近年來(lái),我國(guó)已經(jīng)成為世界第一機(jī)床消費(fèi)大國(guó)和數(shù)控機(jī)床進(jìn)口大國(guó)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)能夠占得先機(jī)。隨著數(shù)字化、智能化浪潮來(lái)襲,現(xiàn)通過(guò)無(wú)線通訊的方式,使機(jī)床上云布局來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率和優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程已經(jīng)成為各企業(yè)的共識(shí)。通過(guò)應(yīng)用物聯(lián)、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技術(shù),采集數(shù)控機(jī)床從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到機(jī)床整機(jī)調(diào)試,用戶交機(jī)使用全生命周期數(shù)據(jù),建立機(jī)床檔案數(shù)據(jù)管理,全生命周期信息追溯。為用戶提供遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)管理、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)服務(wù)。本文所討論的NB-IoT技術(shù)是一種革新性技術(shù),相比目前商用的2G/3G/4G及其他無(wú)線技術(shù),它支持海量連接、深度覆蓋能力、超低功耗、穩(wěn)定可靠、低成本及架構(gòu)優(yōu)的特性?;?NB-IoT技術(shù)的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),更好地解決現(xiàn)已運(yùn)用的各類無(wú)線技術(shù)如WiFi、藍(lán)牙、M2M、Zigbee等傳輸距離短、覆蓋區(qū)域局限、信號(hào)穿透力差、通信易受干擾問(wèn)題;同時(shí)也解決有線組網(wǎng)中布線復(fù)雜、設(shè)備節(jié)點(diǎn)有限、成本高的問(wèn)題[1-3]。
基于NB-IoT技術(shù)的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示,數(shù)控機(jī)床將采集的各類信息通過(guò)以太網(wǎng)傳給NB-IoT裝置,裝置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與分析后,通過(guò)射頻天線發(fā)送給運(yùn)營(yíng)商基站轉(zhuǎn)發(fā)到云平臺(tái)上,用戶即可在PC端或手機(jī)APP端查閱到關(guān)于數(shù)控機(jī)床采集到的數(shù)據(jù)信息。
基于NB-IoT硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。包括上位機(jī)(機(jī)床數(shù)控系統(tǒng))、以太網(wǎng)RJ45接口、網(wǎng)絡(luò)變壓器、百兆PHY芯片、MCU(微控制器)、DC-DC(電源轉(zhuǎn)換芯片)、電平轉(zhuǎn)換電路、NB-IoT模組及eSIM卡、SMA射頻連接器及NB頻段專用天線。下文將具體介紹各個(gè)模塊的硬件實(shí)現(xiàn)。
(1)百兆以太網(wǎng)模塊。本系統(tǒng)采用的是PULSE網(wǎng)絡(luò)變壓器,搭配TI的DP83848單路10/100 M以太網(wǎng)PHY芯片,支持自動(dòng)協(xié)商模式。微控制器則采用了STM32F107系列MCU,不僅成本低廉,且?guī)в蠷GMII接口物理連接方式與以太網(wǎng)PHY芯片相連。當(dāng)上位機(jī)將數(shù)據(jù)打包通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給MCU后,MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并處理,再將數(shù)據(jù)打包成指定的格式發(fā)往下一處理程序。
(2)UART電平轉(zhuǎn)換模塊。由于MCU引腳為+3.3 V電平,而NB模組引腳為+1.8 V電平,所以通過(guò)UART電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行兩者之間的數(shù)據(jù)通信。采用同晶體管來(lái)搭建的電平轉(zhuǎn)換電路,串口傳輸速率較低,晶體管即可滿足傳輸特性需求,且簡(jiǎn)易實(shí)用、成本低廉。
(3)NB模組模塊。本系統(tǒng)采用的移遠(yuǎn)BC26模組,BC26模組提供豐富的外部接口(UART,SPI,ADC等)和協(xié)議棧(UDP/TCP,CoAP,LWM2M,MQTT等),支持全頻段,同時(shí)也支持移動(dòng)、電信、阿里云等物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái),超低功耗,尺寸緊湊。采用電信NB-IoT的eSIM貼片卡,直接集成到板卡上,無(wú)需外置卡槽。當(dāng)接收到來(lái)自MCU的數(shù)據(jù)信號(hào)后,NB-IoT模組對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析打包,通過(guò)SMA射頻連接器送到NB-IoT專用天線,將數(shù)據(jù)外發(fā)至運(yùn)營(yíng)商基站轉(zhuǎn)送到云平臺(tái)上。
(4)DC-DC電源模塊。本系統(tǒng)采用TI的TPS54-331芯片,具有寬輸入范圍,可調(diào)節(jié)電壓,內(nèi)部集成MOS,效率高,欠壓過(guò)壓及過(guò)流保護(hù)等優(yōu)勢(shì)。為保證采集數(shù)據(jù)在信號(hào)處理和傳輸過(guò)程中,不被電源上的噪聲所干擾,保證NB-IoT模組供電電源和MCU及周邊電路的供電電源紋波較小。在電源引腳上使用RC濾波電路中,添加了固態(tài)電容進(jìn)一步減少電源噪聲對(duì)信號(hào)處理過(guò)程的干擾。
基于NB-IoT固件功能實(shí)現(xiàn)由MCU完成,主要包括系統(tǒng)初始化,以太網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及發(fā)送,NB-IoT模組數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及接收。軟件功能實(shí)現(xiàn)由上位機(jī)完成,主要包括全局初始化建立Socket通訊,配置NB模組連接NB網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用服務(wù)器,數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)收發(fā)。
(1)基于NB-IoT固件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。在硬件上電后即開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)初始化,包括以太網(wǎng)配置,NB-IoT模組配置等。隨后進(jìn)入主程序監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),當(dāng)監(jiān)測(cè)到來(lái)自上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后,對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并判斷,提取數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到NB-IoT模組,重復(fù)執(zhí)行。當(dāng)監(jiān)測(cè)到來(lái)自NB-IoT模組的數(shù)據(jù)后,產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)中斷,對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并判斷,提取數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到上層網(wǎng)絡(luò),復(fù)位中斷后重復(fù)監(jiān)測(cè)。MCU溝通于上位機(jī)和NB-IoT模組之間,根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)作出不同的信息反饋,根據(jù)接收到兩側(cè)數(shù)據(jù)情況作出不同的信息反饋,扮演了一個(gè)重要的角色。
(2)上位機(jī)功能軟件框圖如圖4所示。上位機(jī)連接硬件設(shè)備后,上電后首先進(jìn)行軟件模塊全局初始化并與MCU建立以太網(wǎng)通訊通道Socket。隨后按NB-IoT聯(lián)網(wǎng)流程一步步對(duì)NB-IoT模組配置使之附著到NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上,在這個(gè)過(guò)程中,如出現(xiàn)任何一流程失敗,軟件將重新配置NB-IoT模組聯(lián)網(wǎng)流程。完成附著NB-IoT網(wǎng)絡(luò)后,軟件發(fā)起建立連接上層應(yīng)用服務(wù)器,如果建立失敗即復(fù)位NB-IoT模組重新建立。并行存在的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用程序發(fā)起數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求,當(dāng)所有連接成功后,將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)遞交給NB-IoT模組發(fā)往云服務(wù)器,完成一次數(shù)據(jù)傳輸。
基于NB-IoT聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)部分(主要分為固件調(diào)試和硬件調(diào)試)通過(guò)后,就可聯(lián)合上位機(jī)產(chǎn)品一起進(jìn)行軟件和硬件的聯(lián)調(diào),再結(jié)合云平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行終端(PC及APP)聯(lián)調(diào)。后期開(kāi)展硬件可靠性測(cè)試、軟件性能測(cè)試、流程測(cè)試、系統(tǒng)兼容性等測(cè)試,完成基于NB-IoT技術(shù)一體化組合的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。
(1)固件和硬件完成聯(lián)調(diào)圖如圖5所示。當(dāng)硬件指標(biāo)測(cè)試通過(guò)后,結(jié)合固件進(jìn)行調(diào)試,用PC代替上位機(jī)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試硬件及固件功能,跟據(jù)相關(guān)的指令及要求進(jìn)行在線調(diào)試,如測(cè)試網(wǎng)絡(luò)功能,各項(xiàng)解析處理及NB-IoT數(shù)據(jù)收發(fā)功能等,完成聯(lián)調(diào)。
(2)上位機(jī)結(jié)合云平臺(tái)數(shù)據(jù)完成聯(lián)調(diào)如圖6、圖7所示。當(dāng)固件和硬件完成聯(lián)調(diào)后,結(jié)合上位機(jī)軟件及手機(jī)APP端進(jìn)行聯(lián)調(diào),將數(shù)控機(jī)床需要采集的數(shù)據(jù)信息通過(guò)NB-IoT聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上傳到云服務(wù)器,再通過(guò)手機(jī)APP端顯示。
本文給出了低成本、廣覆蓋、海量連接、穿透力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的基于NB-IoT技術(shù)的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)硬件分模塊化可靠設(shè)計(jì),固件簡(jiǎn)潔高效處理,上位機(jī)軟件功能實(shí)現(xiàn),分布式進(jìn)行聯(lián)調(diào)及一體化組合測(cè)試,充分驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性、穩(wěn)定性,并驗(yàn)證了該系統(tǒng)高度的兼容性,希望能夠在類似的產(chǎn)品或其他構(gòu)架的產(chǎn)品中得到更廣泛的應(yīng)用。
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