文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191035
中文引用格式： 邓仁地，刘雄，伍春. 一种NB-IoT冶金节点温度采集与远程监测系统的设计[J].电子技术应用，2019，45(12)：6-9，15.
英文引用格式： Deng Rendi，Liu Xiong，Wu Chun. Design of temperature acquisition and remote monitoring system for NB-IoT metallurgy node[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(12)：6-9，15.
0 引言
大型高炉出铁量大，冶金生产环境恶劣，导致铁水沟侵蚀日益严重，需人工定期对冶金沟道部分进行温测，其准确度不高，生产成本高，安全保障低[1]。为了能够对高炉冶金沟道进行全方位测温，掌握铁水沟道的温度和腐蚀情况，利用RS485主从通信方式进行多节点数据传输。RS485能提供稳定、即时、可靠的数据通信，然而RS485总线有自身局限性，如通信速率制约通信距离，随着距离的增加，会使数据丢包率增加，传输速率下降，从而出现严重的多节点数据丢失现象。
基于蜂窝的NB-IoT是针对物联网需求设计的窄带物联网技术，NB-IoT具有低成本、覆盖广和无线传输的优势，其在万物互联领域得到广泛的应用。NB-IoT模块汇集现场RS485总线多节点数据，经4G网络传输至上位机。
综上所述，本文以STM32为核心，结合Modbus和NB-IoT无线通信优势，设计一种NB-IoT冶金节点温度采集与远程监测系统，解决高炉冶金沟道测温节点分布广、监控计算机距离远、现场监测高炉高热环境成本高、生产安全保障低等问题，实现对高炉生产阶段进行有效运行监测与优化。
1 系统设计
本文提出一种NB-IoT冶金节点温度采集与远程监测系统设计，该监测系统主要由基于AD8495的K型热电偶传感器温度监测节点、基于Modbus和ADS1256的STM32F103C8T6主控机、基于NB-IoT网络传输[2-4]、PC上位机组成。高炉系统通信结构如图1，多个K型热电偶传感器置于高炉冶金沟道中，多个热电偶传感器采集到的温度数据单向传送到STM32节点中经AD8495进行冷端补偿与线性化算法处理，多个STM32节点通过RS485总线与STM32主控机进行通信，主控机通过WH-NB74芯片与PC终端实现NB-IoT网络通信 。
2 系统硬件设计
2.1 基于AD8495的K型热电偶温度采集电路
AD8495提供内部冷端补偿，其高CRMM抑制性对热电偶线或延长线引入的共模噪声具有很好的抑制能力[5]。热电偶输出端与AD8495差分输入端IN相接，温度数据通过差分电路的固定增益122.4实现热电偶的微弱电信号放大。采用低通滤波器消除K型热电偶RF信号影响。布线时，AD8495靠近K型热电偶冷端，尽可能减小冷端温度误差，进一步提高温度采集准确度。基于AD8495的温度采集电路如图2所示。
2.2 基于ADS1256的多通道模数转换电路
ADS1256的多通道模数转换电路设计包括参考电压电路与AD转换电路设计、STM32与外部接口通信电路设计等。参考电压电路与AD转换电路设计采用24位高精度同步采样的AD转换芯片ADS12568，实现八通道低噪声、多通道数据采集。STM32与外部接口通信电路设计利用STM32芯片的SPI、RS485和USART数据通信。
2.3 基于WH-NB73 NB-IoT网络传输模块
WH-NB73 4G通信电路原理如图3所示。DC 3.8 V供电时，UART0与MCU收发引脚需要进行电平匹配电路处理VCC_IO电压。外放天线、SIM接口和USB接口电路设计均采用ESD保护，保证信号完整性。NB-IoT 4G通信模块硬件结构如图4所示，WH-NB73通信模块通过UART串口端口与主控机STM32实现数据通信，同步通过USB连接本地PC。该模块支持3G和2G接入，具有低功耗、低成本、高可靠性的优势。
3 系统软件设计
3.1 热电偶的线性化算法及报警
STM32通过ADS1256芯片完成AD高精度转换，同步实现K型热电偶的线性化处理，提高热电偶测温精度。直接查表法和数据压缩法将标准的数据修正参考表存放到单片机的有限ROM资源中，在实际系统中实现的代价较高。本文具体线性化算法选择直线拟合，既能节省有限资源又能提高测量精度[6]，热电偶线性化及报警的软件设计如图5所示。
3.2 基于MODBUS的数据传输
节点从机在完成初始化以及周期性数据采集任务后，其他时间均控制其RS485接口处于等待接收状态，采用串口中断接收数据帧，解析首数据帧，调用处理函数检查该数据地址判断是否应答，若从机地址正确，则应答完成CRC校验并根据功能码调用所需的服务函数。从机STM32将 RS485置于发送态，通过串口发送数据即可。图6为基于RS485的主设备与从设备Modbus通信流程。
4 测试与验证
根据Modbus协议配置RS485接口的通信参数，其中波特率为9 600 b/s，配置从机地址0X01，RS485最多接入255个从机地址，主从校验，数据帧格式：1字节地址位/1字节功能码/2字节起始位/2字节数据位/2字节校验位。
在SDK Demo调试下，根据TCP协议配置NB-IoT 4G模块网络透传模式，使用AT指令对Socket配置，地址为Test.usr.cn，端口为2317，波特率为115 200 b/s。传输数据格式：01460000000306002500140000238B，其中01为从机设备地址，46为功能码，0000为起始地址，0003为寄存器单元长度，06为数据长度，数据002500140000转化为十进制为温度值37 ℃，238B为Modbus协议CRC16校验码。NB-IoT 4G模块数据收发测试结果如图7所示。该系统通过传感器NB-IoT网络正确发送数据，实现网络在线实时监测温度。
本地PC上位机采用LabVIEW开发程序编写[7]，LabVIEW配置IP地址和端口号8080，温度监测软件界面如图8所示。在上位机与STM32主控机建立TCP[8]连接后，上位机以默认频率通过Modbus协议轮询获取各采集节点的温度数据，本地上位机同步实时显示多个节点当前温度值，满足冶金生产温度监测技术要求。
5 结论
相比现场单一地监测环境温度[9]，该系统RS485总线支持拓展从机各类传感器，提高监测环境参数数量，NB-IoT支持大容量数据传输，支持对多种环境参数进行实时采集及本地与远端同步监测。基于Modbus和NB-IoT的高炉冶金沟道温度监测系统实现多个冶金点温度采集、智能化处理和网络化的生产环境监测，提高了现场高热环境温度监测的可靠性，进一步降低冶金生产过程成本，加强了工业生产安全管理。
参考文献
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作者信息:
邓仁地，刘 雄，伍 春
(西南科技大学 国防科技学院，四川 绵阳621000)