划整个监控系统的总体架构：信息感知层、网络传输层和应用层，界定各个网络层次的功能和技术选；根据生产的需求，在生产设备上布置相应的传感器进行监测，同时电路的搭建、调试，完成NB-IoT网络的组建；采用c++、HTML和SQL数据库开发电焊机集群监控系统的上位机软件系统，其主要功能包括，用户的身份验证、焊接过程中的相关数据的查看、存储、管理。

2 焊接监控系统的总体设计

2.1 系统的需求及功能

现今的焊接生产向着智能化方向发展，焊接物联网对通信技术的要求越来越高，这就使得所设计的系统要满足许多需求。理论上讲，监控系统需要做到焊接车间的任何地方都能被监测，这就需要有高覆盖率；其次，生产设备随着企业的规模不断扩大，需要监控系统能容纳大量的节点；再者，焊接生产参数是生产评估的重要依据，需要有可靠的系统数据传输；此外，生产数据关乎企业的商业机密，数据传输的安全性也是系统的需求之一。

本文所设计的焊接监控系统，利用NB-IoT通信技术的优势，可以实现许多工业生产所需的功能。首先，关于焊接数据的采集，能够对焊接过程中的电压、电流都能生产要素数据进行准确、实时的采集；其次，关于远程集群化管理，通过Internet网络连接服务器，能够对处于不同地理位置的焊接生产车间进行远程、集群化监控管理；此外，关于传输数据，在焊接生产车间组建NB-IoT网络，焊接设备上嵌入NB-IoT模块构成NB-IoT节点，通过窄带网将传感器所采集到的数据实时的传输至上位机，以及个人终端，个人监测终端也能将指令传回焊接设备；最后，关于系统自我保护，当传感器所采集到的数据超出安全阈值时，启动自我保护措施，如切断电源，并触发蜂鸣报警器。

2.2 系统的总体设计

本文设计的焊接监控系统又由焊接数据采集模块、现场服务器和远程监控中心三个部分组成，具体如图1。

1、焊接数据采集模块。由电压、电流等相关传感器及NB-IoT无线通信模块组成，采集到的数据经过A/D转换，以数字信号的形式，通过NB-IoT无线通信网络发送至上位机。焊接数据采集模块和主控制器组建成NB-IoT网络。

2、现场服务器。现场服务器的功能主要有以下几个方面，首先其可接收来自焊接监测设备传来的数据信息，并对信息进行保存和显示；其次它可对NB-IoT无线通信网络进行管理；最后其扮演了网关的角色，实现焊接设备与远程监控中心之间的通信。

3、远程监控中心。远程监控中心包括个人移动终端和PC端。主要是对所采集到的焊接数据进行分析、处理，实时掌握焊接的工作状态。同时也可以将操作指令传回至焊接设备。

3 系统硬件的设计

3.1 焊接数据采集模块

在电焊机上所装配的焊接数据采集设备由多种模块集成。其中包含有电源、各种传感器、NB-IoT无线通信模块和微处理器。焊接数据采集模块的具体结构如图2。

在图2中，电压、电流、温度等传感器采集到的焊接数据为模拟信号，经过A/D转换器转换，转换成数字信号。DSP处理对转换后的数字信号进行滤波、变换等一系列操作。所有的数据（合法、非法数据）经由NB-IoT无线通信网络传至现场下位机。此外，从远程控制中心发来的指令也可以逆向由NB-IoT无线通信网络传至焊接设备。

3.2 下位机结构

现场下位机主要由微处理器、LCD显示屏、NB-IoT无线通信模块、蜂鸣报警器、电源适配器和网络接口。具体结构如图3所示。

从图中可以看出，从焊接数据采集模块采集到的数据为模拟信号，经过A/D转换器，转换成数据信号；DSP处理对转换后的数字信号进行滤波、变换等一系列操作；处理后的数据与安全阈值进行比对，若数据超出安全范围则触发蜂鸣报警器；所有的数据信息均在LCD显示屏上显示供现场管理人员查看；同时所有的数据（合法、非法）经过NB-IoT无线通信模块传至总控制中心。从远程控制端所发送的指令也通过NB-IoT无线通信模块，经DSP处理器，A/D转换器转换传至焊接设备。

3.3 总控制中心结构

总控制中心由PC机、数据服务器、NB-IoT通信模块、Internet接口组成。具体结构如图4。

从图中可以看到，NB-IoT通信模块接收从下位机传输过来的数据，之后将数据保存在总控制中心的数据服务器上。数据服务器由一台PC机进行管理，用于对数据的筛选、存储和调取工作，同时供远程监控端可以远程、实时查看焊接数据；从远程监控端所接收的指令也通过NB-IoT无线通信模块传输至下位机。

3.4 远程监控端

远程监控端分为PC监控端和个人移动终端。前者是由互联网来实现焊接数据的实时监测，以及相应指令的传达，后者则是通过NB-IoT网络来实现的。

4 焊接监控的软件系统设计

4.1 焊接数据采集端身份认证

焊接工人操作焊接监控设备，需要先进行身份认证。每个焊接工人有特定的工号及对应的密码，身份认证成功后即可操作焊接设备，查看相应的焊接数据。身份认证的程序流程图如下。

从图上可以看到，首先焊接工人需要输入用户名，系统根据数据库中存储的身份信息进行比对，若用户名存在则进行密码验证，反之提示用户不存在；用户名认证通过后进行密码认证，若输入的密码同数据库中相应的密码匹配则身份认证成功并结束，若不匹配则提示用戶，并进行新一轮的身份认证。

4.2 下位机软件设计

身份认证通过后，下位机设备初始化，NB-IoT模块初始化，开始数据采集。具体流程如下图。

从图上可也看到，身份验证后，STM323单片机开始初始化，NB-IoT无线通信模块初始化；NB-IoT模块组网成功后，进行焊接数据的收集，若有数据传入，判断是否到转发的时间，反之则重复数据问询；若到转发时间，通过NB-IoT模块转发数据。

4.3 上位机软件系统

上位机软件由用户（UI）界面和数据库两部分，其中UI界面又有各种不同的功能。用户经过身份认证后即可进入用户界面。用户可以在用户界面对焊接数据进行一系列操作；数据操作可以细分为对数据的增、删、改、查。数据库部分主要与前端UI界面相连接，提供数据支持。

4.4 远程监控端软件系统

远程监控端软件由Web页面和云端数据库组成。登录设计的Web页面，身份认证通过后即可焊接车间的焊接数据；可自行选择显示指定焊接设备或所有焊接设备的数据信息；个人终端同时可以从Web页面发送指令至焊接设备，实现焊接的集群化、远程化操作。

5 测试分析

在完成整个系统的搭建工作，及各个模块设备的配置后，进行焊接监测系统的模拟测试。经测试，焊接监控端可以准确地接收来自焊接数据采集端传来的数据，并能对焊接的过程进行相应的控制。

在操作界面，分别设有焊接电压上下限、电流上下限的按钮。管理人员可以根据生产需要设置相应的安全阈值焊接数据显示界面包含有焊接数据采集端所采集的电压、电流数据；以及焊接工人的工号和设备号；除此之外还有最初设置的电压、电流安全阈值，以供数据监控端管理者的对比分析。

为保证所设计的焊接监控系统的通信性能的可靠性，与上海腾焊智能科技有限公司的焊接车间进行了现场测试。测试包括接系统身份认证、数据采集、安全阈值设置、数据显示、指令传输等。测试结果显示，NB-IoT通信节点在测试车间100m范围下具有可靠的通信性能。同时，数据的上传和指令的下发的时间小于1s，基本满足设计的需要。

6 结束语

针对现代焊接产业的需要，改善传统焊接生产的监控难、管理难的问题，本文设计了一套焊接监控系统。基于NB-IoT窄带物联网技术，以STM32为核心的焊接生产集群监控系统，实现了通过个人用户终端如手机、PC来对焊接生产进行远程监控和管理。NB-IoT通信技术解决了传统有线通信技术背景下车间的复杂布线与管理问题，同时其相较于ZigBee、WiFi、蓝牙等技术有着更大的覆盖范围、和更多的节点接入量。系统智能控制终端界面简洁易操作，并能实现所需的功能。这套系统将为未来焊接生产智能化提供基础。

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【通联编辑：梁书】