基于NB-IOT压滤机物联创新客户服务系统设计

周 旭

（山东华宇工学院电气工程学院，山东 德州 253034）

作为污水处理产业链上重要的一环，压滤机在我国的发展一直备受瞩目。到2019年，我国年污水处理能力将达到575亿吨，年污泥产量约为4560万吨。压滤机工作时需要工作人员值守，不能及时记录压滤机的工作时间，不能实现人机交互。随着社会发展，自动化程度的提高，客户对压滤机提出了新的要求，即提高压滤机的自动化水平，以实现互联互通、自动数据采集、远程调试、远程故障分析、人机交互、无人值守的功能。目前，国内压滤机还没有基于NB-IOT的物联系统。不能让生产厂家远程读取客户设备运行参数。这个问题亟须解决。

针对以上的问题，我们研制一种基于NB-IOT的压滤机物联客户创新服务系统。在“万物互联”的大趋势下，NB-IOT具备强连接、高覆盖、低功耗、低成本等特性，能够带来更加丰富的应用场景[1]。通过电脑网页或手机APP监视压滤机参数。压滤机数据物联网化，可以提升压滤机产品技术含量，增强产品竞争力。通过大数据分析，掌握压滤机设备的开机率，使设备运行时长，更快应对市场变化，更新产品。

使用单片机作为控制核心，外接网络通信芯片，使单片机通过串口采集的数据传输到云服务器。单片机内部编写程序，实现MODBUS协议，从而实现单片机和PLC、智能仪表之间的通信[2]。云服务计划采用百度云服务器，它支持MQTT协议，能够实现数据的实时传输。在PC端和手机端使用HTML5技术编写网页，展示采集到的数据[3][4]。在手机上编写APP，实现手机对工业现场的远程监控和控制功能。系统组成如图1所示。

MODBUS通信实现。基于NB-IOT通信网络，数据直接发送到服务器，无需网关[5]。采用单片机作为主控芯片，无线传输使用网络传输。在手机端编写APP供数据展示和远程控制使用。程序通信流程图，如图2所示。

图1 压滤机物联客户服务系统示意图

图2 主机发送程序通信流程图

我们选用带有WIFI功能的单片机ESP8266，在单片机内部编写MODBUS通信协议，读取PLC内部地址的数据。MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言[6]。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其他设备之间可以通信。本项目使用RTU模式，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0～9，A～F。网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当第一个域（地址域）接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己。在最后一个传输字符之后，一个至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。消息帧的地址域包含两个字符（ASCII）或8Bit（RTU）。主设备通过将要联络的从设备放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时，它把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一个设备作出回应。地址0是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。应答包中，数据包括了数据字节长度+数据值，请求包中数据只包含数据值。通过以上方法，对MODBUS各个线圈进行读写[7][8]。

NB-IOT网络的使用。NB-IOT网络的注册和信息发送。采用上海移远芯片，学校附近已布置电信NB-IOT基站，故使用一款电信的模块。首先需插上SIM卡，然后写IMEI号，过程如下：先执行AT+CFUN=0命令，然后再执行AT+NTSETID=1，设置IMEI号；设置后执行AT+CGSN=1查询是否设置成功。IMEI号只能设置一次。接下来的步骤是附着网络。接收UDP数据，当我们通过指令向服务器发送数据后，这个时候运营商为模组和服务器开通了一个短暂通道，模组的地址就是我们接收数据时的地址。

物联创新客户服务系统软件开发。IONIC是一个用来开发混合手机应用的，开源的，免费的代码库。该框架可以运行于电脑端和手机端。在软件内我们使用MQQT协议来收发服务器消息。步骤如下：(1）连接服务端，客户端到服务端的网络连接建立后，客户端发送给服务端的第一个报文必须是CONNECT报文。在一个网络连接上，客户端只能发送一次CONNECT报文。服务端必须将客户端发送的第二个CONNECT报文当作协议违规处理并断开客户端的连接。有效载荷包含一个或多个编码的字段。包括客户端的唯一标识符，Will主题、Will消息、用户名和密码。除了客户端标识之外，其他的字段都是可选的，基于标志位来决定可变报头中是否需要包含这些字段。（2）发布消息，PUBLISH控制报文是指从客户端向服务端或者服务端向客户端传输一个应用消息。（3）订阅主题，客户端向服务端发送SUBSCRIBE报文用于创建一个或多个订阅。每个订阅注册客户端关心一个或多个主题。为了将应用消息转发给与那些订阅匹配的主题，服务端发送PUBLISH报文给客户端。SUBSCRIBE报文也（为每个订阅）指定了最大的QOS等级，服务端根据这个发送应用消息给客户端。

通过以上硬件系统调试和软件的数据传输。在压滤机上应用基于NB-IOT的物联客户创新服务系统，实现了设备的远程维护。采用最新的NBIOT网络，实现了压滤机数据采集的稳定可靠。采用基于NB-IOT的物联客户创新服务系统，减少设备维修时间，可以提高设备利用率，增加企业赢利。