PE管道智慧焊接监测系统的设计

吕志刚，赵　锋，王　鹏，郜　辉，张晓明

(1.西安工业大学电子信息工程学院,陕西 西安 710021； 2.西安塑龙熔接设备有限公司,陕西 西安 710043；3.陕西省特种设备检验检测研究院，陕西 西安 710048)

0　引言

近年来，随着“互联网+”的发展，各传统行业迫于市场压力开始转型[1]。PE管道焊接在我国的制造业发展中相对滞后，由于受人为因素的影响，焊接质量难以保证[2]。实现对焊接过程参数的实时智慧判断，是提高焊接质量、构建智慧城市的重要保证[3]。

焊接人员、焊接地点、焊接参数是影响PE管道焊接质量的重要因素[4]。目前，国内PE管道焊接质量主要靠事后的人为判断，与智慧城市的要求相去甚远。为此，本文设计了一套基于“互联网+”技术的PE管道智慧焊接监测系统。该系统可以实时上传焊工身份、焊口位置、焊接过程参数，并在服务器端完成焊接质量的智慧判断。通过责任到人，有利于提高焊接人员的质量意识；通过责任到地，有利于迅速纠正焊接现场的错误；通过责任有据，有利于完善惩罚制度。

1　系统工作原理

整个监控系统主要由焊接设备、智慧监控模块、智慧监控中心等部分构成。

焊接人员通过指纹传感器录入指纹信息。只有备案过的焊接人员，才能接通焊接设备的电源，开始焊接工作。焊接结束后，焊接设备通过RS-232接口将焊接参数传送给智慧监控模块。智慧监控模块将通过北斗卫星获取的焊口定位信息，以及人员信息和焊接过程参数，由4G通信模块上传至智慧监控中心，或由蓝牙上传至移动终端。通过智慧监控中心或移动终端应用程序(application,APP)软件，可完成焊接质量的判断。

2　硬件设计

无线监控模块硬件由CPU、指纹识别、U盘管理、无线通信、北斗、RS-232通信、蓝牙通信、数据存储、继电器控制等模块构成。硬件设计框图如图1所示。

图1　硬件设计框图Fig.1　Block diagram of hardware design

2.1　CPU模块

在CPU外部扩展的主要模块中，有5个模块需要通过串口与CPU进行连接。因此，采用基于Cortex-M3内核的ARM7处理器STM32F103RCT6作为CPU模块。

STM32F103RCT6采用LQFP64封装，内部资源丰富：提供256 KB的超大容量FLASH，用于存储应用程序。内部集成48 KB的静态RAM，用于存储中间变量；提供5个全双工UART，支持JTAG和SWD调试；同时提供CAN、I2C、IrDA、LIN、SPI、UART/USART、USB等常用硬件接口[5]。

2.2　指纹识别模块

通过指纹识别模块，对焊工身份进行识别及获取。只有指纹信息备案过的焊接人员，才可以进行焊接工作。该模块由R305光学指纹读头构成。

R305指纹模块采用高速数字信号处理器(digital signal processor,DSP)，外扩光学指纹传感器，配以高性能指纹比对算法，结构简单、性能稳定，具有指纹对比、指纹录入、掉电存储等功能[6]。同时，该模块可以存储980枚指纹信息，能够满足系统的要求。该模块硬件设计简单，+5 V供电，提供晶体管-晶体管(transistor tramsistor logic,TTL)逻辑电路的串口输出TXD、RXD引脚，与STM32F103RCT6串口4的RXD、TXD相连接。

2.3　U盘管理模块

由于焊接现场比较偏僻，焊机分布比较分散，难以通过上位机集中更新指纹信息。因此，通常将指纹信息存储到U盘上，并将U盘携带至焊接现场。智慧监控模块通过U盘管理模块完成对指纹信息的更新。

采用CH376S专用芯片完成U盘管理模块的设计[7]。CPU通过该模块从U盘中读取指纹信息，完成对系统指纹信息的更新。该模块提供3种硬件通信接口：8位并口、串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)或者异步串口。考虑到CPU已用资源的情况，采用SPI完成该模块的设计。U盘管理模块原理如图2所示。

图2　U盘管理模块原理图Fig.2　Schematic diagram of USB disk management module

2.4　无线通信模块

无线通信模块原理如图3所示。

图3　无线通信模块原理图Fig.3　Schematic diagram of wireless communication module

智慧监控模块通过无线通信模块，实时将指纹信息、定位信息、焊接参数传送至智慧监控中心，由后者完成对焊接质量的判断及报警功能。

无线通信模块采用支持3G/4G网络的KS97模块[8]。该模块采用插针式结构与底板连接，服务器地址可以通过专用配置软件进行设置。内置PPP/TCP/UDP/IP协议，具有防假死、体积小的特点，且能与CPU连接简单。KS97的TX1与RX1分别与CPU模块串口1的RXD与TXD相连。当服务器连接成功后，服务器状态引脚(SEVER,SVR)会输出高电平，发光二极管会点亮。

2.5　北斗定位模块

随着北斗导航系统的快速发展，该系统已实现了对我国及东南亚的全覆盖，且定位精度越来越高。系统采用北斗定位模块，获取焊接现场的经纬度信息，为实现责任到地打下基础。

本系统采用科微ATGM北斗模块，支持BD、GPS的单系统定位和双系统联合定位，内置天线短路保护功能[9]，定位精度可达3～5 m，满足设计要求。硬件设计简单，通过TTL逻辑电平的串口接口RXD、TXD与CPU模块串口2的TXD、RXD相连。北斗定位模块原理如图4所示。

图4　北斗定位模块原理图Fig.4　Schematic diagram of BeiDou positioning module

2.6　RS-232/蓝牙通信模块

本系统需要扩展两路RS-232接口。一路用于连接焊接设备，实现焊接参数的提取；一路用于连接蓝牙模块(BC-04模块)，实现与手机APP的通信。前者是获取焊接参数的通道，后者是对服务器故障时数据提取的有效补充。RS-232/蓝牙通信模块原理如图5所示。

图5　RS-232/蓝牙通信模块原理图Fig.5　Schematic diagram of RS-232/Bluetooth Rcommunication module

该模块由MAX232芯片构成。MAX232的T1out/R1in、T2out/R2in分别与CPU模块串口3、串口5的TXD3/RXD3、TXD5/RXD5相连，MAX232的R1out/T1in、R2out/T2in分别外接焊接设备和蓝牙模块。

2.7　数据存储模块

当由于SIM卡欠费或服务器故障而导致数据无法上传时，可以通过掉电可保存的数据存储模块，将该数据保存在智慧监控模块中。当故障排除后，从存储模块中读取失败记录，再上传至智慧监控中心软件。

本模块由基于SPI总线的AT45DB161芯片构成。该芯片存储控制空间为2 MB，共分为4 096页，每页528 B[10]。WP端接地，保证CPU模块可以对该芯片进行读写操作。该芯片硬件设计简单，可直接与CPU模块提供的专用SPI总线引脚相连。数据存储模块原理如图6所示。

图6　数据存储模块原理图Fig.6　Schematic diagram of data storage module

2.8　继电器控制模块

焊机设备的电源由智慧监控模块控制，当焊接人员指纹信息验证通过后，才接通焊接设备。这样就可以保证，只有备案过的焊接人员，才能够进行焊接作业。本模块由达林顿管ULN2803和继电器构成。

CPU的控制信号IC_RL通过达林顿管ULN2803后，在逻辑反向的同时，提高了输出电压，可直接与继电器相连。继电器的接通和与断开，决定了焊接电源的接通与断开。继电器控制模块原理如图7所示。

图7　继电器控制模块原理图Fig.7　Schematic diagram of relay control module

3　软件设计

本系统的软件由智慧监控模块软件、智慧监控中心服务器软件、手机APP软件构成，可分别实现现场数据的上传、接收与智慧判断以及备份功能。各软件相互协调工作，形成完整的监测系统软件。

3.1　智慧监控模块软件

该模块在微处理开发工具(microcntroller development kit,MDK)集成开发环境下，采用C语言程序设计，调用STM32库函数完成底层驱动程序的编写。在应用层程序设计中，采用模块化设计，结合中断、滤波技术，提高了系统的稳定性。智慧监控软件完成了指纹数据的录入、指纹信息的验证及提取、焊机参数的采集、北斗定位信息的解析、数据无线传输的实现、失败参数的存储及重传等功能。智慧监控模块软件流程图如图8所示。

图8　智慧监控模块软件流程图Fig.8　Software flowchart of smart monitoring module

3.2　智慧监控中心服务器软件

智慧监控中心服务器软件采用面向对象编程语言的JAVA语言，并结合Oracle数据库及谷歌地图完成设计。

采用SOCKET编程技术，建立服务器端的应用程序，在客户端同时登陆时可保证通信的实效性；采用流行的Oracle数据库管理海量数据，可保证数据的完整性、共享性和可靠性；通过调用谷歌地图的应用程序编程接口(application programming,interface,API)函数，能在数字地图上直观显示焊接现场的经纬度。服务器软件根据PE管道焊接的国家标准，对上传焊接数据进行智慧判断，给出焊接质量的最终判断，即对焊接失败的焊口进行标注并实时报警。

3.3　手机APP软件

使用面向对象编程语言的手机APP软件主要实现两个功能：对焊接的重要节点进行拍照取证，规范焊接流程；直接提取焊接参数，进行数据备份。同时，手机APP软件可以将上述数据上传至智慧监控服务器软件。

采用JAVA语言完成手机APP软件的设计，包括APP界面、焊接数据提取(蓝牙通信)、拍照、数据存储、数据传输等模块的设计。该软件是对智慧监控模块软件及智慧监控中心服务器软件的有效补充。该软件的拍照功能，解决了监控模块无法对焊接重要节点进行拍照取证的问题；该软件的焊接数据提取功能，解决了数据上传失败，无法进行备份及快速重传的问题。

4　结束语

本文设计的智慧监测系统，通过智慧监控模块、智慧监控中心软件、手机APP软件的相互配合，保证了PE管道焊接责任到人、责任到地、责任有据，提高了焊接人员的质量意识，并从管理机制上大大提高了焊接质量与焊接效率。在“互联网+”快速发展的今天，将互联网技术融入到传统的PE管道焊接行业，对于智慧城市的建设发挥着重要的作用。该系统已经在沈阳、贵阳、北京等地得到了成功应用，具有良好的推广前景。

参考文献:

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[2] 薛飞.PE燃气管道焊接施工质量管理与控制策略探究[J].现代盐化工,2016,43(6):40-41.

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[5] 胡旦,孙佳,杜灵根,等.基于STM32的蓄电池检测系统设计[J].船电技术,2017,37(4):77-80.

[6] 孙计伟,李临生.基于嵌入式Linux的指纹识别系统设计[J].工业控制计算机,2013,26(3):1-3.

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[8] 贾全忠.基于STM32的农业机械设备监控系统设计[J].农机化研究,2015(8):216-219.

[9] 邱云翔,蔡成林,孙凯,等.基于北斗可穿戴式老人心率检测仪[J].电视技术,2017,41(2):19-22.

[10]陈颖.存储器AT45DB161及其在安全监控记录装置中的应用[J].机车电传动,2009,30(2):51-54.