基于STM32的铜加工罩式炉温压在线监测系统设计

王海峰

（甘肃钢铁职业技术学院，甘肃嘉峪关，735100）

0 引言

罩式炉安全生产工艺的研发，是我国铜加工企业提升生产水平的关键[1]。目前，大部分企业采用人工巡检方式，记录气压表和温控仪数据，每间隔一段时间记录一次数据，作为设备作业安全诊断参考依据[2]。这种诊断模式提供的数据实时性较差，并且存在错误记录情况[3]。为了实时且精准监测罩式炉作业状况，本文尝试提出一种温压在线监测系统设计研究。

1 系统总体设计

本系统选择STM32作为核心控制器，借助EC20模块，建立现场终端和无线网络的通信连接，通过访问OneNet云平台，实现温压数据上传[4]。其中，使用到的网络基站为移动网络。如图1所示为系统总体结构设计方案。

图1 系统总体结构

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件框架结构

系统硬件架构主要是信息采集终端，以STM32单片机作为控制器，利用I/O端口，对温度控制仪和气压测量仪进行有效控制，通过EC20无线模块传输数据。所以，系统硬件框架结构主要由以上4部分组成。

2.2 铜加工罩式炉温压信息采集设计

本系统选取E300温控仪、CYZ11气压测量仪作为信息采集工具，前者通过RS485A建立通信连接，后者通过RS485B建立通信连接，设备硬件电路设计如图2所示。

图2 系统温度信息采集电路

2.3 无线通信设计

本系统选取EC20无线通信模组作为开发工具，与4G/5G网络建立通信连接。其中，与主控器的串口连接，利用MAX2232芯片实现转换[5]。如图3所示为无线通信电路。

图3 系统无线通信电路

2.4 系统供电设计

STM32核心控制器硬件电路中自带电压转换电路，由控制柜供电，输出电压为5V。另外，EC20模块的作业电压与之不同，作业电压为3.8V。所以，本系统供电设计，利用MIC29300WU作为电源转换装置，满足不同硬件供电需求。

3 系统软件设计

3.1 铜加工罩式炉温压信息采集设计

关于炉温压信息的采集，利用核心控制器STM32控制温度控制仪、气压测量仪，通过下达信息采集命令，从而实现信息采集。关于此部分功能软件开发主要包括两部分，分别是设备采集信息帧协议格式、信息采集与处理流程开发。

（1）采集信息帧协议格式

温度控制仪，设置功能码为0x03，设备地址0x01，设定两个寄存器地址，均为0x00，第一个地址的数据个数和CRC校验码分别为0x00、0x84，第二个地址的数据个数和CRC校验码分别为0x02、0x0A。

气压测量仪，设置功能码为0x03，设备地址0x02，设定两个寄存器地址，分别为0x00和0x02。其中，地址0x00的数据个数和CRC校验码分别为0x00、0x89，地址0x02的数据个数和CRC校验码分别为0x02、0x2C。

（2）信息采集与处理流程开发

本系统选取定时中断方式控制系统作业程序，构建服务函数，采集并识别信号，从而获取温压数据。以下为该项功能的核心流程：

第一步：串口初始化；

第二步：等待信号；

第三步：判断当前服务模式，是否为信号采集服务模式，如果是该模式，则自动跳转下一步，反之，需要返回第二步；

第四步：构造服务函数，向设备发送数据采集命令；

第五步：向采集到的数据发送请求帧；

第六步：解析当前数据信息帧；

第七步：判断当前解析操作是否有效，如果有效，则自动跳转到下一步，反之，出错报警。

第八步：对采集到的数据信息采取相应处理。

3.2 基于云平台的数据发送设计

本系统云平台数据发送功能的开发建立在物联网云基础上，通过设置公开协议，为用户提供数据发送服务。本系统开发选择的通信协议为MQTT（Message Queuing Telemetry Transport），以云平台通信参数设置，来限定用户访问端口和发送数据行为。按照操作先后顺序，将数据发送拆分为两个阶段。第一阶段为密匙接入与参数设置，即数据发送的准备阶段。需要用户输入与发送设备连接的密匙，而后设置服务器IP地址、端口号、鉴权信息等参数，而后创建平台登陆函数、接入函数，为登陆与连接函数搭建结构体系。第二阶段为数据发送。该阶段利用EC20模块，创建4G/5G网络通信连接，检查通信连接是否成功，而后开始传输数据信息，以下为具体数据发送流程。

第一步：EC20模块初始化，创建4G/5G网络通信连接；

第二步：判断当前网络连接是否正常，如果正常，则进入第三步，反之，返回第一步；

第三步：连接服务器；

第四步：判断当前服务器连接是否正常，如果正常，则进入第五步，反之，返回第三步；

第五步：发送数据包；

第六步：延时等待返回确认包；

第七步：判断当前是否收到了确认包，如果成功收到，则进入第八步，反之，返回第五步；

第八步：判断当前数据发送操作是否完毕，如果发送完毕，则进入第九阶段，反之，返回第五步；

第九步：断开与服务器的访问链接。

4 系统测试分析

4.1 测试环境

本次测试按照系统硬件设计连接系统硬件设备，在OneNet云平台环境中测试系统功能。检验系统硬件设备连接无误后，将硬件监测设备与4G/5G网络建立通信连接。在平台监测界面上观察测试结果。

4.2 测试结果分析

当前监测界面显示采集数据时间与实际采集数据之间差在1s之内。为了检验本系统监测界面上显示的数据是否可靠，本次测试将界面显示数据与实际数据进行对比，如果误差在1%内，则认为该系统可以作为温压监测工具。如表1所示为实验测试结果。

表1 实验测试结果

表1中5组测试，气压和温度测试结果误差均在1%以内。其中，气压最大误差为2.87‰，温度最大误差为2.43‰。