基于GPRS的智能弯箍机检测控制系统开发

丁承君+李宗奎+朱雪宏+冯玉伯+齐春辉

摘 要： 为实现钢筋弯箍机制造商对设备的远程监控以及提高维修和管理效率，设计了一套基于GPRS的智能弯箍机检测控制系统。以STM32F103RCT6单片机为主芯片，采集现场温湿度、主轴加速度以及设备PLC的相关数据，并通过GPRS模块W801G把数据传递给监控客户端。管理人员可通过监控客户端的上位机观测到远程终端的信息并对其进行控制，其中监控客户端的上位机使用LabVIEW开发。测试结果表明，该系统运行正常，数据传输可靠，能够满足对弯箍机进行远程检测控制的要求。

关键词： 弯箍机； GPRS； 监控客户端； LabVIEW； 智能弯箍机； 检测控制系统

中图分类号： TN876?34； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）05?0159?04

Abstract： In order to realize the remote monitoring of the equipment and improve the efficiency of maintenance and ma?nagement， a GPRS?based intelligent detection control system of hoop?bending machine was designed. The STM32F103RCT6 is taken as the main chip to collect the site temperature and humidity， principal?axis acceleration and related data of the PLC， and transmit the data to the monitoring client through the GPRS module W801G. Managers can monitor and control the information of the remote terminal through the monitoring client′s upper computer developed by LabVIEW. The test results show that the system has normal operation and reliable data transmission， and can meet the requirements of the hoop?bending machine for remote detection control.

Keywords： hoop?bending machine； GPRS； monitoring client； LabVIEW； intelligent hoop?bending machine； detection control system

随着现代社会城市化的快速发展，各种形状的钢筋制品在建筑行业中得到了广泛的应用，需求量越来越大[1?3]。弯箍机作为实现钢筋加工成型的主要设备，需求量也因此随之增高[4]。世界经济一体化和企业全球化的快速发展使得弯箍机制造商的设备遍布在世界各个角落，这样就给弯箍机制造商带来了维修效率的挑战，设备一旦发生故障，维修人员则需要到设备现场检测维修，这样就使制造商的维修成本居高不下，并且维修效率低下，对弯箍机制造商来讲，如果不能及时对设备进行维修，将最终导致企业降低客户满意度，进而失去市场占有率[5]。而对弯箍机客户来讲，设备的可靠性和可维护性直接影響到企业的生产加工，如果设备发生故障却得不到及时维修，将极大地影响企业经济效益[5?6]。针对这一现状，本文结合单片机技术和GPRS技术设计了一套智能弯箍机检测控制系统，以便实现制造商对弯箍机的远程检测控制，提高维修效率。

1 系统整体架构

检测控制系统主要由远程终端、通信网络和监控客户端三部分组成，系统硬件架构图如图1所示，远程终端主要负责对现场温湿度、加速度、GPS等传感器以及PLC的数据进行采集并根据监控客户端命令监控现场弯箍机；通信网络包括GPRS网络和Internet网络，采集到的数据通过GPRS模块发送到GPRS网络，然后再转到Internet网络，最终到达监控客户端；监控客户端负责把接收到的数据在上位机上显示，实现系统的数据监控、地图显示、操作日志查询、报警显示等功能。

2 系统硬件设计

远程终端包括STM32微处理器、GPRS通信模块、GPS模块、传感器和PLC等主要模块，如图2所示为远程终端的结构示意图，GPRS模块自带天线接口和SIM接口。本系统以STM32F103RCT6嵌入式处理器为核心对现场温湿度、加速度、GPS等传感器的数据进行采集以及对PLC进行数据通信和控制，其中PLC是控制弯箍机的逻辑控制器，处理器自带的SPI Flash模块用于数据存储，现场显示部分由触摸屏实现，现场数据通过GPRS无线模块W801G传输到远程监控客户端。

2.1 微处理器模块

远程终端采用STM32F103RCT6作为微处理器，它是ST公司生产的一款低成本、低功耗、高性能的32位单片机[7]，采用ARM V7架构，具有优异的实时性能，84个中断，16级可编程优先级，并且所有的引脚都可以作为中断输入，工作温度范围为-40～85 ℃，工作电源为DC 3.3～5 V。微处理器对现场温湿度、加速度、GPS和PLC的数据采集后进行解码，然后通过GPRS模块把数据发送到远程监控客户端实现远程检测控制。

2.2 PLC

远程弯箍机的控制器采用汇川H2U?2416PLC，具有24点输入，16点输出，输入电压为AC 220 V，包含两个独立物理串行通信口，分别命名为COM0和COM1。COM0具有编程、监控功能，若需要也可由用户定义为其他功能，COM1功能完全由用户自由定义。COM0硬件为标准RS 485和RS 422，两者兼容，接口端子为8孔鼠标头母座。COM1硬件为RS 485，接口为接线端子，在本系统中PLC与处理器采用RS 485协议进行数据通信。此PLC具有体积小、调试方便、成本低等优势，满足对弯箍机控制的需求。endprint

2.3 传感器

远程终端上连接了1个温湿度传感器和2个加速度传感器。温湿度传感器使用DHT11模块，通信方式采用串行通信（单线双向）。具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高等特点，温度测量范围为0～50 ℃，测量误差±2 ℃；湿度测量范围为20%～95%（0～50 ℃范围），湿度测量误差为±5%，工作电源为DV 3.3～5 V。加速度传感器用来检测弯箍机中心轴振动频率，采用GY?9250模块，陀螺仪范围为2 000 （°）/s，加速度范围为磁场范围为±4 800 μT，与处理器连接采用I2C通信协议。

2.4 GPRS模块

GPRS模块采用北京天同诚业科技有限公司的W801G模块，图3是W801G模块与STM32单片机的连接图。W801G模块与微处理器模块通过串口相连，W801G模块的TXD1和RXD1管脚分别用于发送和接收数据。此外，W801G模块还提供一个网络状态指示接口，LCDBL_LED引脚的输出脉冲信号用于控制LED 灯，作为当前网络连接状态的指示。

3 软件设计

3.1 远程终端软件设计

远程终端工作流程图如图4所示，系统上电后STM32和GPRS模块首先初始化，然后等待监控客户端上位机配置参数发起连接，成功连接后，系统进入数据传输模式，管理人员在监控客户端发出指令，经GPRS模块传给STM32，依据指令进行相应的数据采集或是执行机构的控制；当采集到数据后，将数据再经GPRS模块反馈给监控客户端，期间如果监控客户端关闭上位机程序，则断开连接。

3.1.1 串口初始化

STM32和GPRS通信模块采用串口相连，将采集到的数据发往监控客户端，数据在串口中的传输都是以帧的形式进行，起始位为1位，数据位为8位，停止位1位，波特率为9 600 b/s。下面是设置串口初始化的主要程序：

void uart_init（u32 pclk2，u32 bound）

{

float temp；

u16 mantissa；

u16 fraction；

temp=（float）（pclk2*1000000）/（bound*16）；

//得到USARTDIV

mantissa=temp； //得到整数部分

fraction=（temp?mantissa）*16； //得到小数部分

mantissa<<=4；

mantissa+=fraction；

RCC?>APB2ENR|=1<<2； //使能PORTA口时钟

RCC?>APB2ENR|=1<<14； //使能串口时钟

GPIOA?>CRH&=0XFFFFF00F； //I/O状态设置

GPIOA?>CRH|=0X000008B0； //I/O状态设置

RCC?>APB2RSTR|=1<<14； //复位串口1

RCC?>APB2RSTR&=～（1<<14）； //停止复位

//波特率设置

USART1?>BRR=mantissa； //波特率设置

USART1?>CR1|=0X200C； //1位停止，無校验位

#if EN_USART1_RX //如果使能了接收

//使能接收中断

USART1?>CR1|=1<<8； //PE中断使能

USART1?>CR1|=1<<5； //接收缓冲区非空中断使能

MY_NVIC_Init（3，3，USART1_IRQChannel，2）；

//组2，最低优先级

#endif

}

3.1.2 传感器数据采集

在远程现场，STM32主要采集现场的温湿度和主轴振动频率，当监控客户端下达采集指令时，通过GPRS模块传达给STM32，STM32对指令进行分析后采集数据，以温湿度传感器为例，下面是采集数据的主要程序：

while（1）

{

if（t%10==0） //每100 ms读取一次

{

DHT11_Read_Data（&temperature，&humidity）；

//读取温湿度值

LCD_ShowNum（60+40，150，temperature，2，16）； //读取温度

LCD_ShowNum（60+40，170，humidity，2，16）； //读取湿度

}

delay_ms（10）；

}

3.2 监控客户端上位机软件设计

监控客户端的上位机界面采用NI公司的LabVIEW软件设计，LabVIEW提供很多外观和现实仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可方便地创建用户界面，监控客户端画面中带有使用PLC型号，可以让操作人员更直观地了解到现场使用设备信号，及时针对不同型号制定不同的管理方案，便于监控人员使用[8?9]。监控客户端用于处理远程终端上传的数据，分析各项数据是否正常，并根据分析结果做出回应并下传指令，完成远程监控的功能。上位机软件的功能模块如图5所示。

系统功能设计主要体现在以下几个方面：

1） 数据监控和读取GPS。读取PLC以及传感器的数据并在上位机界面显示，便于分析现场情况。针对设备故障问题，管理人员在上位机中修改PLC的数据，以便厂家远程解决问题；考虑到制造商想要方便地查看各设备的分布情况，系统还采集GPS定位信息，并在上位机上显示地图分布，方便厂家做出战略调整。endprint

2） 用户管理功能。考虑到系统的安全性，上位机需要输入正确的用户名和密码才能登录，根据权限使用人员分为操作员和管理员，操作员只能够对远程设备实施检测控制维护等功能；而管理员比操作员多了增删用户、更改用户权限和密码的功能，这样就避免了非权限人员对系统进行的操作，保证了系统的安全运行，方便管理。

3） 系统报警功能。在连接某个设备后，如若有报警，会立即在上位机中显示报警指示灯，并且会弹出报警提示框提示报警的信息，还可以查看报警记录，便于厂家分析报警原因。

4） 设备管理数据库。在上位机中建立设备管理数据库，当发出设备以及更换设备等操作时，管理人员都要对设备使用进行记录从而做到设备档案详细，便于处理设备维修及设备保修期问题。

5） 日志管理。系统采取全面的日志管理机制。对数据的每次操作，都将详细记录操作时间、操作者以及进行的操作等信息，操作及其对象将被记录在操作日志数据库中。日志记录可以全部或按条件部分进行显示与浏览，以方便管理人员查看分析。

4 测 试

管理人员通过监控客户端上位机设置选择需要连接的设备，通过GPRS网络与远程设备通信，将采集到的数据上传到监控客户端并实时显示，图6为监控客户端实时检测到弯箍机PLC的状态图，测试结果证明系统能够有效地完成数据传输，实现了管理人员远程登录检测控制弯箍机的功能，能够达到设计要求。

5 结 论

本文提出一套基于GPRS的智能弯箍机检测控制系统，远程终端采用STM32单片机进行数据信息采集，通过GPRS网络传输到监控客户端，使管理人员可随时查看弯箍机的运行状态，不受设备安装距离的影响，并进行设备故障诊断分析和维护。

本系统对于国民经济而言，可加强我国制造业在全球化市场上的竞争力，对我国装备制造业的发展具有重要意义。本系统已经在建科机械（天津）股份有限公司批量使用，实际效果表明，该系统功能正常，运行可靠，满足弯箍机远程监控的需要，对于以后升级3G/4G系统具有参考意义。

参考文献

[1] 王良文，沈晓滨，潘春梅，等.国产钢筋弯曲机的技术现状与改良方向[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2010，25（4）：37?40.

WANG Liangwen， SHEN Xiaobin， PAN Chunmei， et al. The technical status and improvement direction of the domestic steel bar bending machine [J]. Journal of Zhengzhou University of Light Industry （natural science edition）， 2010， 25（4）： 37?40.

[2] 山云霄，朱振杰.U型管自动弯曲机的设计[J].现代制造技术与装备，2010（1）：19?21.

SHAN Yunxiao， ZHU Zhenjie. Design of U tube automatic bending machine [J]. Modern manufacturing technology and equipment， 2010（1）： 19?21.

[3] 杨飞虎.基于Windows CE的弯箍机数控系统研究[D].济南：山东大学，2012.

YANG Feihu. Research on CNC system of hoop machine based on Windows CE [D]. Jinan： Shandong University， 2012.

[4] 劉乐. 5/12全自动钢筋弯箍机数控系统的设计与实现[D].秦皇岛：燕山大学，2011.

LIU Le. Design and implementation of 5/12 fully automatic steel bar bending machine NC system [D]. Qinhuangdao： Yanshan University， 2011.

[5] 王海.制造装备远程监控故障诊断系统研究[D].沈阳：东北大学，2012.

WANG Hai. Research on remote monitoring and fault diagnosis system for manufacturing equipment [D]. Shenyang： Northeas?tern University， 2012.

[6] 赵鹏飞.基于LabVIEW的齿轮故障诊断系统设计[D].太原：中北大学，2016.

ZHAO Pengfei. Design of gear fault diagnosis system based on LabVIEW [D]. Taiyuan： North Central University， 2016.

[7] 张卫华，马孝义.基于STM32的灌区图像采集终端的研究[J].农机化研究，2013（4）：191?194.

ZHANG Weihua， MA Xiaoyi. Research on STM32 based image acquisition terminal in irrigated area [J]. Research on agricultural mechanization， 2013（4）： 191?194.

[8] 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2008.

CHEN Xihui， ZHANG Yinhong. LabVIEW 8.20 program design from the introductory to the proficient [M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2008.

[9] 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011.

CHEN Shuxue， LIU Xuan. LabVIEW [M]. Beijing： Electronic Industry Press， 2011.endprint