基于NB—IoT的智能机床控制器设计

李鑫

【摘 要】工业物联网技术是当前设备信息化的一种组网方式，现在各个运营商主推的物联网方式为窄带物联网也就是NB-IoT网络。随着我国工业化水平越来越高，需要从低端产品制造到高端设备制造的转化，现在利用智能物联网是最好的选择。在机床控制器中采用多种通信方式以及神经网络自动控制手段实现机器加工设备自动化以及信息化。

【关键词】窄带物联网；通信方式；神经网络

中图分类号：TN925 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）24-0075-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.036

0 引言

工業的发展离不开机床，当代机床发展已经进入了智能化、一体化、信息化的时代，但有一些小型机床还不能实现这些功能。为了在不提高成本的情况下，将这些机床进行信息化改造，成为可以联机，联网，模块化装备的智能机床。在设备的研制过程中主要解决了设备信息化能力，采用LPC11xx系列处理器，在50MHz主频下可以稳定长期工作，并对机床的各种操作进行记录并将信息传输到云平台。采用了新型的NB-IOT通信模块，可以将设备的主要信息通过网络发送到云平台。在设备之间采用了短距离传输协议ZigBee，通过通信协议将设备信息进行交换，将设备之间的流程进行管理和维护。

1 智能机床的构成

当前机床的主要结构为控制器，执行器，反馈系统，组成的闭环控制。在这个系统中，处理器的作用非常重要，多数机床选择使用PLC为主要控制器，在PLC控制下使用变频电机带动设备进行加工，由于PLC本身在通信以及信息化的局限性，不能提供更多更可靠的服务。

工业物联网作为一种创新的应用技术，目前在众多领域的普遍应用为智能机床工作情况监测和故障诊断技术的进步带来了更多便利条件，在提高机床系统故障预防诊断能力、减少重大故障以及过度维修、改善系统保障模式等方面发挥了极大的效用，产生了巨大的经济效益并为环保节能减排做出了贡献。

智能机床控制系统主要构成为：机床主控制器，传感器系统，执行机构ZigBee通信系统，NB-IoT网络系统以及以太网传输系统。在这个系统里，可以单独使用某特种机床设备，也可以联网构成机床加工生产线，实现模块化工作。

2 NB-IoT传输模块

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）是由3GPP标准化组织定义的一种技术标准，是一种专为物联网设计的窄带射频技术，因此得名。主要有以下特点：

2.1 覆盖范围比较大

NB-IoT比LTE增益增加了20db，增益增加也就意味着功率比LTE增加了100倍，覆盖能力提升了。在高增益下，一些以前不能联通的比如地下室，车库等地方也可以直接上线，提高了设备可利用率。

2.2 功耗非常低：可延长电池使用时间长达10年

虽然NB-IoT设备的增益增加了，但是它本身的功耗却降低了。设备在进行调制解调以及功率放大过程中可以调节功率，因为设备主要是用在小数据量，小速率设备上，使得设备功耗非常小，保障电池10年以上的使用寿命。

2.3 降低设备成本

因为NB-IoT设备的芯片比较小，集成度比较高，使得芯片以及模块的面积比较小，使得制作成本比较低。这样的化价格也比较小，比一般的4G模块便宜一半。

2.4 海量连接：每小区可达10万连接

NB-IoT比2G/3G/4G有50-100倍的上行容量提升，在同一个基站下可以连接的设备数量也是非常大的。

NB-IoT典型电路如下：

采用了控制器lpc1114和NB-IoT通信模块的通信控制结构，在这个控制过程中，主控制器担负起对传感器反馈信息处理以及对设备执行器相关操作。在设备运行期间将设备运行参数，设备运行状态以及加工产品信息上传到云平台以方便用户进行实时查询和更改信息。

3 系统软件流程

机床控制器采用了无线组网方式，采用竞争方式对整个设备生产线设备的优先级进行定义，优先级数值越小，级别越高。在设备内部组网使用ZigBee协议，短距离，自组网方式实现设备之间的调用和生产过程协商。

在程序流程中，为了简化硬件设计难度采用通信模块进行编程，在整个通信过程中主要采用串口为标准通信方式。通行过程中，采用自定义帧结构为主要通信帧结构：

通信采用串口通信，在通信过程中将数据帧进行发送，数据帧采用队列的方式进行数据添加，在获得数据结束标志之后，进行统一发送与数据处理。在此帧结构中，帧头统一为0XAA，0X55，在类型中第一个字节为0X11表示采用NB-IoT，高4位表示是否启用NB-IoT，低4位表示采用CoAP等无线协议。ZigBee采用0X11，高4位表示是否启用ZigBee，低4位表示设备状态，HOST为1个字节表示设备号，NO表示优先级。

在设备运行过程中，依据流程图依次开始自检，启动ZigBee优先级协商，完成之后产生一个主机，其他都是从机，主机会取得设备流程方法，并将按照方法将设备I的各个运行状态进行收集，并且根据设备的运行状态发送给主机，主机获得信息之后总体协调设备运行自动化。

4 结论

通过测试本系统在线运行良好，机床控制器将加工工件信息以及工作状态信息有效的传输到物联网平台，并能够准确执行加工流程。在普通机床基础上进行的智能化升级改造有效的解决了远程查看，远程控制等问题，使得机床的附加值有效增加，提高机床制造智能化水平，降低了用户的使用成本。

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