呂志剛，趙　鋒，王　鵬，郜　輝，張曉明

(1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院,陜西 西安 710021； 2.西安塑龍熔接設(shè)備有限公司,陜西 西安 710043；3.陜西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，陜西 西安 710048)

0　引言

近年來(lái)，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，各傳統(tǒng)行業(yè)迫于市場(chǎng)壓力開(kāi)始轉(zhuǎn)型[1]。PE管道焊接在我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展中相對(duì)滯后，由于受人為因素的影響，焊接質(zhì)量難以保證[2]。實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程參數(shù)的實(shí)時(shí)智慧判斷，是提高焊接質(zhì)量、構(gòu)建智慧城市的重要保證[3]。

焊接人員、焊接地點(diǎn)、焊接參數(shù)是影響PE管道焊接質(zhì)量的重要因素[4]。目前，國(guó)內(nèi)PE管道焊接質(zhì)量主要靠事后的人為判斷，與智慧城市的要求相去甚遠(yuǎn)。為此，本文設(shè)計(jì)了一套基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的PE管道智慧焊接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)上傳焊工身份、焊口位置、焊接過(guò)程參數(shù)，并在服務(wù)器端完成焊接質(zhì)量的智慧判斷。通過(guò)責(zé)任到人，有利于提高焊接人員的質(zhì)量意識(shí)；通過(guò)責(zé)任到地，有利于迅速糾正焊接現(xiàn)場(chǎng)的錯(cuò)誤；通過(guò)責(zé)任有據(jù)，有利于完善懲罰制度。

1　系統(tǒng)工作原理

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由焊接設(shè)備、智慧監(jiān)控模塊、智慧監(jiān)控中心等部分構(gòu)成。

焊接人員通過(guò)指紋傳感器錄入指紋信息。只有備案過(guò)的焊接人員，才能接通焊接設(shè)備的電源，開(kāi)始焊接工作。焊接結(jié)束后，焊接設(shè)備通過(guò)RS-232接口將焊接參數(shù)傳送給智慧監(jiān)控模塊。智慧監(jiān)控模塊將通過(guò)北斗衛(wèi)星獲取的焊口定位信息，以及人員信息和焊接過(guò)程參數(shù)，由4G通信模塊上傳至智慧監(jiān)控中心，或由藍(lán)牙上傳至移動(dòng)終端。通過(guò)智慧監(jiān)控中心或移動(dòng)終端應(yīng)用程序(application,APP)軟件，可完成焊接質(zhì)量的判斷。

2　硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線監(jiān)控模塊硬件由CPU、指紋識(shí)別、U盤(pán)管理、無(wú)線通信、北斗、RS-232通信、藍(lán)牙通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、繼電器控制等模塊構(gòu)成。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.1　Block diagram of hardware design

2.1　CPU模塊

在CPU外部擴(kuò)展的主要模塊中，有5個(gè)模塊需要通過(guò)串口與CPU進(jìn)行連接。因此，采用基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM7處理器STM32F103RCT6作為CPU模塊。

STM32F103RCT6采用LQFP64封裝，內(nèi)部資源豐富：提供256 KB的超大容量FLASH，用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序。內(nèi)部集成48 KB的靜態(tài)RAM，用于存儲(chǔ)中間變量；提供5個(gè)全雙工UART，支持JTAG和SWD調(diào)試；同時(shí)提供CAN、I2C、IrDA、LIN、SPI、UART/USART、USB等常用硬件接口[5]。

2.2　指紋識(shí)別模塊

通過(guò)指紋識(shí)別模塊，對(duì)焊工身份進(jìn)行識(shí)別及獲取。只有指紋信息備案過(guò)的焊接人員，才可以進(jìn)行焊接工作。該模塊由R305光學(xué)指紋讀頭構(gòu)成。

R305指紋模塊采用高速數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,DSP)，外擴(kuò)光學(xué)指紋傳感器，配以高性能指紋比對(duì)算法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，具有指紋對(duì)比、指紋錄入、掉電存儲(chǔ)等功能[6]。同時(shí)，該模塊可以存儲(chǔ)980枚指紋信息，能夠滿足系統(tǒng)的要求。該模塊硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，+5 V供電，提供晶體管-晶體管(transistor tramsistor logic,TTL)邏輯電路的串口輸出TXD、RXD引腳，與STM32F103RCT6串口4的RXD、TXD相連接。

2.3　U盤(pán)管理模塊

由于焊接現(xiàn)場(chǎng)比較偏僻，焊機(jī)分布比較分散，難以通過(guò)上位機(jī)集中更新指紋信息。因此，通常將指紋信息存儲(chǔ)到U盤(pán)上，并將U盤(pán)攜帶至焊接現(xiàn)場(chǎng)。智慧監(jiān)控模塊通過(guò)U盤(pán)管理模塊完成對(duì)指紋信息的更新。

采用CH376S專用芯片完成U盤(pán)管理模塊的設(shè)計(jì)[7]。CPU通過(guò)該模塊從U盤(pán)中讀取指紋信息，完成對(duì)系統(tǒng)指紋信息的更新。該模塊提供3種硬件通信接口：8位并口、串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)或者異步串口。考慮到CPU已用資源的情況，采用SPI完成該模塊的設(shè)計(jì)。U盤(pán)管理模塊原理如圖2所示。

圖2　U盤(pán)管理模塊原理圖Fig.2　Schematic diagram of USB disk management module

2.4　無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊原理如圖3所示。

圖3　無(wú)線通信模塊原理圖Fig.3　Schematic diagram of wireless communication module

智慧監(jiān)控模塊通過(guò)無(wú)線通信模塊，實(shí)時(shí)將指紋信息、定位信息、焊接參數(shù)傳送至智慧監(jiān)控中心，由后者完成對(duì)焊接質(zhì)量的判斷及報(bào)警功能。

無(wú)線通信模塊采用支持3G/4G網(wǎng)絡(luò)的KS97模塊[8]。該模塊采用插針式結(jié)構(gòu)與底板連接，服務(wù)器地址可以通過(guò)專用配置軟件進(jìn)行設(shè)置。內(nèi)置PPP/TCP/UDP/IP協(xié)議，具有防假死、體積小的特點(diǎn)，且能與CPU連接簡(jiǎn)單。KS97的TX1與RX1分別與CPU模塊串口1的RXD與TXD相連。當(dāng)服務(wù)器連接成功后，服務(wù)器狀態(tài)引腳(SEVER,SVR)會(huì)輸出高電平，發(fā)光二極管會(huì)點(diǎn)亮。

2.5　北斗定位模塊

隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了對(duì)我國(guó)及東南亞的全覆蓋，且定位精度越來(lái)越高。系統(tǒng)采用北斗定位模塊，獲取焊接現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)緯度信息，為實(shí)現(xiàn)責(zé)任到地打下基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)采用科微ATGM北斗模塊，支持BD、GPS的單系統(tǒng)定位和雙系統(tǒng)聯(lián)合定位，內(nèi)置天線短路保護(hù)功能[9]，定位精度可達(dá)3～5 m，滿足設(shè)計(jì)要求。硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，通過(guò)TTL邏輯電平的串口接口RXD、TXD與CPU模塊串口2的TXD、RXD相連。北斗定位模塊原理如圖4所示。

圖4　北斗定位模塊原理圖Fig.4　Schematic diagram of BeiDou positioning module

2.6　RS-232/藍(lán)牙通信模塊

本系統(tǒng)需要擴(kuò)展兩路RS-232接口。一路用于連接焊接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的提取；一路用于連接藍(lán)牙模塊(BC-04模塊)，實(shí)現(xiàn)與手機(jī)APP的通信。前者是獲取焊接參數(shù)的通道，后者是對(duì)服務(wù)器故障時(shí)數(shù)據(jù)提取的有效補(bǔ)充。RS-232/藍(lán)牙通信模塊原理如圖5所示。

圖5　RS-232/藍(lán)牙通信模塊原理圖Fig.5　Schematic diagram of RS-232/Bluetooth Rcommunication module

該模塊由MAX232芯片構(gòu)成。MAX232的T1out/R1in、T2out/R2in分別與CPU模塊串口3、串口5的TXD3/RXD3、TXD5/RXD5相連，MAX232的R1out/T1in、R2out/T2in分別外接焊接設(shè)備和藍(lán)牙模塊。

2.7　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

當(dāng)由于SIM卡欠費(fèi)或服務(wù)器故障而導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法上傳時(shí)，可以通過(guò)掉電可保存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，將該數(shù)據(jù)保存在智慧監(jiān)控模塊中。當(dāng)故障排除后，從存儲(chǔ)模塊中讀取失敗記錄，再上傳至智慧監(jiān)控中心軟件。

本模塊由基于SPI總線的AT45DB161芯片構(gòu)成。該芯片存儲(chǔ)控制空間為2 MB，共分為4 096頁(yè)，每頁(yè)528 B[10]。WP端接地，保證CPU模塊可以對(duì)該芯片進(jìn)行讀寫(xiě)操作。該芯片硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可直接與CPU模塊提供的專用SPI總線引腳相連。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊原理如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊原理圖Fig.6　Schematic diagram of data storage module

2.8　繼電器控制模塊

焊機(jī)設(shè)備的電源由智慧監(jiān)控模塊控制，當(dāng)焊接人員指紋信息驗(yàn)證通過(guò)后，才接通焊接設(shè)備。這樣就可以保證，只有備案過(guò)的焊接人員，才能夠進(jìn)行焊接作業(yè)。本模塊由達(dá)林頓管ULN2803和繼電器構(gòu)成。

CPU的控制信號(hào)IC_RL通過(guò)達(dá)林頓管ULN2803后，在邏輯反向的同時(shí)，提高了輸出電壓，可直接與繼電器相連。繼電器的接通和與斷開(kāi)，決定了焊接電源的接通與斷開(kāi)。繼電器控制模塊原理如圖7所示。

圖7　繼電器控制模塊原理圖Fig.7　Schematic diagram of relay control module

3　軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件由智慧監(jiān)控模塊軟件、智慧監(jiān)控中心服務(wù)器軟件、手機(jī)APP軟件構(gòu)成，可分別實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的上傳、接收與智慧判斷以及備份功能。各軟件相互協(xié)調(diào)工作，形成完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。

3.1　智慧監(jiān)控模塊軟件

該模塊在微處理開(kāi)發(fā)工具(microcntroller development kit,MDK)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，調(diào)用STM32庫(kù)函數(shù)完成底層驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)。在應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)合中斷、濾波技術(shù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。智慧監(jiān)控軟件完成了指紋數(shù)據(jù)的錄入、指紋信息的驗(yàn)證及提取、焊機(jī)參數(shù)的采集、北斗定位信息的解析、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)、失敗參數(shù)的存儲(chǔ)及重傳等功能。智慧監(jiān)控模塊軟件流程圖如圖8所示。

圖8　智慧監(jiān)控模塊軟件流程圖Fig.8　Software flowchart of smart monitoring module

3.2　智慧監(jiān)控中心服務(wù)器軟件

智慧監(jiān)控中心服務(wù)器軟件采用面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言的JAVA語(yǔ)言，并結(jié)合Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)及谷歌地圖完成設(shè)計(jì)。

采用SOCKET編程技術(shù)，建立服務(wù)器端的應(yīng)用程序，在客戶端同時(shí)登陸時(shí)可保證通信的實(shí)效性；采用流行的Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)管理海量數(shù)據(jù)，可保證數(shù)據(jù)的完整性、共享性和可靠性；通過(guò)調(diào)用谷歌地圖的應(yīng)用程序編程接口(application programming,interface,API)函數(shù)，能在數(shù)字地圖上直觀顯示焊接現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)緯度。服務(wù)器軟件根據(jù)PE管道焊接的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上傳焊接數(shù)據(jù)進(jìn)行智慧判斷，給出焊接質(zhì)量的最終判斷，即對(duì)焊接失敗的焊口進(jìn)行標(biāo)注并實(shí)時(shí)報(bào)警。

3.3　手機(jī)APP軟件

使用面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言的手機(jī)APP軟件主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：對(duì)焊接的重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拍照取證，規(guī)范焊接流程；直接提取焊接參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。同時(shí)，手機(jī)APP軟件可以將上述數(shù)據(jù)上傳至智慧監(jiān)控服務(wù)器軟件。

采用JAVA語(yǔ)言完成手機(jī)APP軟件的設(shè)計(jì)，包括APP界面、焊接數(shù)據(jù)提取(藍(lán)牙通信)、拍照、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K的設(shè)計(jì)。該軟件是對(duì)智慧監(jiān)控模塊軟件及智慧監(jiān)控中心服務(wù)器軟件的有效補(bǔ)充。該軟件的拍照功能，解決了監(jiān)控模塊無(wú)法對(duì)焊接重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拍照取證的問(wèn)題；該軟件的焊接數(shù)據(jù)提取功能，解決了數(shù)據(jù)上傳失敗，無(wú)法進(jìn)行備份及快速重傳的問(wèn)題。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)智慧監(jiān)控模塊、智慧監(jiān)控中心軟件、手機(jī)APP軟件的相互配合，保證了PE管道焊接責(zé)任到人、責(zé)任到地、責(zé)任有據(jù)，提高了焊接人員的質(zhì)量意識(shí)，并從管理機(jī)制上大大提高了焊接質(zhì)量與焊接效率。在“互聯(lián)網(wǎng)+”快速發(fā)展的今天，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入到傳統(tǒng)的PE管道焊接行業(yè)，對(duì)于智慧城市的建設(shè)發(fā)揮著重要的作用。該系統(tǒng)已經(jīng)在沈陽(yáng)、貴陽(yáng)、北京等地得到了成功應(yīng)用，具有良好的推廣前景。

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