LoRa技術(shù)在機(jī)械加工關(guān)鍵動態(tài)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用研究*

吳玉厚，代業(yè)旭，趙德宏

(沈陽建筑大學(xué) a.高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110168)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生為各行各業(yè)提供了一種嶄新的、先進(jìn)的發(fā)展和應(yīng)用模式，它作為一種將互聯(lián)網(wǎng)延伸和擴(kuò)展到任何物品與物品之間的網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、節(jié)能環(huán)保、商貿(mào)流通、能源交通、社會事業(yè)、城市管理、安全生產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)現(xiàn)代化和工業(yè)智能化的發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用并引發(fā)和指導(dǎo)了第四次工業(yè)革命。

機(jī)械制品在加工過程中會產(chǎn)生大量的加工數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不但影響著效率、加工質(zhì)量、成本等指標(biāo)，而且還與能效問題密切相關(guān)，目前，這些數(shù)據(jù)還沒有得到有效的收集和利用，數(shù)據(jù)信息分散問題還比較突出，導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)流失。物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感技術(shù)的興起和迅速發(fā)展，為解決數(shù)據(jù)收集問題提供了很大的幫助和技術(shù)支持，目前，大多數(shù)車間使用ZigBee技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)監(jiān)控，雖然ZigBee通訊頻率高，但是在傳輸過程中信號衰減速度快，而且通訊距離不足。

目前，不少學(xué)者對基于LoRa技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了有益的嘗試?；粽颀圼1]對LoRa技術(shù)在礦井無線通訊的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了對適用于井下環(huán)境的LoRa應(yīng)用架構(gòu)；劉莎[2]分析與設(shè)計(jì)了一種基于LoRa技術(shù)的智能建筑能耗管理系統(tǒng)；張湧濤等[3]設(shè)計(jì)了基于LoRa技術(shù)的井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對井下溫度、壓力等參數(shù)的采集；趙太飛等[4]設(shè)計(jì)了一種基于LoRa的智能抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對智能電表的能耗數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程管理。

機(jī)械加工車間工作環(huán)境復(fù)雜，信號環(huán)境雜亂，干擾因子較多，使得現(xiàn)有的工廠數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用效果并不理想，為了使數(shù)據(jù)能夠更加準(zhǔn)確、有效的進(jìn)行采集，分析了LoRa技術(shù)的特點(diǎn)，提出與LoRa技術(shù)相互配合的系統(tǒng)設(shè)備和應(yīng)用場合，并建立LoRa系統(tǒng)架構(gòu)，以期能夠以更加高效的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1 LoRa技術(shù)

傳統(tǒng)通訊方式3G、4G這類移動蜂窩技術(shù)通訊覆蓋面廣、傳輸速度高，但是對設(shè)備能量消耗大，系統(tǒng)容量受到限制，存在終端模塊高與電池壽命短的問題，然而，在實(shí)際應(yīng)用中，物與物的通訊并不總要追求高速率的寬帶方式，不需要像人與人通信終端那樣需要頻繁進(jìn)行充電，對終端的功耗需求較低，例如大量的水表監(jiān)測、農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測、煙霧報警等，這類傳感裝置的聯(lián)網(wǎng)要求選擇一個底寬帶、低功耗的網(wǎng)絡(luò)解決方案，LPWAN的概念也應(yīng)運(yùn)而生，相關(guān)技術(shù)也逐漸被開發(fā)出來，其中，最具代表性的是LoRa技術(shù)和NB-IoT技術(shù)，相比而言，LoRa技術(shù)是當(dāng)前最穩(wěn)定、成熟的窄帶物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)。LoRa技術(shù)作為非授權(quán)頻譜的LPWAN技術(shù)，具有網(wǎng)絡(luò)搭建靈活、部署成本低、商業(yè)化速度快等特點(diǎn)[5]。其技術(shù)特點(diǎn)如表1所示。

表1 LoRa技術(shù)優(yōu)勢及優(yōu)勢技術(shù)指標(biāo)

LoRa是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，此方案提供了一種簡單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)，LoRa能夠以低發(fā)射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離，并且前向糾錯編碼技術(shù)為數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了保證，即使在車間的復(fù)雜環(huán)境下也能夠確保采集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 需要采集的工藝參數(shù)分析

數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容主要是對加工工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)信息，因此，確定需要采集那些工藝參數(shù)是設(shè)計(jì)此系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，機(jī)械加工是對加工件的材料去除操作，所以，在機(jī)械加工過程中，切削力并不穩(wěn)定，然而，切削力對加工件的表面質(zhì)量、加工效率和刀具涂層磨損有直接關(guān)系，它們對切削力的變化十分敏感，因此，切削力數(shù)據(jù)是一項(xiàng)重要的數(shù)據(jù)內(nèi)容，切削深度、進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速對切削力有直接影響，所以在此系統(tǒng)中，切削深度數(shù)據(jù)、進(jìn)給速度數(shù)據(jù)和主軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)也在采集之列；在切削過程中，主軸的振動會導(dǎo)致加工件表面出現(xiàn)波紋，影響加工質(zhì)量和加工精度，對機(jī)床的壽命和刀具壽命也有不可忽視的影響；切削過程中的主軸振動也是需要采集的數(shù)據(jù)項(xiàng)之一，主軸振動降低了主軸加工能力，導(dǎo)致加工狀態(tài)不穩(wěn)定，同時也會主軸振動也會對主軸本身產(chǎn)生影響，因此，主軸振動數(shù)據(jù)也需要進(jìn)行采集分析。

刀具作為制造加工的關(guān)鍵裝備在加工中的地位非常重要，機(jī)械制品的切削是通過刀具完成的，刀具在對材料進(jìn)行加工的過程中，刀具與材料的切削區(qū)域之間有劇烈的作用力產(chǎn)生，同時伴有高溫、高壓的狀態(tài)，這些狀態(tài)會引起刀具涂層的磨損，刀具涂層的磨損會影響加工表面的粗糙度的變化、影響加工件切削顆粒的變化、切削力和切削振動的變化，而這些變化又會加速刀具涂層的磨損，減少了刀具的壽命，降低了加工件的質(zhì)量。

3 LoRa技術(shù)具體應(yīng)用及傳感器分析

在機(jī)床加工機(jī)床數(shù)據(jù)項(xiàng)中，進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速和切削深度在加工之前的編程中就已經(jīng)設(shè)定，因此，這部分?jǐn)?shù)據(jù)在一段工程的加工中是不發(fā)生變化的，因此這部分?jǐn)?shù)據(jù)可由加工人員上傳到數(shù)據(jù)庫中。LoRa技術(shù)主要針對的使用對象是機(jī)械加工過程中動態(tài)變化的數(shù)據(jù)，例如切削力數(shù)據(jù)、主軸振動數(shù)據(jù)、刀具磨損數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由于加工環(huán)境和加工體系問題不能使用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行采集。機(jī)床的結(jié)構(gòu)緊湊，空間余量較少，為了不影響機(jī)床工作，傳感器需要以最佳的空間利用方式安裝在需要采集數(shù)據(jù)的部件上，傳感器的空間配置決定了其所使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必須有很強(qiáng)的穿透力，LoRa技術(shù)的特性很好的解決了其他網(wǎng)絡(luò)穿透力較弱的問題。

切削力貫穿整個加工過程，并且不斷發(fā)生變化，對切削力的測量和記錄需要用到切削力傳感器技術(shù)，劉玉香[6]設(shè)計(jì)了一種可以將傳感器安裝在刀柄上的切削力測量系統(tǒng)并設(shè)計(jì)了將傳感器安裝在刀柄上的載體。該切削力傳感系統(tǒng)的切削力信號采用石英壓電晶片作為傳感器的敏感元件，由多路電荷放大模塊將電荷放大，經(jīng)過內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行無線發(fā)送，系統(tǒng)采用其方法實(shí)現(xiàn)對切削力數(shù)據(jù)的收集工作。主軸振動傳感器采用朗斯測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LC0152T集成電路壓電加速度傳感器，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

在加工過程中，刀具涂層部分與加工件表面接觸，所以在采集刀具涂層磨損信息的時候需要利用聲音信號進(jìn)行刀具涂層磨損信息的分析，艾長勝等[7]學(xué)者研究出了一種利用聲信號識別刀具磨損情況的方法，并將刀具的磨損等級分成了5個等級，該系統(tǒng)基于HMM(隱馬爾可夫模型)進(jìn)行聲信號的分析，依據(jù)聲信號將刀具的整個生命周期分為了五個刀具磨損等級，本系統(tǒng)依據(jù)其研究成果設(shè)計(jì)刀具涂層磨損數(shù)據(jù)類型和判別方式。

可見，在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中，由于需要傳輸實(shí)時數(shù)據(jù)，所以對網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度、傳輸質(zhì)量要求比較高，LoRa具有超強(qiáng)的鏈路預(yù)算，其較強(qiáng)的通信覆蓋能力和信道容量能夠保證數(shù)據(jù)在保質(zhì)、保量的情況下實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離傳輸。

表2 LC0152T集成電路壓電加速度傳感器技術(shù)參數(shù)表

4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于LoRa技術(shù)的機(jī)械加工過程中動態(tài)變化數(shù)據(jù)的采集，其總體架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示，各部分均為雙向通信。其中，節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3組成第一部分，這三個節(jié)點(diǎn)分別代表切削力數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、主軸振動數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、刀具磨損數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)與傳感器連接，負(fù)責(zé)收集傳感數(shù)據(jù)；LoRa網(wǎng)關(guān)組成系統(tǒng)的第二部分，它是建設(shè)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是緩解海量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳所引發(fā)的并發(fā)沖突，將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確順利的傳輸給服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)從LoRa方式到網(wǎng)絡(luò)方式的轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包封裝后傳輸給服務(wù)器；服務(wù)器組成系統(tǒng)的第三部分，服務(wù)器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和處理；終端組成系統(tǒng)的第四部分，這部分主要由應(yīng)用程序組成，主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4.2 LoRaWAN設(shè)計(jì)

LoRaWAN的組網(wǎng)方式是星型拓?fù)洌渫負(fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)勢如表3所示。

表3 LoRaWAN星型組網(wǎng)方式優(yōu)點(diǎn)

LoRa網(wǎng)關(guān)是LoRaWAN的關(guān)鍵設(shè)備，LoRa網(wǎng)關(guān)由LoRa模塊、MCU(微控制單元)、電源以及其他電路接口組成。在星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)關(guān)是一個透明的中繼，可實(shí)現(xiàn)與終端的LoRa數(shù)據(jù)通信、與服務(wù)器的IP數(shù)據(jù)通信，以及通信數(shù)據(jù)在LoRaWAN協(xié)議與TCP/IP協(xié)議間的互相轉(zhuǎn)換[8]。

4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制軟件均運(yùn)行于基于ARM Cortex-M系列內(nèi)核的STM32F103系列的微控制器上，此系列型號具有高達(dá)1MB的Flash，電機(jī)控制、USB和CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))等功能，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)選用STM32F103RCT6型號，軟件運(yùn)行載體選用的型號為STM32F103VET6，這兩種型號的芯片可以滿足本系統(tǒng)的對數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男枨蟆?/p>

數(shù)據(jù)采集的軟件運(yùn)行在STM32F103RCT6上，其主要任務(wù)是完成加工過程中動態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集以及通過LoRa網(wǎng)絡(luò)接收和上傳數(shù)據(jù)。時鐘芯片在剛上電的時候，默認(rèn)使用內(nèi)部高速時鐘，上點(diǎn)之后，經(jīng)過配置，使用精度和穩(wěn)定度較高的外部時鐘信號；設(shè)置檢測信號間斷時間t，使其在一定的時間內(nèi)如果沒有檢測到有用信號就關(guān)閉；控制器通電后，對外設(shè)以及配置外設(shè)的時鐘、I/O端口進(jìn)行初始化配置，對數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、管腳結(jié)構(gòu)體、通信波特率、串口模式結(jié)構(gòu)體和變量進(jìn)行初始化和配置，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)采集，直到一個階段加工結(jié)束，為了防止在噪聲干擾的信道中傳輸數(shù)據(jù)時出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，引入前向糾錯編碼技術(shù)(FEC)，將信源序列分成獨(dú)立的塊進(jìn)行處理和編碼，其工作方式是給傳輸?shù)男畔凑找环N算法添加冗余部分，一個冗余位的值是原始信息中許多信息位的函數(shù)。其流程圖如圖2所示。數(shù)據(jù)管理軟件運(yùn)行于STM32F103VET6上，負(fù)責(zé)接收采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，碼字通過信道到達(dá)接收端后，如果錯誤在可糾錯范圍內(nèi)，則對數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼運(yùn)算，從而抵抗信道帶來的干擾，如果不在可糾錯范圍內(nèi)，則將該數(shù)據(jù)包丟棄。后續(xù)應(yīng)用主要是通過大數(shù)據(jù)以及高性能的分析，從而降低加工成本、提高加工效率、開發(fā)新產(chǎn)品、做出更明智的加工決策。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)流程圖

4.4 系統(tǒng)傳輸性能測試

要使得數(shù)據(jù)能夠提供強(qiáng)大的決策力，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，在傳輸距離遠(yuǎn)這種環(huán)境下，干擾因子較多，數(shù)據(jù)容易丟失，因此，數(shù)據(jù)要在遠(yuǎn)距離傳輸?shù)那闆r下還必須有較高的準(zhǔn)確率，故需要對傳輸性能進(jìn)行測試，系統(tǒng)采用的是SemTech公司的SX1301擴(kuò)頻調(diào)制射頻芯片，設(shè)置通信參數(shù)為編碼率CR=4/5，擴(kuò)頻因子SF=12，信號帶寬Bw=125kHz，發(fā)射功率為15dBm時，無丟包通信距離可達(dá)到5km,在低功率、低能耗的情況下有效提高了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距傳輸?shù)母邷?zhǔn)確率，達(dá)到了工廠實(shí)際環(huán)境下數(shù)據(jù)的高準(zhǔn)確率和遠(yuǎn)距傳輸?shù)囊蟆?/p>

5 結(jié)論

本文提出了基于LoRa技術(shù)的機(jī)械加工過程動態(tài)數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在機(jī)械加工過程中對切削力數(shù)據(jù)、主軸振動數(shù)據(jù)、刀具磨損數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。本系統(tǒng)具有較長的通信距離、較強(qiáng)的抗干擾性、實(shí)施過程簡便等優(yōu)點(diǎn)，對現(xiàn)代機(jī)械生產(chǎn)加工的信息化和數(shù)字化有一定推動作用，為現(xiàn)代機(jī)械加工數(shù)據(jù)采集方式提出了一種思考方式和施工模式,為工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用有一定的推動作用。