基于NB-IOT物联网的数控机床电控系统设计与实现

曹世超

摘要：针对传统数控机床实时监控能力有限的问题，本文提出并设计了一种新型的数控机床电控系统。该系统基于NB-IOT窄带物联网通信技术，以STM32为主控制器，提高了數控机床的工作效率和运维水平。

关键词：NB-IOT物联网;电控系统;数控机床

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）07-0010-01

0 引言

我国目前处于工业化中期，工业的高速增长带来了数控机床的旺盛需求，大多数电控系统采用传统的GPRS、3G、4G等无线通信技术将数据上传，较好的实现机床的远程监控，但这些方式存在成本高、功耗大、容量小、频率低等不足。随着物联网技术的不断发展，将物联网技术应用于智能数控机床，通过信息化手段提高机床产品的智能化水平，实现数控机床运行中全程可监控，便于机床的管理维护，同时能够提高机床运行的整体性能及可靠性，最大程度减少损失[1]。本文提出一种基于NB-IOT（Narrow Band Internet of Things）新兴无线通信技术的数控机床电控系统[2]。NB-IOT技术是专为物联网设计的窄带通信技术，工作带宽为180 kHz，具有覆盖广、低功耗、信号强、低成本等优点，将数控机床的加工过程参数和影响运行可靠性的各种参数发送到数据信息平台，实现远程实时监控。

1 系统总体方案设计

基于NB-IOT物联网的数控机床电控系统主要由传感器模块、数据采集模块、NB-IOT网络、Internet、数据信息平台等几部分构成。传感器模块负责机床运行工况参数的感知，数据采集模块进行数据的处理与传输，Internet实现NB-IOT网络和数据信息平台的互联。系统整体结构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 NB-IOT模块

采用NB-IOT物联网技术实现数控机床与数据信息平台之间的信息交互，数据的安全性和可靠性都有较大提高，且减少了许多不必要的干扰。NB-IOT技术具有：（1）海量连接和深度覆盖的优势，比现有无线技术提供50～100倍的接入数，比LTE提升20dB增益，覆盖能力提高了100倍;（2）超低功耗，引入了超长DRX省电技术和PSM省电态模式，5Wh之内提供至少10年的支持，适用于不能经常更换电池的设备;（3）超低成本，基于LTE协议栈对终端和网络进行功能精简，实现低成本。

本系统选用的是中国移动物联网的M5310-A型NB-IOT模块。M5310-A 是一款工作在频段Band3/Band5/Band8的工业级NB-IoT模组，采用LCC贴片式封装，30个引脚，最大限度满足终端设备对小尺寸模块产品的需求。M5310-A 在支持eSIM和OneNET云平台协议的基础上，支持最新3GPP Release14标准，支持更高通信速率，支持基站定位。同时支持FOTA功能，方便进行远程固件升级。M5310-A内嵌LwM2M/MQTT-SN/TCP/UDP/COAP等数据传输协议及扩展的AT命令。M5310-A模块采用了低功耗技术，供电电压3.6V，电流功耗在PSM模式下低至3uA。

2.2 微控制器模块

本系统选用ST公司的STM32F103RBT6作为核心处理器，对机床传感器采集的工况参数等数据进行实时处理，并以一定的帧格式通过NB-IOT模块转发至核心网，同时对本地显示模块、电源模块进行有效控制。STM32系列是基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器，该型号有64个引脚，CPU主频最高速度达72 MHz，128KB的Flash存储器，具有多种控制外设、USB全速接口和CAN，集高性能、实时功能、数字信号处理、低功耗与低电压操作等特性于一体，同时还保持了集成度高和易于开发的特点。

3 系统软件设计

主控程序首先对机床电控系统进行初始化，其中NB-IOT模块进行联网。数据采集模块通过机床传感器获取机床运行工况参数，并按照自定义的帧格式将数据打包转发，利用NB-IOT网络经核心网将数据上传至数据平台。为保证无线通信的实时性和和准确性，在每一帧的通信数据中加入帧头0xFF、帧尾0xEE和CRC校验。数据包有效长度共10个字节，字节1是帧头，字节2是机床编号，字节3是传感器编号，字节4是数据帧长度，字节5-8是传感器数据，字节9是校验位。字节10是帧尾。平台接收到数据后进行数据帧解析，如果数据有效则将数据存储，如果数据无效则重新请求发送。系统运行流程如图2所示。

4 结语

本系统在冀南某数控机床企业经测试运行效果良好，基于新兴NB-IOT物联网技术的数据传输安全高效地上传至数据信息平台，数控机床生产中的加工信息数据和实时运行状况得到及时反馈，使得数控机床的智能化、自动化、信息化水平得到了很大的提高。

参考文献

[1] 林景山.面向智能制造的数控机床互联网技术研究[J].山东工业技术，2019（9）：171.

[2] 徐海.基于工业以太网的数控机床监控方法研究[J].机床与液压，2018（14）：123-127.