基于STM32的爐壁測(cè)溫物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁君奇，黎 鋼，向紫萱

（湖南瑞菱科技有限公司，湖南 湘潭 411101）

0 引 言

隨著我國高爐煉鐵設(shè)備的不斷完善與技術(shù)的不斷進(jìn)步，高爐的經(jīng)濟(jì)效益得到大幅提升?，F(xiàn)代高爐不僅可以使生產(chǎn)效率和質(zhì)量得到顯著提升，同時(shí)還有效推進(jìn)了我國高爐煉鐵潔凈、高效、長壽、低能耗等綜合目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。通過延長高爐壽命降低了生產(chǎn)成本，得到了國內(nèi)外高爐煉鐵行業(yè)的高度認(rèn)可[1]。

在高爐冶煉生產(chǎn)過程中，高爐爐缸和爐身冷卻壁保溫層長期處于一種慢性磨損、腐蝕和物料碰撞的狀態(tài)?？赡苁?fàn)t壁此部位保溫層逐漸變薄或破損，導(dǎo)致燒紅爐壁甚至發(fā)生重大安全事故。所以對(duì)爐壁溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控十分必要。

本系統(tǒng)以STM32L011K4T6芯片為控制核心，采用MAX6675與K型熱電偶作為溫度采集模塊，通信信號(hào)處理借助LoRa通信、RS 485通信、以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)。該溫度管理系統(tǒng)能夠方便地實(shí)現(xiàn)爐壁溫度管理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、在線采集，以及與以太網(wǎng)傳輸?shù)墓δ?，簡化了系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、維護(hù)等過程。該系統(tǒng)適用于高爐、熱風(fēng)爐、加熱爐等爐壁的測(cè)溫，具有數(shù)據(jù)無線傳輸、功耗低等特點(diǎn)[2-5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

爐壁溫度的自動(dòng)采集主要由LoRa采集終端、LoRa無線網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)溫度采集和顯示軟件組成。

LoRa采集終端：根據(jù)安裝區(qū)域，與K型熱電偶相連，負(fù)責(zé)接收K型熱電偶測(cè)量的溫度和發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在終端中?？梢宰孕刑砑咏K端數(shù)量（最多60個(gè)）并通過LoRa模塊傳輸數(shù)據(jù)，等待網(wǎng)關(guān)輪詢，待收到網(wǎng)關(guān)的查詢命令后將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)打包，無線傳輸給網(wǎng)關(guān)[6]。

LoRa無線網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)溫度采集和顯示軟件：當(dāng)上位機(jī)對(duì)網(wǎng)關(guān)發(fā)出采集命令時(shí)，網(wǎng)關(guān)對(duì)終端發(fā)出采集指令，終端將儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)通過一定的格式傳回給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將這部分?jǐn)?shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳到數(shù)據(jù)庫并應(yīng)用于采集軟件和顯示軟件。顯示軟件可以實(shí)時(shí)顯示高爐爐壁各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)及趨勢(shì)圖、雷達(dá)圖等，并且可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析，當(dāng)溫度過高或迅速上升到設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，立即進(jìn)行聲光報(bào)警，以保證高爐正常運(yùn)行。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)底層硬件設(shè)計(jì)

2.1 LoRa采集終端

LoRa采集終端作為高爐爐壁測(cè)溫控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于檢測(cè)和控制高爐爐壁的溫度，以保證高爐正常工作。數(shù)據(jù)采集終端主要由STM32L011K4T6單片機(jī)控制模塊、溫度與數(shù)據(jù)采集模塊、LoRa無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊組成。終端實(shí)物如圖2所示，其中單片機(jī)模塊采用STM32L011K4T6芯片；將K型熱電偶采集器件作為主要測(cè)溫采集元器件，與MAX6675芯片結(jié)合，作為溫度與數(shù)據(jù)采集模塊[7]；LoRa模塊主要由基于E22-400T22S的無線擴(kuò)頻芯片構(gòu)成；LoRa電源模塊主要采用工業(yè)鋰電池進(jìn)行直流供電，功耗低，成本低，節(jié)約能源。

圖2 LoRa采集終端實(shí)物

2.2 LoRa無線網(wǎng)關(guān)

LoRa無線網(wǎng)關(guān)作為高爐爐壁測(cè)溫系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)管理該網(wǎng)關(guān)構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域終端，通過測(cè)溫計(jì)算機(jī)終端向傳感器發(fā)送測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，并進(jìn)行采集、處理、分析、儲(chǔ)存，之后通過以太網(wǎng)接口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)主要由電源模塊、單片機(jī)模塊、LoRa模塊、RS 485模塊構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)實(shí)物如圖3所示，底層硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 LoRa無線網(wǎng)關(guān)實(shí)物

圖4 底層硬件設(shè)計(jì)

2.3 STM32控制模塊

本系統(tǒng)的單片機(jī)模塊均采用ST公司出品的STM32L011x3/4系列超低功耗芯片，該公司核心架構(gòu)芯片組選用基于ARM?Cortex?-M0+1 MHz內(nèi)核的進(jìn)階型超低頻率功耗核心單片機(jī)，自帶16 KB FLASH， 2 KB SRAM，512 B E2PROM，ADC等，工作電壓范圍為1.65～3.60 V，工作環(huán)境溫度范圍為-40～125 ℃。STM32L0系列超低功耗芯片與ARM內(nèi)核連接，使得STM32L0系列芯片適用于電池供電，很大程度上降低了功耗。STM32L0微控制器包含動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)、超低功耗時(shí)鐘振蕩器等。自主式外設(shè)有效降低了CPU的喚醒率，減輕了ARM內(nèi)核的負(fù)荷，對(duì)降低功耗和減少處理時(shí)間具有明顯作用。STM32芯片集成化高、體積小、使用方便，該芯片主要應(yīng)用領(lǐng)域包括警報(bào)系統(tǒng)、燃?xì)?水表和工業(yè)傳感器、有線和無線傳感器、遠(yuǎn)程控制等[8-9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件由底層硬件程序、上位機(jī)采集軟件和顯示軟件組成，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高爐爐壁測(cè)溫系統(tǒng)的關(guān)鍵[10]。軟件總體流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)流程

3.2 LoRa采集終端軟件設(shè)計(jì)

無線測(cè)溫終端的軟件實(shí)現(xiàn)主要包括MAX6675數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)、無線通信、485通信及定時(shí)中斷的軟件實(shí)現(xiàn)，用以檢測(cè)高爐爐壁的溫度以及數(shù)據(jù)的無線傳輸。

LoRa終端上電后對(duì)硬件進(jìn)行初始化，之后溫感元件開始檢測(cè)溫度并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之對(duì)應(yīng)的毫伏信號(hào)，最終通過LoRa網(wǎng)關(guān)傳輸。采集好的溫度數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，等待上位機(jī)查詢。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出采集命令后，終端休眠，停止采集數(shù)據(jù)，僅傳輸數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)輪詢終端，詢問結(jié)束后終端休眠，等待下一次采集。

3.3 LoRa無線網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

無線網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)接收終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并把接收到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給上位機(jī)，無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)過程包括初始化、判斷信息接收情況并做出響應(yīng)、輪詢查詢數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)等。

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

本系統(tǒng)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的顯示和分析效果良好，可以用不同的圖反應(yīng)高爐爐壁各部分的溫度情況，具體如圖6、圖7所示。

圖6 溫度數(shù)據(jù)柱狀圖

圖7 溫度數(shù)據(jù)折線圖

歷史查詢界面如圖8所示。當(dāng)終端或網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)問題時(shí)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，預(yù)防事故發(fā)生，避免造成重大損失。

圖8 歷史查詢界面

5 結(jié) 語

本文以LoRa無線傳輸技術(shù)在高爐爐壁測(cè)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用為背景，對(duì)高爐環(huán)境復(fù)雜等問題進(jìn)行研究，對(duì)該系統(tǒng)的各部分模塊進(jìn)行闡述，包括硬件部分（LoRa模塊、單片機(jī)模塊、RS 485模塊等）、軟件部分（無線數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)、無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)、采集與顯示軟件設(shè)計(jì)），同時(shí)還設(shè)計(jì)了適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的無線網(wǎng)絡(luò)通信頻段、Modbus網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等。最后對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了可靠性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有良好的性能，與傳統(tǒng)測(cè)溫方式相比更具優(yōu)勢(shì)。