文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191035
中文引用格式： 鄧仁地，劉雄，伍春. 一種NB-IoT冶金節點溫度采集與遠程監測系統的設計[J].電子技術應用，2019，45(12)：6-9，15.
英文引用格式： Deng Rendi，Liu Xiong，Wu Chun. Design of temperature acquisition and remote monitoring system for NB-IoT metallurgy node[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(12)：6-9，15.
0 引言
大型高爐出鐵量大，冶金生產環境惡劣，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，生產成本高，安全保障低[1]。為了能夠對高爐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點數據傳輸。RS485能提供穩定、即時、可靠的數據通信，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，會使數據丟包率增加，傳輸速率下降，從而出現嚴重的多節點數據丟失現象。
基于蜂窩的NB-IoT是針對物聯網需求設計的窄帶物聯網技術，NB-IoT具有低成本、覆蓋廣和無線傳輸的優勢，其在萬物互聯領域得到廣泛的應用。NB-IoT模塊匯集現場RS485總線多節點數據，經4G網絡傳輸至上位機。
綜上所述，本文以STM32為核心，結合Modbus和NB-IoT無線通信優勢，設計一種NB-IoT冶金節點溫度采集與遠程監測系統，解決高爐冶金溝道測溫節點分布廣、監控計算機距離遠、現場監測高爐高熱環境成本高、生產安全保障低等問題，實現對高爐生產階段進行有效運行監測與優化。
1 系統設計
本文提出一種NB-IoT冶金節點溫度采集與遠程監測系統設計，該監測系統主要由基于AD8495的K型熱電偶傳感器溫度監測節點、基于Modbus和ADS1256的STM32F103C8T6主控機、基于NB-IoT網絡傳輸[2-4]、PC上位機組成。高爐系統通信結構如圖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據單向傳送到STM32節點中經AD8495進行冷端補償與線性化算法處理，多個STM32節點通過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NB-IoT網絡通信 。
2 系統硬件設計
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，溫度數據通過差分電路的固定增益122.4實現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的多通道模數轉換電路
ADS1256的多通道模數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，實現八通道低噪聲、多通道數據采集。STM32與外部接口通信電路設計利用STM32芯片的SPI、RS485和USART數據通信。
2.3 基于WH-NB73 NB-IoT網絡傳輸模塊
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實現數據通信，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、高可靠性的優勢。
3 系統軟件設計
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。直接查表法和數據壓縮法將標準的數據修正參考表存放到單片機的有限ROM資源中，在實際系統中實現的代價較高。本文具體線性化算法選擇直線擬合，既能節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的數據傳輸
節點從機在完成初始化以及周期性數據采集任務后，其他時間均控制其RS485接口處于等待接收狀態，采用串口中斷接收數據幀，解析首數據幀，調用處理函數檢查該數據地址判斷是否應答，若從機地址正確，則應答完成CRC校驗并根據功能碼調用所需的服務函數。從機STM32將 RS485置于發送態，通過串口發送數據即可。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Modbus協議配置RS485接口的通信參數，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，數據幀格式：1字節地址位/1字節功能碼/2字節起始位/2字節數據位/2字節校驗位。
在SDK Demo調試下，根據TCP協議配置NB-IoT 4G模塊網絡透傳模式，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。傳輸數據格式：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為數據長度，數據002500140000轉化為十進制為溫度值37 ℃，238B為Modbus協議CRC16校驗碼。NB-IoT 4G模塊數據收發測試結果如圖7所示。該系統通過傳感器NB-IoT網絡正確發送數據，實現網絡在線實時監測溫度。
本地PC上位機采用LabVIEW開發程序編寫[7]，LabVIEW配置IP地址和端口號8080，溫度監測軟件界面如圖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協議輪詢獲取各采集節點的溫度數據，本地上位機同步實時顯示多個節點當前溫度值，滿足冶金生產溫度監測技術要求。
5 結論
相比現場單一地監測環境溫度[9]，該系統RS485總線支持拓展從機各類傳感器，提高監測環境參數數量，NB-IoT支持大容量數據傳輸，支持對多種環境參數進行實時采集及本地與遠端同步監測。基于Modbus和NB-IoT的高爐冶金溝道溫度監測系統實現多個冶金點溫度采集、智能化處理和網絡化的生產環境監測，提高了現場高熱環境溫度監測的可靠性，進一步降低冶金生產過程成本，加強了工業生產安全管理。
參考文獻
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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)