PE燃氣管道焊接質(zhì)量無線監(jiān)控系統(tǒng)

呂志剛 ，郜 輝 ，王 鵬 ，史志軍

（1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710032；2.西安工業(yè)大學(xué) 研究生院，西安 710032）

PE燃氣管道焊接質(zhì)量無線監(jiān)控系統(tǒng)

呂志剛1，郜 輝1，王 鵬1，史志軍2

（1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710032；2.西安工業(yè)大學(xué) 研究生院，西安 710032）

該文所設(shè)計的無線監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)E燃氣管道定位信息和焊接過程參數(shù)，通過4G網(wǎng)絡(luò)實時上傳至監(jiān)控中心，用于實現(xiàn)對焊接質(zhì)量的實時判斷。同時，該系統(tǒng)提供焊接數(shù)據(jù)的翻譯及在線打印功能，便于用戶的數(shù)據(jù)備案與管理。在完成STM32F103RCT6處理器最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，外擴4G無線通信模塊、GPS定位模塊、存儲模塊、在線打印等模塊，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定運行，可實現(xiàn)與熱熔焊機、電熔焊機的無縫連接，且硬件連接簡單，已成功應(yīng)用于燃氣輸送、給排水、油田化工等領(lǐng)域。

無線監(jiān)控；PE燃氣管道；STM32；定位信息；焊接工藝參數(shù)

近年來，PE管道（聚乙烯管道）因其性能穩(wěn)定、封閉性好、施工簡單等特點，在燃氣配送、給排水、石油化工等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在進行PE管道連接時，常使用電熔焊機或熱熔焊機來完成對接工作，焊接質(zhì)量受人為因素影響較大[1]。如何保證PE管道的焊接質(zhì)量，成為研究熱點。

目前，國內(nèi)PE管道的焊接質(zhì)量主要依靠焊機輸出的過程參數(shù)來進行判斷。焊接結(jié)束后，將過程參數(shù)進行打印或者U盤存儲后，交至管理者進行焊接質(zhì)量的判斷。這種質(zhì)量控制方式存在較大的延遲，不能進行實時的質(zhì)量判斷，也無法快速定位質(zhì)量有問題的焊口位置。

在此，設(shè)計了PE燃氣管道焊接質(zhì)量無線監(jiān)控系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)，能夠在焊后將焊口位置、過程參數(shù)等信息立即傳送至服務(wù)器端，完成焊接質(zhì)量的實時判斷及快速定位，這對于提高PE管道的焊接質(zhì)量起到極大的促進作用，也是其創(chuàng)新之處。

1 系統(tǒng)工作原理

整個無線監(jiān)控系統(tǒng)主要由電熔/熱熔焊機、無線監(jiān)控模塊、監(jiān)控中心等部分構(gòu)成。

系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。電熔/熱熔焊機是完成焊接工作的設(shè)備，焊機數(shù)據(jù)輸出端與無線監(jiān)控模塊相連接。無線模塊負責(zé)獲取當前的GPS定位信息，將接收到的焊接過程參數(shù)，通過4G網(wǎng)絡(luò)無線傳輸至遠程監(jiān)控管理中心。監(jiān)控中心是焊接質(zhì)量的決策者，一旦發(fā)現(xiàn)焊口的焊接質(zhì)量不合格，能夠立即進行定位，并要求施工人員重新進行焊接或者將責(zé)任落實到具體人員，有效地提高了PE管道的焊接質(zhì)量。

圖1 系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of system

2 硬件設(shè)計

無線監(jiān)控模塊硬件由CPU模塊、4G無線通信模塊、GPS定位模塊、RS232通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、實時時鐘模塊、聲光報警模塊等構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware block diagram

2.1 CPU模塊

作為核心部分，CPU采用了STM32F103RCT6高速微處理器。這是一款由意法半導(dǎo)體推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的16位增強型ARM7處理器。

STM32F103RCT6采用LQFP64封裝，內(nèi)部集成64 KB的靜態(tài)RAM，內(nèi)部256 KB的超大容量Flash存儲器系統(tǒng)，提供5個串口，支持JTAG和SWD調(diào)試，在手持設(shè)備、電機驅(qū)動、PC游戲外設(shè)和空調(diào)系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

2.2 4G無線通信模塊

4G無線通信模塊由4G模塊S IM7100構(gòu)成，不僅支持4G網(wǎng)絡(luò)，而且可以向下兼容3G/2G網(wǎng)絡(luò)，最大通信速率可達到上行速率50 Mb/s，下行速率100 Mb/s[2]。將現(xiàn)場的焊接過程參數(shù)和定位信息上傳到指定服務(wù)器端，實現(xiàn)焊接質(zhì)量的實時監(jiān)控。

在硬件設(shè)計方面，SIM7100的RXD和TXD分別與STM32串口1的TXD1和RXD1相連，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)；SIM7100與SIM卡座之間通過DATA，RST，CLK相連；LED1和LED2為2個發(fā)光二極管，分別用作狀態(tài)指示燈和入網(wǎng)指示燈。其硬件設(shè)計如圖3所示。

圖3 4G無線通信模塊Fig.3 4G wireless communication module

2.3 GPS定位模塊

定位模塊如圖4所示，該部分由GPS導(dǎo)航定位模塊UBLOX的NEO-6M構(gòu)成，提供焊接現(xiàn)場的經(jīng)緯度信息，為實現(xiàn)不合格焊口的準確定位提供原始位置數(shù)據(jù)。

圖4 GPS定位模塊Fig.4 GPS positioning module

NEO-6M模塊硬件設(shè)計簡單，其串口收發(fā)管腳RXD和TXD分別直接與STM32串口2的TXD2和RXD2相連；RF_IN需要外接天線，在空曠地帶定位信號最佳。

2.4 RS232通信模塊

通信模塊如圖5所示，系統(tǒng)使用MAX202外擴2個RS232接口電路，實現(xiàn)接收焊機數(shù)據(jù)和得到焊接過程中的具體參數(shù)2個功能；外接打印機，實現(xiàn)焊接數(shù)據(jù)的本地翻譯及打印功能。

MAX202器件是專為RS232通信接口設(shè)計的收發(fā)器，發(fā)送器和接收器的數(shù)據(jù)傳輸速率達20 KB/s，提供2路RS232轉(zhuǎn)換，滿足系統(tǒng)要求。將STM32單片機的串口3和串口4，轉(zhuǎn)換成2路標準的RS232接口，RXD33和 TXD33與焊機連接，RXD44和TXD44與打印機連接。

圖5 RS232通信模塊Fig.5 RS232 communication module

2.5 數(shù)據(jù)存儲模塊

由于SIM卡欠費、4G信號弱、服務(wù)器崩潰等原因，導(dǎo)致數(shù)據(jù)上傳失敗時，就需要在本地存儲上傳失敗的記錄。待異常排除后，記錄能夠重新上傳。數(shù)據(jù)存儲模塊如圖6所示，該模塊由可編程閃速存儲器AT45DB161構(gòu)成，存儲的數(shù)據(jù)斷電后不會丟失。

圖6 數(shù)據(jù)存儲模塊Fig.6 Data storage module

AT45DB161是一款基于SPI接口的Flash存儲器，共4096頁存儲單元，每頁存儲528 B信息，共計2 MB[3]。每條記錄按照2 KB計算，能夠存儲1000條失敗記錄。

2.6 實時時鐘模塊

實時時鐘模塊如圖7所示。該模塊由PCF8563構(gòu)成，能夠為系統(tǒng)提供實時時間信息，例如給失敗記錄增加1個時間戳等。

圖7 實時時鐘模塊Fig.7 Real-time clock module

PCF8563是一款基于I2C接口的實時時鐘芯片，能夠提供年、月、日、時、分、秒等時間信息。另外，可以設(shè)置鬧鐘時間功能，鬧鐘時間到時INT引腳會輸出1個脈沖信號。

2.7 聲光報警模塊

當出現(xiàn)傳輸失敗、記錄超限、無法連接服務(wù)器等異常情況時，采用聲光報警，提醒操作人員及時處理。聲光報警模塊如圖8所示。

圖8 聲光報警模塊Fig.8 Alarm module

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括：下位機軟件——STM32單片機端編程部分，負責(zé)采集、發(fā)送數(shù)據(jù)；上位機軟件——上位機服務(wù)器端編程部分，負責(zé)接收、管理、決策數(shù)據(jù)。

3.1 下位機軟件

使用C編程語言，在KEIL5集成開發(fā)環(huán)境下，完成STM32單片機的軟件設(shè)計。采用模塊化設(shè)計，結(jié)合中斷、濾波技術(shù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其主流程如圖9所示。

3.2 上位機軟件

使用JAVA開發(fā)環(huán)境，結(jié)合MYSQL數(shù)據(jù)庫和百度地圖，完成了基于B/S架構(gòu)上位機監(jiān)控中心軟件設(shè)計。

特別是應(yīng)用百度地圖，使用戶可以從地圖服務(wù)和開發(fā)兩方面方便地進行地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用[4]。上位機目標定位界面如圖10所示。利用百度地圖，能夠?qū)⒏骱缚诘奈恢蔑@示在數(shù)字地圖上，并標注不合格焊口的位置。本監(jiān)控中心軟件功能強大、運行穩(wěn)定、操作簡單。

4 結(jié)語

PE燃氣管道焊接質(zhì)量無線監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集焊接數(shù)據(jù)和GPS定位信息，并通過4G無線網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心。在監(jiān)控中心，用戶可以根據(jù)焊接過程參數(shù)，完成焊接質(zhì)量的判定；在GPS定位信息的協(xié)助下，能夠快速定位焊接不合格焊口的位置。目前，該系統(tǒng)已取得成功應(yīng)用，為提高PE管的焊接質(zhì)量，減少泄漏事故的發(fā)生，打下良好的基礎(chǔ)。

圖9 下位機軟件流程Fig.9 Flow chart of lower computer software

圖10 上位機目標定位界面Fig.10 Host computer target positioning interface

[1] 李劍春.PE燃氣管道焊接施工質(zhì)量管理與控制策略探究[J].科技與創(chuàng)新，2016，3（15）：45-46.

[2] 伍耀常，趙利，王陽明.基于WIFI組網(wǎng)的通用智能車載終端設(shè)計[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報，2016，36（5）：401-405.

[3] 呂志剛，王鵬，范曉光.基于ARM7處理器的車載式無線監(jiān)控稱重儀設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011，41（2）：35-37.

[4] 趙意鵬，趙河明，鄧星星，等.基于GPRS和百度地圖API的火災(zāi)定位系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2016，31（1）：26-29，47.

PE Gas Pipeline Welding Quality Wireless Monitoring System

LV Zhi-gang1，GAO Hui1，WANG Peng1，SHI Zhi-jun2
（1.School of Electronics and Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China；2.Graduate School，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China）

Wireless monitoring system can transmitted PE gas pipeline location information and welding process parameters to monitor center by 4G network real-time，from which the welding quality can be judged.Also，it provides translation and print function for the welding data，which is backed up and managed well.Based on the minimum system of STM32F103RCT6，4G wireless communication module，GPS position module，data storage module，online print module and other modules are designed to make it work stably.This system can be achieved with electro-fusion joining machine and heat-fusion joining machine seamless connection，and hardware connection is simple.It has been successfully used in gas pipe，water drainage，petrochemical operation and other fields.

wireless monitor；PE gas pipeline；STM32；location information；welding parameter

TP277；TE973.3

B

1001-9944（2017）08-0034-03

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.009

2017-03-06；

2017-04-20

西安市未央?yún)^(qū)科學(xué)技術(shù)局2017年科技計劃項目（產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新計劃）（201712）

呂志剛（1978—），男，碩士，副教授，研究方向為嵌入式、現(xiàn)場總線技術(shù)；郜輝（1992—），男，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)；王鵬（1978—），男，碩士，教授，研究方向為無線通信；史志軍（1979—），男，碩士，講師，研究方向為無線通信。