基于物联网的高温烧结炉监控系统研究

鞠文清 陆欣云 张凤 童金武 吴彬

摘  要：高温烧结炉被广泛应用于材料、化工、制药等诸多领域，在设置小型烧结炉的温控曲线时，步骤烦琐且无法获知实际的运行曲线。为了确保烧结炉工作过程的安全与可靠，往往在工作现场还需要有人值守。为了降低人力成本，方便设置并监控烧结炉的运行，将物联网技术引入高温烧结炉，实现对多个运行设备的远程监控，用户通过手机就能实现远程操控，便捷可靠，大大提高了工作的效率。

关键词：高温烧结炉;物联网;温控器;MQTT协议

中图分类号：TP317.3        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）03-0169-05

Research on Monitoring System of High Temperature Sintering Furnace Based on IoT

JU Wenqing1， LU Xinyun1， ZHANG Feng2， TONG Jinwu1， WU Bin1

（1.Industrial Center， Nanjing Institute of Technology， Nanjing  211167， China; 2.School of Mechanical Engineering， Jinken College of Technology， Nanjing  211156， China）

Abstract： High temperature sintering furnace is widely used in materials， chemical industry， pharmacy and many other fields. When setting the temperature control curve of small sintering furnace， the steps are cumbersome and the actual operation curve can not be obtained. In order to ensure the safety and reliability of the working process of sintering furnace， it is often necessary to have someone on duty at the work site. In order to reduce the labor cost and facilitate the setting and monitoring of the operation of the sintering furnace， the Internet of Things technology is introduced into the high-temperature sintering furnace to realize the remote monitoring of multiple operating equipment. Users can realize remote control through mobile phones， which is convenient and reliable， and greatly improves the efficiency of work.

Keywords： high temperature sintering furnace; IoT; thermostat; MQTT protocol

0  引  言

在新材料、化工、制藥等诸多领域经常会用到高温烧结炉。通常小型高温烧结炉是通过温控器面板上的4个小型轻触按键来进行温度曲线的设定，通过两组3位的数码管显示当前值与设定值。这对于设定较为复杂的温控曲线就会非常烦琐。用户进行了几十次的按键输入后设定的温度曲线不能直观呈现，对其设定曲线的正确与否很难确定，一旦在错误的设定情况下将实验进行下去，会导致所有的实验数据是无效的。而且在整个设置过程中，一旦某一步操作失误，可能需要完全重新设定，使用过程中非常不方便。在温度曲线设定结束后，执行加热的过程中，实际加热过程的温度变化未能得到方便的记录与存储，用户也搞不清楚实际温度运行曲线与设定温度曲线究竟有怎样的差异，这对于实验研究带来许多问题。

近年来，物联网（IoT）的普及导致了无处不在的应用并与我们的日常生活息息相关。将物联网技术引入高温烧结炉的控制将会解决传统设备使用过程中存在的诸多问题。本文基于Wi-Fi通信模块运用MQTT协议与阿里云服务器建立连接，设计并实现了一种新型的高温烧结炉远程监测系统，能通过手机端或PC机设置温控曲线发送到远端高温烧结炉，并且可以实时监测当前炉温及运行状况，保存历史数据在云端或本地计算机，这对炉子的控制以及加热状况的数据分析都带来了极大的方便。

1  系统总体方案

本系统采用双向可控硅作为功率器件驱动电阻丝加热，测温元件采用热电偶。选用配备有RS232串口的智能温控器作为炉温的控制部件，开发出基于Wi-Fi通信的无线网桥实现温控器与MQTT服务器的数据交互。管理端采用基于Spring Cloud的SaaS型微服务脚手架，开发出监控烧结炉运行的应用软件。整个系统的总体框架方案如图1所示。

2  硬件电路设计

系统中的无线网桥一方面实现通过串口通信的方式来控制温控器的工作，读取当前烧结炉的运行状况以及温控器的工作参数。另一方面，通过Wi-Fi模块或者NB-IoT模块使用MQTT协议与云服务器建立通信，将烧结炉及温控器的各项数据传送至服务器存储、分析、提供给终端用户通过PC机或手机进行分析监测。同样，用户也可以通过手机APP及PC机应用软件对烧结炉进行控制。无线网桥内部模块结构如图2所示。

整个硬件电路部分主要包括微控制器单元、温控器数据转换接口、Wi-Fi通信模块、与PC端通信电路、电源转换电路五个部分构成。

3  无线网桥与温控器连接电路设计

无线网桥的主控芯片采用ST公司型号为STM32F103 C8T6 的MCU，该芯片主频可达72 MHz;内部用于64 KB的Flash ROM以及20 KB的RAM;在2～3.6 V单一电压供电下工作;具备3个USART接口，将USART3接口用作与温控器进行通信，具体电路如图3所示。

系统中需要通过Wi-Fi模块实现温控器与MQTT服务器的双向数据交互，设计中选用安信可公司自主开发的一款高性价比Wi-Fi模组ESP8266，该模块支持标准的IEEE802.11 b/g/n协议，内置完整的TCP/IP协议栈，完全符合设计的需求。ESP8266通过串口与MCU的USART2模块相连，具体连接电路如图4所示。

4  系统软件开发

本系统软件开发包括无线网桥上运行的基于STM32微控制器的程序设计、基于Android Studio的手机端应用软件设计以及Visual Studio的PC端应用软件开发。

4.1  无线网桥程序设计

4.1.1  无线网桥与MQTT服务器之间建立连接

无线网桥是建立温控器与MQTT服务器之间通信的桥梁。它一方面接收MQTT服务器给它的加热炉温控及参数设置指令，并将其转换成温控器能识别的数据流控制温控器的运行。另一方面按照用户需求定时获取当前的炉温等数据并将其传送至服务器。

消息队列遥测传输协议（Message Queuing Telemetry Transport， MQTT）是一种基于消息发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通信协议。无线网桥通过MQTT协议与布置在阿里云端的服务器通信，在此之前ESP8266必须与外网连接的路由器建立TCP连接.对于任何一台设备最初并不知道它所需连接路由器的SSID及密码，因此，设计中可以先开启ESP8266中所具备的SmartConfig智能配网功能，通过手机端开发的应用软件以UDP的方式广播当前所需连接路由器的SSID及密码。待配网的设备扫描所有的可用无线信道，找到发送配网的报文，與路由器建立连接开始接收数据。配网成功之后可以通过AT+CWAUTOCONN=1指令，实现下一次上电自动连接路由器。

为了与路由器可靠通信，ESP8266需要被设置为station、单连接透传模式，并且与远端MQTT服务器建立TCP连接。无线网桥以客户端的角色发送CONNECT控制报文请求连接服务器，请求消息中包含ClientID、心跳包时间、用户名及密码，若连接成功服务器会返回一个CONNACK报文至客户端。

4.1.2  无线网桥与控制终端的主题订阅机制

在系统中无线网桥与控制终端（包括手机端或PC机）都是客户端的角色，它们之间的数据通信采用消息发布/订阅模式，用户控制端发布的主题格式是/Server/Device ID，其中Server表示控制端发布的这个消息是要通过MQTT服务器转发出去，DeviceID是需要访问设备的ID号，每台设备在出厂时被分配唯一的ID号并订阅属于本机ID号的消息，接受MQTT服务器对它的控制。

无线网桥端发布的主题格式是/Device Type/Device ID，其中Device Type表示网桥所连接设备的类型，Device ID是设备的ID号，网桥把设备的参数及状态信息通过该主题发送至MQTT服务器，服务器自动将信息转发给订阅了该主题的相关控制终端。

通过MQTT协议的机制，控制终端订阅多个设备所发布的主题可以实现对多台设备的同时监控。同样，一个加热炉设备的主题被多个控制终端访问也可以实现多点控制同一台设备。真正实现物联网系统中的多对多的控制模式。

4.1.3  无线网桥与控制终端的数据交互

网桥与控制终端建立好网络连接后，二者随后的数据交互可以划分为若干个阶段，采用有限状态机的方法确保两端工作的时序高效运行。起始状态网桥会主动访问温控器获取当前炉温作为设置加热曲线的起始温度，并将该数据通过MQTT服务器转接给控制终端，控制终端设置好目标加热曲线后及采样时间间隔等参数后发送给无线网关，启动加热炉的运行，整个控制过程的时序如图5所示。

设计中选用的AI-516PD2K5S温控器使用异步串行通信接口，读参数指令和写参数指令都是8个字节，无线网桥对其进行控制时，无论是读操作还是写操作都会有一个10字节的返回值。例如，当要设置温控器的给定值SV时，可以通过向控制接口发送以下格式的8个字节数据即可：地址代号+43H+要写的参数代号+写入数低字节+写入数高字节+校验码。

当发送了0x86，0x86，0x43，0x00，0xE8，0x03，0x31，0x04的数据流就表示设定温控器的给定值SV=100 ℃，随后无线网桥会接收到0xDB 0x00 0x08 0x02 00 60 08 02 F1 64的比特流，表示当前温控器测量出来的温度是21.9 ℃。

无线网桥与MQTT服务器之间的数据交互采用数据格式（JavaScript Object Notation， JSON）。JSON是一种轻量级的数据交换格式，它采用完全独立于语言的文本格式，这些特性使JSON成为理想的数据交换语言，易于人阅读和编写，同时也易于机器解析和生成。在设备获取到烧结炉的初始温度之后，会自动发送一条JSON数据流到服务器，数据流的格式为：

{“DeviceType”：“a”，“DeviceID”：“123456”，“DataType”：“B”，“Data”：32.1，“Count”：0}

上述字符串中：

DeviceType：a表示是高温烧结炉。

DeviceID：123456表示该设备的唯一的ID号。

DataType：B表示这是炉子与云端链接上之后初始握手数据包。

Data：初始的握手数据包的数据载荷将会是炉子的初始温度值。

Count：数据包计数器的值为0表示这是初始的握手数据包。

监控终端设置温控曲线的JSON数据流根据加热工作的模式分成两类：一类是恒温模式，适用于要求炉子直接加热对象到某一固定温度的场合。其数据流格式进行以下设置：{“DirectMode”：[{“temp”：600，“time”：0}]，”interval”：6，“taskId”：100086}

上述字符串中的第一个字符串表示命令要求是恒温加热模式，后面表示目标温度是600 ℃，采样周期是6 s。

如果是需要设置温控曲线进行加热，加热模式需要设置为斜率模式，即”SlopeMode”，生成的数据流格式是：

{“SlopeMode”：[{“temp”：20， “time”：15}，{“temp”：260，“time”：10}，

{“temp”：260，“time”：20}，{“temp”：200，“time”：0}]，“interval”：6，“taskId”：100087}

该数据流表示对温控器進行如图7所示的温控曲线的设置。

4.2  手机端应用软件程序设计

在Android Studio集成开发环境中开发了系统中的手机端应用软件。高温烧结炉监控软件首先需要建立与路由器的连接，获取连接Wi-Fi的名称，然后需要在AndroidMainfest.xml文件中添加权限。

<uses-permission android：name=

“android.permission.ACCESS_NETWORK_STATE” />

<uses-permission android：name=

“android.permission.ACCESS_WIFI_STATE” />

应用软件端与MQTT服务器建立连接后，在将接收到的JSON数据包信息图形展示之前需要先对其进行解析。设计中采用是Google出品的JSON解析函数库GSON，可以将JSON字符串反序列化为对应的Java对象，或者反过来将Java对象序列化为对应的字符串，免去了开发者手动通过JSONObject和JSONArray将JSON字段逐个进行解析的烦恼，也减少了出错的可能性，增强了代码的质量。使用GSON解析时候，对应的Java实体类无需要使用注解进行标记，支持任意复杂Java对象，包括没有源代码的对象。

在对温控曲线进行设置时根据两种加热模式设计成如图6所示的界面，界面中是采用斜率模式进行温控曲线设置，生成的温控曲线如图7所示，通过按下开始运行按钮，手机端将会发出“SlopeMode”模式下的JSON数据流控制烧结炉启动运行。

5  系统的测试

在实验室中对高温烧结炉的监控系统进行测试，在第一次的上电使用中，由于无线网关不知道连接外网的路由器的SSID和密码，无线网桥上的蜂鸣器会鸣叫以提示用户设备没有连上网络，此时可以通过手机端应用软件上智能配网按钮对其进行配网。设备连接成功后，通过手机设置成恒温模式，目标温度300 ℃，启动加热后得到的目标温度与实际温度的实时监控图如图8所示;从监控曲线可以发现炉子从室温27 ℃加热到300 ℃大约花费了750 s左右的时间，温度上升的趋势并不是一个斜率固定的直线。当炉温升高到300 ℃，由于温控器经过合适的自整定，有了比较匹配的PID参数，炉温只有很小的超调量，并且能一直维系在300 ℃左右在微小的变化。

6  结  论

通过设计高温烧结炉物联网监控系统，实现了在阿里云物联网平台对烧结炉设备的运行监控。通过测试结果表明该系统既可以实现在手机端或PC端对加热炉设置温控曲线，也可以在无人值守的情况下实时监测炉子的运行数据，并且方便对炉子的实际工作数据进行存储分析。工程中可以将这项技术应用到实验室不同设备，从而实现智慧实验室。

参考文献：

[1]  ALAHI M E E E，PEREIRA-ISHAK N，MUKHOPADHYAY S C，et al. An Internet-of-Things Enabled Smart SensingSystem for Nitrate Monitoring [J].IEEE Internet of Things Journal，2018，5（6）：4409-4417.

[2] 周春月，闫子淇.基于物联网技术的智慧实验室架构研究 [J].实验室研究与探索，2014，33（5）：239-243.

[3] 张金菊.基于物联网技术的智慧实验室架构设计与研究 [J].科技展望，2017（12）：12.

[4] 李延香，赵蔷，袁辉.基于Wi-Fi物联网技术的智慧实验室架构研究 [J].信息技术，2018，42（8）：34-38.

[5] 彭刚，秦志强.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践 [M].北京：电子工业出版社，2011.

[6] 张胜宇.HTML5跨平台移动开发实训教程 [M].北京：清华大学出版社，2019.

[7] HUANG Y H，LI G Y. Descriptive models for Internet of Things [C]//2010 International Conference on Intelligent Control and Information Processing.Dalian：IEEE，2010：483-486.

作者简介：鞠文清（2000.02—），女，汉族，河南信阳人，本科在读，研究方向：计算机测控系统。