氧化鋁料塔料位無線遙測系統(tǒng)設計與應用*

劉 靜，胡天宇，許 峰

(北方工業(yè)大學機電學院，北京 100144)

氧化鋁電解生產過程中，電解槽內氧化鋁粉末供給量關系到鋁的生產質量，然而在氧化鋁料塔上加裝料位計存在很多實際困難，例如在塔頂布線不便且具有安全隱患，有線通訊的成本高，可靠性差。因此開發(fā)一種無線通信系統(tǒng)實時傳輸氧化鋁料塔的料位數(shù)據(jù)非常必要。通過開發(fā)無線智能監(jiān)測系統(tǒng)，來取代原有的人工監(jiān)測方式，同時充分利用車間現(xiàn)有局域網，設計了星型無線傳感器網絡［1］系統(tǒng)，此無線測控系統(tǒng)也適用于其他工業(yè)自動化測控場合。

1 系統(tǒng)總體方案和工作原理

系統(tǒng)總體方案:參考文獻［2-15］中的無線遙測系統(tǒng)設計方法，并根據(jù)鋁電解過程中氧化鋁料塔供給氧化鋁的實際狀況，確定了氧化鋁料塔料位無線遙測系統(tǒng)方案。系統(tǒng)主要由一個主節(jié)點和多個終端節(jié)點組成(圖1)。

圖1 氧化鋁料塔的料位遙測系統(tǒng)總體方案

終端節(jié)點將傳感器測量到的料位數(shù)據(jù)處理后，通過433M 無線網絡將數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點。主節(jié)點收集終端所采集的數(shù)據(jù)。主節(jié)點與主機通過串口服務器傳輸數(shù)據(jù)，與企業(yè)局域網融合，實現(xiàn)氧化鋁料位在局域網內任意位置的遠程集中監(jiān)測。

工作原理:本文無線遙測系統(tǒng)采用半雙工通信，空閑時主節(jié)點與終端節(jié)點均處于接收命令狀態(tài)。需要測量時，上位機通過網口發(fā)送測量命令，經串口服務器進行協(xié)議轉換后，發(fā)送至STM32 控制板的串口，命令被控制板處理后，通過無線模塊發(fā)送至終端節(jié)點，終端節(jié)點收到命令后首先返回握手信息告知主節(jié)點此次通信建立完畢，然后提取數(shù)據(jù)幀中的命令字，控制料位計進行相應的工作。測量完畢后，將所測數(shù)據(jù)發(fā)送給終端節(jié)點的STM32 控制板進行數(shù)據(jù)成幀等操作，再通過無線模塊返回至主節(jié)點，主節(jié)點通過串口服務器將數(shù)據(jù)上傳至上位機，顯示此次測量的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

硬件設計過程中需要考慮以下因素:

1)通信距離盡量遠，由于中控室與料塔之間最遠距離為800 m，中間有遮擋物、磁場等因素的影響，所以需要一種傳輸距離遠，抗干擾能力強，通信可靠的無線傳輸模塊。

2)盡量采用模塊化設計，降低開發(fā)成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和通用性。

2.1.1 主節(jié)點硬件設計

主節(jié)點主要由電源管理模塊、STM32［16］控制模塊、串口通信模塊、串口服務器模塊和無線通信模塊等5 部分構成(圖2)。

圖2 主節(jié)點硬件框圖

1)電源管理模塊，系統(tǒng)采用24 V 開關電源供電，無線通信模塊與串口服務器模塊工作電壓為5 V，STM32 控制模塊工作電壓為3.3 V，所以需設計電路將24 V 電壓轉換為5 V 與3.3 V。為滿足無線通信模塊與串口服務器功耗需求，設計的5 V 電壓輸出電流為3 A。選取的芯片為:a)24 V～5 V 采用的是LM2596，3 A 電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓芯片。b)5 V～3.3 V 采用的是AMS1085，能保證輸出電流為3 A，且工作壓差可低至1 V。

2)串口通信模塊主要負責STM32 控制模塊與無線通信模塊和串口服務器模塊之間的通信。串口服務器與STM32 控制模塊采用普通UART 方式通信。無線模塊與STM32 控制模塊使用RS485 通信。

3)STM32 控制模塊，CPU 采用STM32 系列控制器STM32F103VC，主要工作為處理校驗上位機命令字和終端返回的測量數(shù)據(jù)，并協(xié)調無線通信模塊與串口服務器之間的工作。

4)無線通信模塊，無線通信模塊功能是將接收到的數(shù)據(jù)透明傳輸出去，內部不對數(shù)據(jù)做任何處理。

2.1.2 終端節(jié)點硬件設計

終端節(jié)點硬件框圖如圖3 所示。

1)并口通信模塊，料位計數(shù)據(jù)采集通過CPLD 模塊完成，終端節(jié)點通過普通I/O 口模擬并口方式與CPLD 模塊進行通信，共12 位，其中6 位控制位，主要負責命令的傳送;6位有效數(shù)據(jù)位，主要負責接收CPLD 采集的有效數(shù)據(jù)。

2)STM32 控制模塊，在終端節(jié)點中該模塊主要工作為:一是將CPLD 采集的數(shù)據(jù)打包成幀，并通過RS485 模塊發(fā)送至無線模塊;二是判斷與校驗主節(jié)點發(fā)來的命令幀，提取命令幀的有效命令字轉換成相應的并口命令，通過并口發(fā)給CPLD 數(shù)據(jù)采集模塊，從而控制料位計做出相應的測量動作。

2.2 軟件設計

2.2.1 數(shù)據(jù)傳輸幀格式

CPLD 數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)為12 位，為方便監(jiān)測無線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率，將12 位數(shù)據(jù)轉換為4 字節(jié)十進制數(shù)進行傳輸，其幀格式如圖4(以字節(jié)為單位)所示，所有多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時均先發(fā)送低字節(jié)，再發(fā)送高字節(jié)。

圖4 數(shù)據(jù)幀格式

2.2.2 主節(jié)點軟件設計

主節(jié)點主要工作分三部分:無線模塊與STM32 控制板之間的通信，STM32 控制板對采集到的數(shù)據(jù)與接收到的命令的數(shù)據(jù)處理和STM32 控制板與串口服務器之間的通信(串口編程方法參考文獻［17］)。

通信時主節(jié)點首先對接收到的數(shù)據(jù)幀進行起始符與幀尾的檢測，對符合定義的數(shù)據(jù)傳輸幀格式再進行處理，否則清除本次接收到的數(shù)據(jù)。然后進行有效數(shù)據(jù)的半byte 校驗，校驗無誤后，通過無線模塊發(fā)送給終端或通過串口服務器發(fā)送至主機顯示。程序流程圖如圖5 所示。

圖5 主節(jié)點程序流程圖

上位機將測量命令發(fā)送至主節(jié)點，主節(jié)點通過無線模塊發(fā)送出去后，等待接收終端節(jié)點的握手信息，如果未收到握手信息，主節(jié)點通知上位機再次發(fā)送測量命令，直到收到終端節(jié)點的握手信息，確認通信已經建立后停止重發(fā)。然后等待終端節(jié)點返回測量數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)處理與校驗，最后發(fā)送至上位機進行顯示。

2.2.3 終端節(jié)點軟件設計

終端節(jié)點主要工作分為無線模塊與STM32 控制板的通信，STM32 控制板與CPLD 數(shù)據(jù)采集模塊的通信和對采集到的數(shù)據(jù)的處理。主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 終端節(jié)點程序流程圖

由于無線傳感網絡采用的是星型網絡，多個終端節(jié)點對應一個主節(jié)點，故數(shù)據(jù)在傳輸過程中，尤其是終端節(jié)點向主節(jié)點上報測量數(shù)據(jù)時，容易產生沖突，例如，主節(jié)點正在接收某個終端的數(shù)據(jù)時，其它終端節(jié)點又發(fā)送來一幀數(shù)據(jù)，這樣將導致這兩幀數(shù)據(jù)無法通過校驗而丟失。鑒于這種情況，針對不同ID 的終端節(jié)點，設置不同的延時來返回數(shù)據(jù)，從而避免沖突。實驗證明這種方法能有效的避免主節(jié)點接收數(shù)據(jù)時的沖突。

3 實驗與結果

表1 無線料位傳感器測試數(shù)據(jù)

為檢測本系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的正確率，在通信網絡外另加一個無線通信模塊，直接與PC 機相連，通過串口調試助手觀察主節(jié)點與終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，與無線遙測系統(tǒng)上位機軟件接收的數(shù)據(jù)進行對比。上位機設置每隔10 分鐘測量一次，每次測量完成后自動保存數(shù)據(jù)，任取其中15 組數(shù)據(jù)如表1 所示。通過工廠實際測量，未出現(xiàn)誤碼與丟幀現(xiàn)象。將兩個不同顯示平臺數(shù)據(jù)進行對比，可計算出無線遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率為100%，在實測要求的距離范圍內，丟幀率為0。

4 結論

利用433 MHz 頻段無線通信技術與STM32 設計了一種氧化鋁料塔料位無線遙測系統(tǒng)。經過多次現(xiàn)場測試，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠，且系統(tǒng)穩(wěn)定性高，滿足項目實際應用要求。

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