無線通信技術(shù)的焊接參數(shù)采集系統(tǒng)

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1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于無線通信技術(shù)的焊接參數(shù)采集系統(tǒng)主要由焊機(jī)端監(jiān)控器、無線AP（AccessPoint）、交換機(jī)和服務(wù)器組成。信號(hào)采集裝置上配有Wi－Fi模塊，可實(shí)現(xiàn)與無線AP的連接，每臺(tái)焊機(jī)上均安裝該信號(hào)采集裝置，以實(shí)現(xiàn)焊機(jī)工作參數(shù)的采集；無線AP作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，可保證信號(hào)采集裝置與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸；服務(wù)器上運(yùn)行的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示和事后查詢等操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2系統(tǒng)各模塊硬件組成及功能

2．1信號(hào)采集裝置

信號(hào)采集裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其主要功能是實(shí)現(xiàn)焊機(jī)工作參數(shù)的采集、臨時(shí)存儲(chǔ)和傳輸。該裝置主要包括STM32F103系列單片機(jī)、USR－WIFI232－B無線射頻模塊、信號(hào)隔離變換模塊、LCD顯示屏、存儲(chǔ)模塊和電源管理模塊等，其硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。STM32F103C8T6單片機(jī)是信號(hào)采集裝置的核心模塊，是一款以ARM32位的CortexTM－M3CPU為核心的單片機(jī)，其內(nèi)部集成了64KRAM及20KSRAM，具備2個(gè)12位ADC模塊，工作電壓為2．0～3．6V。單片機(jī)內(nèi)部燒錄了數(shù)據(jù)采集客戶端程序，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集頻率的控制、前端模擬信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換、寫入存儲(chǔ)模塊、控制Wi－Fi模塊實(shí)現(xiàn)與無線AP的連接以及與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?。為防止因網(wǎng)絡(luò)連接故障等原因而造成的數(shù)據(jù)丟失，在信號(hào)采集裝置中加入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。該模塊可記錄對(duì)應(yīng)焊機(jī)最近24h的工作狀態(tài)參數(shù)，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入該存儲(chǔ)模塊，每次數(shù)據(jù)傳輸完成后，單片機(jī)程序會(huì)將存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)清空，同時(shí)在該模塊空間寫滿之后，新采集的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)覆蓋最早的數(shù)據(jù)以便后續(xù)記錄。

2．2無線AP

無線AP的主要功能是保證信號(hào)采集裝置與上位機(jī)的通信，由于工廠車間的環(huán)境比較復(fù)雜，一些大型設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)廠房等對(duì)無線信號(hào)有極大的干擾作用，因此為了保證該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性，必須保證無線信號(hào)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度的可靠性。本系統(tǒng)選用以色列進(jìn)口的波訊WBS－2400作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，該無線AP支持IEEE802．11b／g／n無線標(biāo)準(zhǔn)及TCP／UDP等通信協(xié)議。經(jīng)測(cè)試，在該無線AP半徑300m范圍內(nèi)可有效保證數(shù)據(jù)的傳輸，其有效帶機(jī)數(shù)在150臺(tái)以上。

2．3上位機(jī)

上位機(jī)硬件主要由高性能PC組成，上位機(jī)需安裝SQLServer2005數(shù)據(jù)庫(kù)，在其上運(yùn)行上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于C＃語言開發(fā)的窗體程序。上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是完成數(shù)據(jù)的接收、解析、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示及事后查詢等工作，處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SQLServer2005數(shù)據(jù)庫(kù)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1信號(hào)采集裝置

采集模塊先將經(jīng)過分流器采集的模擬信號(hào)進(jìn)行隔離變換后，將所得模擬信號(hào)傳送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換后將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，然后寫入存儲(chǔ)模塊，信號(hào)采集裝置通過Wi－Fi模塊接入無線網(wǎng)絡(luò)等待上位機(jī)允許數(shù)據(jù)傳輸指令。為避免數(shù)據(jù)傳輸過程中客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)的無序性，焊機(jī)端信號(hào)采集裝置采用被動(dòng)上傳的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在未收到上位機(jī)允許傳輸數(shù)據(jù)指令之前，該裝置將采集到的數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊中，當(dāng)收到允許數(shù)據(jù)傳輸指令時(shí)，采集模塊將從收到該指令之前所采集的數(shù)據(jù)全部發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)將采集模塊內(nèi)存中的數(shù)據(jù)清空，并開始下一次的數(shù)據(jù)傳輸。在焊接作業(yè)過程中，起弧、收弧和焊槍抖動(dòng)等原因會(huì)造成焊機(jī)工作電流、電壓的波動(dòng)，由于對(duì)焊機(jī)的數(shù)據(jù)采集并非連續(xù)性，因此這些波動(dòng)會(huì)對(duì)所采集的焊機(jī)工作電壓、電流參數(shù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大的影響。本系統(tǒng)采用數(shù)字濾波的方法消除這些波動(dòng)帶來的影響。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，通過單片機(jī)控制采集模塊每100ms采集一次焊機(jī)作業(yè)的電流和電壓數(shù)據(jù)，對(duì)1s內(nèi)的10次樣本數(shù)據(jù)求均值（算術(shù)平均濾波）后作為一個(gè)有效工作狀態(tài)樣本存入存儲(chǔ)模塊中。

3．2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為保證上位機(jī)所對(duì)應(yīng)的焊機(jī)有序地向其傳輸數(shù)據(jù)，上位機(jī)上存有該服務(wù)器所對(duì)應(yīng)的所有焊機(jī)的列表，在每一輪數(shù)據(jù)傳輸前上位機(jī)都會(huì)根據(jù)列表中的焊機(jī)順序遍歷一次焊機(jī)端信號(hào)采集裝置，通過遍歷獲得連接正常的信號(hào)采集裝置列表，上位機(jī)根據(jù)列表所列焊機(jī)的順序依次與焊機(jī)端信號(hào)采集裝置建立連接并完成每臺(tái)焊機(jī)的數(shù)據(jù)接收，當(dāng)一個(gè)焊機(jī)端信號(hào)采集裝置與服務(wù)器傳輸完畢后，服務(wù)器會(huì)斷開與其連接并向下一個(gè)信號(hào)采集裝置發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸指令，以完成數(shù)據(jù)的傳輸及存儲(chǔ)工作。信號(hào)采集裝置發(fā)送的每條數(shù)據(jù)中應(yīng)包含設(shè)備ID，焊機(jī)作業(yè)電壓、電流，數(shù)據(jù)采集時(shí)間，焊機(jī)作業(yè)狀態(tài)（焊接、待機(jī)、關(guān)機(jī)）等信息。用戶可在該界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)表名和端口號(hào)的設(shè)定，同時(shí)還可直觀地查詢當(dāng)前連接的客戶端、當(dāng)前ID編號(hào)的焊機(jī)對(duì)應(yīng)的焊機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)及所收到的消息條數(shù)等信息。

3．3通信協(xié)議及實(shí)現(xiàn)方式

該焊機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)信號(hào)采集裝置與上位機(jī)之間的通信過程是一個(gè)典型的基于TCP協(xié)議的Socket通信過程［7］，信號(hào)采集端程序燒錄于信號(hào)采集裝置單片機(jī)芯片內(nèi)，上位機(jī)運(yùn)行服務(wù)器端程序，TCP協(xié)議的采用可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，從軟件層面避免丟包現(xiàn)象的發(fā)生。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

4．1系統(tǒng)準(zhǔn)確性

測(cè)試為驗(yàn)證該系統(tǒng)準(zhǔn)確性，以O(shè)TCCPVE400焊機(jī)為測(cè)試對(duì)象，使用該系統(tǒng)對(duì)其在室溫條件下的焊接參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在試驗(yàn)條件下該系統(tǒng)所測(cè)焊機(jī)的電壓和電流，結(jié)果表明該焊機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)能夠有效保證數(shù)據(jù)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

4．2系統(tǒng)丟包率測(cè)試

通過軟件模擬不同數(shù)量的客戶端程序經(jīng)由WBS－2400與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)的丟包率進(jìn)行測(cè)試，通信協(xié)議為TCP協(xié)議，模擬客戶端與服務(wù)器之間距離為250～300m，測(cè)試結(jié)果表明該測(cè)試系統(tǒng)可以保證當(dāng)WBS－2400為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，該系統(tǒng)丟包率為0（丟包率按式（1）計(jì)算），表明該系統(tǒng)能夠很好地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。丟包率＝發(fā)送的信息條數(shù)－收到的消息條數(shù)發(fā)送的消息條數(shù)（1）

5結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前焊接作業(yè)缺乏有效監(jiān)管手段的現(xiàn)狀，結(jié)合Wi－Fi通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于無線通信技術(shù)的焊機(jī)焊接參數(shù)采集系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的有效性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：（1）在使用該測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和記錄焊機(jī)工作參數(shù)時(shí)，電流和電壓的最大相對(duì)誤差分別為0．63％和0．46％，能夠保證所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。（2）丟包測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)時(shí)不存在丟包現(xiàn)象，可完整地記錄焊機(jī)焊接作業(yè)過程中的工作參數(shù)。（3）該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)焊接參數(shù)的有效采集及事后查詢，同時(shí)避免傳統(tǒng)采集方法的布線問題等弊端，能有效幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接作業(yè)的高效管理。（4）該系統(tǒng)目前只能采集焊機(jī)焊接作業(yè)參數(shù)，后續(xù)應(yīng)加入焊接參數(shù)與焊工信息的綁定功能以進(jìn)一步支持企業(yè)對(duì)焊工的規(guī)范化管理。（5）該系統(tǒng)后續(xù)可加入焊機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)控，如工作、待機(jī)、關(guān)機(jī)等，通過一定時(shí)間段的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析后，可對(duì)企業(yè)焊機(jī)資源的優(yōu)化配置提供技術(shù)支持。

作者：馬曉平 遲俊吉 馬詩(shī)龍 單位：江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司 江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院