基于阿里云的電阻點焊數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李東陽 鄧黎鵬 胡德安 譚欽文

摘要：基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺和MQTT（消息隊列遙測傳輸）通信協(xié)議技術(shù)，設(shè)計了一套以 STM32F103VET6單片機為主控核心，以阿里云IoT Studio（物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)）網(wǎng)頁為監(jiān)測界面的電阻點焊數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了電阻點焊過程的在線監(jiān)測和焊接電流、電極壓力曲線的遠程實時顯示。該監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計分為硬件和軟件兩個部分，主要內(nèi)容包括傳感器、數(shù)據(jù)信號處理模塊、主控模塊、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)以及阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺等。實測結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確地實現(xiàn)對焊接數(shù)據(jù)的遠程實時監(jiān)測，性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸丟包率低于1%，為物聯(lián)網(wǎng)化下的智能化焊接提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：電阻點焊;實時監(jiān)測;物聯(lián)網(wǎng); MQTT

中圖分類號： TG438.2????? 文獻標(biāo)識碼： B文章編號：1001-2303（2022）02-0078-06

Design of Data Monitoring System for Resistance Spot Welding Based on Alibaba Cloud

LI Dongyang， DENG Lipeng， HU Dean， TAN Qinwen

School of Aeronautical Manufacturing Engineering， Nanchang Hangkong University， Nanchang 330063， China

Abstract： Based on the Alibaba Cloud Internet of Things platform and MQTT （Message Queue Telemetry Transmission） communication protocol technology， a set of resistance spot welding data with STM32F103VET6 microcontroller as the main control core and Alibaba Cloud IoT Studio （Internet of Things Application Development） webpage as the monitoring interface is designed The monitoring system realizes online monitoring of resistance spot welding process and remote real- time display of welding current and electrode pressure curve. The design of the monitoring system is divided into two parts： hardware and software. The main content includes sensors， data signal processing modules， main control modules， wireless transmission networks， and Alibaba Cloud Internet of Things platform. The actual measurement results show that the system can accurately realize remote real-time monitoring of welding data， with stable performance， and the data transmission packet loss rate is less than 1%， which provides technical support for intelligent welding under the Internet of Things.???????? Keywords： resistance spot welding; real-time monitoring; internet of Things; MQTT

引用格式：李東陽，鄧黎鵬，胡德安，等.基于阿里云的電阻點焊數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電焊機，2022，52（2）：78-83.

Citation：LIDongyang， DENG Lipeng， HU Dean， et al. Design of Data Monitoring System for Resistance Spot Welding Based on Alibaba Cloud[J]. Electric Welding Machine， 2022， 52（2）：78-83.

0? 前言

隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，極大提高了工業(yè)生產(chǎn)效率[1]。電阻點焊過程具有高度非線性、多變量耦合作用并伴隨著大量的隨機因素，因此在線監(jiān)測電阻點焊過程對提高焊點質(zhì)量有著重要意義[2-3]。由于傳統(tǒng)的焊接過程監(jiān)控不足、數(shù)據(jù)監(jiān)測相對孤立，造成了巨大的人力物力浪費[4]，因此建立了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的電阻點焊數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，將各個點焊設(shè)備連接起來以達到集中監(jiān)測，具有重要的應(yīng)用價值。

近年來隨著制造業(yè)向精細化方向發(fā)展，對電阻點焊質(zhì)量的要求也在不斷提高，電阻點焊監(jiān)測系統(tǒng)也成為了國內(nèi)外研究的熱點。管景凱[5]等人采用觸摸屏作為電阻點焊監(jiān)測儀的人機交互界面，并通過 RS485串口完成單片機與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了電阻點焊的在線監(jiān)測和焊接過程分析。李偉[6]使用LabVIEW軟件編寫了上位機監(jiān)測界面程序和數(shù)據(jù)處理程序，能準(zhǔn)確獲取點焊過程的特征信號。蔡洪豐[7]采用外擴RAM 的ATMEGA128單片機作為監(jiān)測系統(tǒng)的控制核心，實現(xiàn)對焊接電流和動態(tài)電阻的準(zhǔn)確測量。Haghshenas[8]等人使用高速攝影儀對電極位移進行測量，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)對點焊質(zhì)量的預(yù)測。Li[9]采用PLC高速采集卡和 AD轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)對焊接電流和電極間電壓的同步采集。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)化進程的推進，將云平臺和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備監(jiān)測已經(jīng)成為一個趨勢，國內(nèi)已有許多學(xué)者對此展開了研究。李鑫磊[10]通過在云服務(wù)器上搭建MQTT服務(wù)器方法，實現(xiàn)了管道焊接的云監(jiān)控功能。路昊[11]利用單片機、低功耗無線通信模塊實現(xiàn)對消防設(shè)備的遠程監(jiān)測和報警。王曉蘭[12]等人基于CAN總線和ZigBee技術(shù)構(gòu)建了地下感測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并通過3G/GPRS技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對礦井設(shè)備的實時監(jiān)測和故障診斷。劉歡[13]等人采用邊緣-云架構(gòu)的方式實現(xiàn)對核電設(shè)備的遠程監(jiān)測和智能診斷。本文在以上研究的基礎(chǔ)上，通過對物聯(lián)網(wǎng)云平臺與點焊監(jiān)測原理的分析，設(shè)計了一套基于云平臺的實時點焊監(jiān)測系統(tǒng)，以充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在焊接設(shè)備監(jiān)測與質(zhì)量管理中的優(yōu)越性。

1? 基于云平臺的監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)主要由焊接數(shù)據(jù)傳感器、數(shù)據(jù)信號處理模塊、主控模塊、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)以及阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)成。以上各模塊分別對應(yīng)著本系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

電流傳感器和電極壓力傳感器采集相應(yīng)的焊接數(shù)據(jù)信號，經(jīng)數(shù)據(jù)信號處理模塊的積分、放大等電路處理后得到模擬信號，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送至主控芯片，主控芯片通過其內(nèi)部移植的FreeRTOS實時操作系統(tǒng)調(diào)取任務(wù)程序?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進行有效值計算，并判斷是否超出設(shè)置的工藝范圍，然后將以上數(shù)據(jù)打包整理成標(biāo)準(zhǔn)的 MQTT報文格式，數(shù)據(jù)包經(jīng)WiFi模塊—無線路由器—互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)桨⒗镌茢?shù)據(jù)庫服務(wù)器，由阿里云 IoT Studio構(gòu)建的可視化應(yīng)用網(wǎng)頁從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中調(diào)取數(shù)據(jù)，向遠程用戶呈現(xiàn)焊接過程監(jiān)測狀態(tài)和實時數(shù)據(jù)曲線、歷史數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)，用戶也可以根據(jù)需要對焊機下發(fā)一些簡單的控制指令。

2? 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? 主控模塊硬件電路設(shè)計

主控模塊是系統(tǒng)的控制核心，由于其需要對大量的焊接信號進行處理和傳輸，因此采用以Cortex- M3為內(nèi)核的 STM32F103VET6單片機作為本系統(tǒng)的控制核心，該芯片具有高性能、低功耗等優(yōu)點，其最高72 MHz 的工作頻率基本滿足系統(tǒng)對實時性的要求。主控模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主控模塊采用24 V直流電源進行供電，通過 LM2596和LM117模塊將電源電壓降到5 V和3.3 V，分別對 USB 轉(zhuǎn)串口模塊和主控 MCU進行供電。 SD 卡接口用于數(shù)據(jù)的外部存儲，USB 轉(zhuǎn)串口模塊用于系統(tǒng)的調(diào)試，與芯片 GPIO 相連接的按鍵和 LED 指示燈用于系統(tǒng)的復(fù)位和狀態(tài)顯示。主控板與路由器的無線傳輸是依靠以ESP8266為核心的無線傳輸模塊實現(xiàn)，ESP8266是集成WiFi和32位Tensilica處理器的嵌入式WiFi模塊，具有性能穩(wěn)定、傳輸速度快等優(yōu)點。

2.2? 焊接數(shù)據(jù)信號處理電路

本系統(tǒng)需要對焊接電流和電極壓力兩個模擬信號進行采集和處理。電流信號檢測易受到外界干擾，因此采用 Rogowski 線圈作為電流傳感器， Rogowski線圈輸出的信號經(jīng)積分電路積分后得到焊接電流，然后再經(jīng)過濾波、整流等電路傳到MUC的 ADC 模塊中。設(shè)計的電流信號積分電路采用 ICL7650作為運放的核心，其具有增益高、失調(diào)小和漂移低等優(yōu)點，能很好地滿足積分電路高輸出阻抗、低輸入阻抗和高精度反饋的要求。

電極壓力傳感器采用的是壓阻式壓力傳感器，其輸出的電壓信號在70～350 mV范圍內(nèi)，本系統(tǒng)通過放大電路將其升至0～3.3 V供AD轉(zhuǎn)換模塊識別。

3? 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1? 軟件總體設(shè)計

通過STM32中移植的FreeRTOS實時操作系統(tǒng)對任務(wù)程序進行調(diào)度，實現(xiàn)對焊接數(shù)據(jù)信號的處理及傳輸。系統(tǒng)主要有AD轉(zhuǎn)換及緩存、數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測、MQTT報文制定、消息訂閱與發(fā)布、MQTT報文解析、WiFi通信6個子任務(wù)程序，使用FreeRTOS的搶占式任務(wù)調(diào)度器來協(xié)調(diào)各子任務(wù)的運行，軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。程序流程如圖4所示。

3.2 ??MQTT通訊協(xié)議制定

MQTT 是一套專門為物聯(lián)網(wǎng)定制的輕量級應(yīng)用層協(xié)議。MQTT有三種服務(wù)質(zhì)量等級，本系統(tǒng)選擇服務(wù)等級1“至少一次”，確保信息的準(zhǔn)確送達， MQTT總共有14個控制報文，其中最主要的幾個控制報文信息如表1所示。

控制報文的內(nèi)容由固定報頭、可變報頭和負載組成。CONNECT報文用于客戶端請求與服務(wù)端連接，由客戶端向服務(wù)端發(fā)送，CONNECT的固定報頭是固定的0x10加剩余長度，可變報頭的內(nèi)容用于配置功能，如設(shè)置協(xié)議名、設(shè)置協(xié)議級別等，負載部分則是用于提交所要連接客服端的ID、用戶名和密碼等信息，以上的客戶端信息是根據(jù)阿里云中所建立設(shè)備的三元組構(gòu)建而成的，打開網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手發(fā)送 CONNECT 報文，服務(wù)器端會返回確認連接報文：0x20020000，表示連接成功，圖5框中是CONNECT報文內(nèi)容。

通過 SUBSCRIBE報文訂閱相關(guān)Topic后，便可以向服務(wù)器端發(fā)送PUBLISH 報文，PUBLISH 報文負載部分是焊接過程參數(shù)的標(biāo)識符和數(shù)值，參數(shù)的標(biāo)志符和數(shù)據(jù)類型需要在阿里云平臺中進行定義，將含有焊接過程數(shù)據(jù)的PUBLISH報文通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手發(fā)送到服務(wù)器時，會在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)備物模型中觀測到焊接過程數(shù)據(jù)，如圖6所示。在本系統(tǒng)中PUBLISH報文發(fā)送的實時數(shù)據(jù)有焊接電流、電極壓力、報警數(shù)據(jù)、工件編號、設(shè)備信息、控制指令等。

3.3? 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺監(jiān)測界面設(shè)計

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺是一個專門為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)的應(yīng)用平臺。首先在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺上建立相關(guān)的產(chǎn)品和設(shè)備以及所需的物模型，建立成功后生成的設(shè)備的三元組信息，在系統(tǒng)MQTT通訊協(xié)議程序中設(shè)置與之相同的三元組。然后在IoT Studio平臺上建立電腦端應(yīng)用網(wǎng)頁和移動端應(yīng)用網(wǎng)頁，并關(guān)聯(lián)前面所建立的產(chǎn)品和設(shè)備，設(shè)計電腦端和移動端監(jiān)測界面，布置頁面組件如按鈕、數(shù)據(jù)曲線等，并為其配置物模型中的數(shù)據(jù)源，電腦端和移動端監(jiān)測系統(tǒng)界面分別如圖7、圖8所示。

4? 實驗測試與結(jié)果

點焊電源設(shè)備采用型號為IDW-8100的精密焊接電源，加壓設(shè)備采用型號為MSME022G1S的松下伺服電機。

（1）焊接過程中，將主控板的串口轉(zhuǎn)USB模塊連接到電腦的USB 口，焊接完一次后，主控板通過串口調(diào)試助手將緩存區(qū)中采集到的數(shù)據(jù)打印到電腦上，然后通過Origin軟件將該數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖9所示，物聯(lián)網(wǎng)平臺中物模型會將接收到數(shù)據(jù)以曲線的形式展現(xiàn)出來，如圖10所示。對比圖9、圖10，物聯(lián)網(wǎng)平臺上的實時曲線與主控板中采集到的數(shù)據(jù)曲線一致，未出現(xiàn)失真現(xiàn)象。

（2）在單片機串口2波特率設(shè)置為115200且WiFi傳輸距離為30 m以內(nèi)的情況下，焊接5次，每次上傳約2000組數(shù)據(jù)，對比主控板實際測量數(shù)據(jù)和云平臺物模型數(shù)據(jù)，結(jié)果表明每次焊接平均丟包率低于1%，傳輸穩(wěn)定，滿足實際生產(chǎn)傳輸要求。

5? 結(jié)論

本文給出了一種基于阿里云的電阻點焊監(jiān)測方案，滿足預(yù)期目標(biāo)：

（1）完成以STM32為核心的單片機外圍電路和焊接信號處理電路設(shè)計，實現(xiàn)對焊接過程信號的高頻采集和處理。

（2）在單片機中移植FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，并設(shè)計各個子任務(wù)程序，完成對數(shù)據(jù)的處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸，為未來點焊車間的物聯(lián)網(wǎng)化監(jiān)測提供了軟件模型。

（3）通過登錄阿里云平臺電腦端和移動端應(yīng)用網(wǎng)頁實現(xiàn)了對焊機的遠程實時監(jiān)測，經(jīng)測試，實時曲線未出現(xiàn)失真現(xiàn)象，傳輸過程中丟包率低于1%，具有較高的穩(wěn)定性、良好的應(yīng)用前景和參考價值。

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