无线通信技术的焊接参数采集系统

1系统总体设计

基于无线通信技术的焊接参数采集系统主要由焊机端监控器、无线AP（AccessPoint）、交换机和服务器组成。信号采集装置上配有Wi－Fi模块，可实现与无线AP的连接，每台焊机上均安装该信号采集装置，以实现焊机工作参数的采集；无线AP作为数据传输的媒介，可保证信号采集装置与上位机之间的数据传输；服务器上运行的监测系统可对接收到的数据进行分析、处理、存储、实时显示和事后查询等操作，从而实现对焊接参数的实时监测。

2系统各模块硬件组成及功能

2．1信号采集装置

信号采集装置系统结构，其主要功能是实现焊机工作参数的采集、临时存储和传输。该装置主要包括STM32F103系列单片机、USR－WIFI232－B无线射频模块、信号隔离变换模块、LCD显示屏、存储模块和电源管理模块等，其硬件设计如图2所示。STM32F103C8T6单片机是信号采集装置的核心模块，是一款以ARM32位的CortexTM－M3CPU为核心的单片机，其内部集成了64KRAM及20KSRAM，具备2个12位ADC模块，工作电压为2．0～3．6V。单片机内部烧录了数据采集客户端程序，以实现数据采集频率的控制、前端模拟信号的AD转换、写入存储模块、控制Wi－Fi模块实现与无线AP的连接以及与上位机之间的数据传输等工作。为防止因网络连接故障等原因而造成的数据丢失，在信号采集装置中加入数据存储模块。该模块可记录对应焊机最近24h的工作状态参数，单片机将采集到的数据实时写入该存储模块，每次数据传输完成后，单片机程序会将存储模块中的数据清空，同时在该模块空间写满之后，新采集的数据会自动覆盖最早的数据以便后续记录。

2．2无线AP

无线AP的主要功能是保证信号采集装置与上位机的通信，由于工厂车间的环境比较复杂，一些大型设备及钢结构厂房等对无线信号有极大的干扰作用，因此为了保证该数据采集系统的可靠性，必须保证无线信号的稳定性和强度的可靠性。本系统选用以色列进口的波讯WBS－2400作为数据传输的媒介，该无线AP支持IEEE802．11b／g／n无线标准及TCP／UDP等通信协议。经测试，在该无线AP半径300m范围内可有效保证数据的传输，其有效带机数在150台以上。

2．3上位机

上位机硬件主要由高性能PC组成，上位机需安装SQLServer2005数据库，在其上运行上位机监测系统，该监测系统是基于C＃语言开发的窗体程序。上位机监测系统的主要功能是完成数据的接收、解析、存储、实时显示及事后查询等工作，处理后的数据存储于SQLServer2005数据库。

3系统软件设计

3．1信号采集装置

采集模块先将经过分流器采集的模拟信号进行隔离变换后，将所得模拟信号传送给单片机，经单片机AD转换后将模拟量变为数字量，然后写入存储模块，信号采集装置通过Wi－Fi模块接入无线网络等待上位机允许数据传输指令。为避免数据传输过程中客户端发送数据的无序性，焊机端信号采集装置采用被动上传的方式进行数据传输，在未收到上位机允许传输数据指令之前，该装置将采集到的数据存入系统存储模块中，当收到允许数据传输指令时，采集模块将从收到该指令之前所采集的数据全部发送给上位机，同时将采集模块内存中的数据清空，并开始下一次的数据传输。在焊接作业过程中，起弧、收弧和焊枪抖动等原因会造成焊机工作电流、电压的波动，由于对焊机的数据采集并非连续性，因此这些波动会对所采集的焊机工作电压、电流参数的准确性产生较大的影响。本系统采用数字滤波的方法消除这些波动带来的影响。在数据采集时，通过单片机控制采集模块每100ms采集一次焊机作业的电流和电压数据，对1s内的10次样本数据求均值（算术平均滤波）后作为一个有效工作状态样本存入存储模块中。

3．2上位机软件设计

为保证上位机所对应的焊机有序地向其传输数据，上位机上存有该服务器所对应的所有焊机的列表，在每一轮数据传输前上位机都会根据列表中的焊机顺序遍历一次焊机端信号采集装置，通过遍历获得连接正常的信号采集装置列表，上位机根据列表所列焊机的顺序依次与焊机端信号采集装置建立连接并完成每台焊机的数据接收，当一个焊机端信号采集装置与服务器传输完毕后，服务器会断开与其连接并向下一个信号采集装置发送数据传输指令，以完成数据的传输及存储工作。信号采集装置发送的每条数据中应包含设备ID，焊机作业电压、电流，数据采集时间，焊机作业状态（焊接、待机、关机）等信息。用户可在该界面实现数据库服务器、数据表名和端口号的设定，同时还可直观地查询当前连接的客户端、当前ID编号的焊机对应的焊机工作状态参数及所收到的消息条数等信息。

3．3通信协议及实现方式

该焊机工作状态参数采集系统信号采集装置与上位机之间的通信过程是一个典型的基于TCP协议的Socket通信过程［7］，信号采集端程序烧录于信号采集装置单片机芯片内，上位机运行服务器端程序，TCP协议的采用可保证数据传输的可靠性，从软件层面避免丢包现象的发生。

4试验验证

4．1系统准确性

测试为验证该系统准确性，以OTCCPVE400焊机为测试对象，使用该系统对其在室温条件下的焊接参数进行监测。在试验条件下该系统所测焊机的电压和电流，结果表明该焊机工作状态参数采集系统能够有效保证数据检测的准确性。

4．2系统丢包率测试

通过软件模拟不同数量的客户端程序经由WBS－2400与上位机进行数据传输，对该测试系统的丢包率进行测试，通信协议为TCP协议，模拟客户端与服务器之间距离为250～300m，测试结果表明该测试系统可以保证当WBS－2400为媒介进行数据传输时，该系统丢包率为0（丢包率按式（1）计算），表明该系统能够很好地保证数据传输的完整性。丢包率＝发送的信息条数－收到的消息条数发送的消息条数（1）

5结论

针对当前焊接作业缺乏有效监管手段的现状，结合Wi－Fi通信技术的优点，设计基于无线通信技术的焊机焊接参数采集系统，并对该系统的有效性进行试验验证，结果表明：（1）在使用该测试系统监测和记录焊机工作参数时，电流和电压的最大相对误差分别为0．63％和0．46％，能够保证所采集数据的准确性。（2）丢包测试结果表明该系统在数据传输和存储时不存在丢包现象，可完整地记录焊机焊接作业过程中的工作参数。（3）该系统可实现对焊机焊接参数的有效采集及事后查询，同时避免传统采集方法的布线问题等弊端，能有效帮助企业实现对焊接作业的高效管理。（4）该系统目前只能采集焊机焊接作业参数，后续应加入焊接参数与焊工信息的绑定功能以进一步支持企业对焊工的规范化管理。（5）该系统后续可加入焊机工作状态的监控，如工作、待机、关机等，通过一定时间段的数据统计和分析后，可对企业焊机资源的优化配置提供技术支持。

作者：马晓平 迟俊吉 马诗龙 单位：江苏现代造船技术有限公司 江苏科技大学船舶与海洋工程学院