基于STM32的炉壁测温物联网系统设计

袁君奇，黎 钢，向紫萱

（湖南瑞菱科技有限公司，湖南 湘潭 411101）

0 引 言

随着我国高炉炼铁设备的不断完善与技术的不断进步，高炉的经济效益得到大幅提升。现代高炉不仅可以使生产效率和质量得到显著提升，同时还有效推进了我国高炉炼铁洁净、高效、长寿、低能耗等综合目标的实现。通过延长高炉寿命降低了生产成本，得到了国内外高炉炼铁行业的高度认可[1]。

在高炉冶炼生产过程中，高炉炉缸和炉身冷却壁保温层长期处于一种慢性磨损、腐蚀和物料碰撞的状态。可能使炉壁此部位保温层逐渐变薄或破损，导致烧红炉壁甚至发生重大安全事故。所以对炉壁温度进行实时监控十分必要。

本系统以STM32L011K4T6芯片为控制核心，采用MAX6675与K型热电偶作为温度采集模块，通信信号处理借助LoRa通信、RS 485通信、以太网通信实现。该温度管理系统能够方便地实现炉壁温度管理数据的实时、在线采集，以及与以太网传输的功能，简化了系统的安装、调试、维护等过程。该系统适用于高炉、热风炉、加热炉等炉壁的测温，具有数据无线传输、功耗低等特点[2-5]。

1 系统总体设计

炉壁温度的自动采集主要由LoRa采集终端、LoRa无线网关和上位机温度采集和显示软件组成。

LoRa采集终端：根据安装区域，与K型热电偶相连，负责接收K型热电偶测量的温度和发送的温度数据，采集到的数据储存在终端中。可以自行添加终端数量（最多60个）并通过LoRa模块传输数据，等待网关轮询，待收到网关的查询命令后将测温数据打包，无线传输给网关[6]。

LoRa无线网关和上位机温度采集和显示软件：当上位机对网关发出采集命令时，网关对终端发出采集指令，终端将储存的数据通过一定的格式传回给网关，网关将这部分数据通过以太网传到数据库并应用于采集软件和显示软件。显示软件可以实时显示高炉炉壁各监测点的温度数据及趋势图、雷达图等，并且可对历史数据进行查询分析，当温度过高或迅速上升到设定的报警阈值时，立即进行声光报警，以保证高炉正常运行。系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计

2 系统底层硬件设计

2.1 LoRa采集终端

LoRa采集终端作为高炉炉壁测温控制系统的重要组成部分，主要用于检测和控制高炉炉壁的温度，以保证高炉正常工作。数据采集终端主要由STM32L011K4T6单片机控制模块、温度与数据采集模块、LoRa无线数据传输模块、电源模块组成。终端实物如图2所示，其中单片机模块采用STM32L011K4T6芯片；将K型热电偶采集器件作为主要测温采集元器件，与MAX6675芯片结合，作为温度与数据采集模块[7]；LoRa模块主要由基于E22-400T22S的无线扩频芯片构成；LoRa电源模块主要采用工业锂电池进行直流供电，功耗低，成本低，节约能源。

图2 LoRa采集终端实物

2.2 LoRa无线网关

LoRa无线网关作为高炉炉壁测温系统的重要组成部分，主要负责管理该网关构成的无线网络区域终端，通过测温计算机终端向传感器发送测温数据，并进行采集、处理、分析、储存，之后通过以太网接口发送给网关。网关主要由电源模块、单片机模块、LoRa模块、RS 485模块构成。网关实物如图3所示，底层硬件设计结构如图4所示。

图3 LoRa无线网关实物

图4 底层硬件设计

2.3 STM32控制模块

本系统的单片机模块均采用ST公司出品的STM32L011x3/4系列超低功耗芯片，该公司核心架构芯片组选用基于ARM®Cortex®-M0+1 MHz内核的进阶型超低频率功耗核心单片机，自带16 KB FLASH， 2 KB SRAM，512 B E2PROM，ADC等，工作电压范围为1.65～3.60 V，工作环境温度范围为-40～125 ℃。STM32L0系列超低功耗芯片与ARM内核连接，使得STM32L0系列芯片适用于电池供电，很大程度上降低了功耗。STM32L0微控制器包含动态电压调节、超低功耗时钟振荡器等。自主式外设有效降低了CPU的唤醒率，减轻了ARM内核的负荷，对降低功耗和减少处理时间具有明显作用。STM32芯片集成化高、体积小、使用方便，该芯片主要应用领域包括警报系统、燃气/水表和工业传感器、有线和无线传感器、远程控制等[8-9]。

3 系统软件设计

3.1 总体软件设计

本系统软件由底层硬件程序、上位机采集软件和显示软件组成，对系统进行软件设计是实现高炉炉壁测温系统的关键[10]。软件总体流程如图5所示。

图5 系统总体软件设计流程

3.2 LoRa采集终端软件设计

无线测温终端的软件实现主要包括MAX6675数据采集软件实现、无线通信、485通信及定时中断的软件实现，用以检测高炉炉壁的温度以及数据的无线传输。

LoRa终端上电后对硬件进行初始化，之后温感元件开始检测温度并将温度信号转变为与之对应的毫伏信号，最终通过LoRa网关传输。采集好的温度数据放入缓冲区，等待上位机查询。当上位机发出采集命令后，终端休眠，停止采集数据，仅传输数据。网关轮询终端，询问结束后终端休眠，等待下一次采集。

3.3 LoRa无线网关软件设计

无线网关负责接收终端发送的数据，并把接收到的数据通过以太网发送给上位机，无线数据采集网关的软件设计过程包括初始化、判断信息接收情况并做出响应、轮询查询数据并发送数据给上位机等。

4 系统运行结果

本系统对温度数据的显示和分析效果良好，可以用不同的图反应高炉炉壁各部分的温度情况，具体如图6、图7所示。

图6 温度数据柱状图

图7 温度数据折线图

历史查询界面如图8所示。当终端或网关出现问题时可以及时发现隐患，预防事故发生，避免造成重大损失。

图8 历史查询界面

5 结 语

本文以LoRa无线传输技术在高炉炉壁测温系统中的应用为背景，对高炉环境复杂等问题进行研究，对该系统的各部分模块进行阐述，包括硬件部分（LoRa模块、单片机模块、RS 485模块等）、软件部分（无线数据采集终端软件设计、无线数据采集网关软件设计、采集与显示软件设计），同时还设计了适应现场复杂环境的无线网络通信频段、Modbus网络通信协议等。最后对系统性能进行了可靠性测试，测试结果表明，本系统具有良好的性能，与传统测温方式相比更具优势。