0 引言

    大型高爐出鐵量大，冶金生產(chǎn)環(huán)境惡劣,，導(dǎo)致鐵水溝侵蝕日益嚴(yán)重,，需人工定期對冶金溝道部分進行溫測，其準(zhǔn)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(yán)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(shè)計的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),，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(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)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(luò)傳輸至上位機。

    綜上所述,，本文以STM32為核心,，結(jié)合Modbus和NB-IoT無線通信優(yōu)勢，設(shè)計一種NB-IoT冶金節(jié)點溫度采集與遠(yuǎn)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(yuǎn)、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(shè)計

    本文提出一種NB-IoT冶金節(jié)點溫度采集與遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)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(luò)傳輸^[2-4],、PC上位機組成,。高爐系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)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(luò)通信 ,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(zhǔn)確度,?；贏D8495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(zhuǎn)換電路

    ADS1256的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計包括參考電壓電路與AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、STM32與外部接口通信電路設(shè)計等,。參考電壓電路與AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計采用24位高精度同步采樣的AD轉(zhuǎn)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(shè)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(luò)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(shè)計均采用ESD保護,，保證信號完整性。NB-IoT 4G通信模塊硬件結(jié)構(gòu)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(shè)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(wù)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(yīng)答,，若從機地址正確，則應(yīng)答完成CRC校驗并根據(jù)功能碼調(diào)用所需的服務(wù)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(shè)備與從設(shè)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(luò)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(shè)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(zhuǎn)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(jié)果如圖7所示,。該系統(tǒng)通過傳感器NB-IoT網(wǎng)絡(luò)正確發(fā)送數(shù)據(jù),，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(rèn)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(dāng)前溫度值，滿足冶金生產(chǎn)溫度監(jiān)測技術(shù)要求,。

5 結(jié)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(yuǎn)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(luò)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(xué) 國防科技學(xué)院,，四川 綿陽621000)