CN112180784A - 基于nb-iot的机床生产异常报警远程监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于NB‑IOT的机床生产异常报警远程监测系统，包括感知层、平台层、服务器层和应用层。所述感知层包含传感器设备及传输设备，传感器设备由温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器和烟雾传感器组成机床环境数据源；传输设备由NB‑IOT模组、MCU主控芯片组成设备自动入网上传数据模块；所述平台层为物联网平台；所述服务器层包括数据库系统和远程监测系统后端；所述应用层为远程监测系统终端。本发明将感知层和服务器层有效的结合，为传统远程监测无线网络通信方式带来的距离短、功耗高及信号不稳定等缺陷提供了解决办法，降低了传统感知层与服务器层连接的开发难度，提高了系统的实时监测的时效性以及安全可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及工业生产车间生产设备状态报警技术领域，具体涉及一种基于NB-IOT的机床生产异常报警远程监测系统及其实现方法。
背景技术
物联网技术的兴起，给各行各业都带来了巨大的冲击，此时加速智能化至关重要，因此远程互联将成为未来工业发展的必然趋势。目前大部分远程监测系统只能对生产设备外部环境进行简单监测，由于机床工作环境的特殊性，不仅要对环境温湿度、烟雾指标进行实时检测，在运动过程中对于机械轴的运动状态以及电机运行状态都需要进行严密的监测。加上生产设备对于实时性的要求高以及对监管投入成本等其它综合因素的考虑，造成生产设备远程监测系统发展缓慢。而且传统的声光警报和监测室报警监测还存在一些问题。
传统声光报警：人员必须在监测现场，由于声光辐射范围和人员活动范围有限，人员维护的设备受到局限。
监测室报警监测：设备异常报警虽然联网，但限于企业内部的局域网内，覆盖范围取决于企业自身的网络建设能力，投入成本高，而且即使发现设备警报，监测人员往往也没有能力分析异常原因，要联系设备厂家排查问题，耽搁设备生产。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于NB-IOT的机床生产异常报警远程监测系统及其实现方法。
本发明的技术方案能提高机床生产的安全性和可靠性，同时为车间无人化安全防护提供一个新的解决思路。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于NB-IOT的机床生产异常报警远程监测系统，包括感知层、平台层、服务器层、应用层；
其中所述感知层包含传感器设备以及传输设备；所述传感器设备由温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器和烟雾传感器组成机床环境数据源；所述传输设备由NB-IOT模组、MCU主控芯片组成设备自动入网上传数据模块；
所述平台层为物联网平台，作为数据转存中心，用于连接所述感知层和服务器层，负责统一管理感知层设备以及为服务器层的开发提供有效的接口和数据来源；
所述服务器层包括数据库系统、监控系统后端以及监控系统前端，用于连接物联网平台和提供远程监测系统前端交互服务。
所述应用层为监控系统终端，主要有登录用户权限管理、数据图表化显示、设备实时监测的功能，并兼容移动终端以及PC端对远程监测系统的访问。
感知层中所述的温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器、烟雾传感器以及NB-IOT模组均使用导线与MCU主控芯片连接；所述的温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器、烟雾传感器将采集的数据通过串口通信的方式发送MCU主控芯片，MCU主控芯片处理数据后将数据采用串口通信的方式发送NB-IOT模组；NB-IOT模组采用窄带无线通信的方式将数据发送到物联网平台。
平台层中所述的物联网平台接收到来自NB-IOT模组的数据后，利用无线通信的方式发送到服务器层中所述的监控系统后端；监控系统后端解析、分析数据，采用无线通信的方式将生成的结果发送到数据库系统；数据库系统存储来自监控系统后端的数据；监控系统前端使用有线连接的方式与数据库系统及监控系统后端连接，对数据库系统及监控系统后端中的数据可视化；应用层中所述的移动终端与PC端使用无线通信的方式与服务器层中所述的监控系统前端相连，通过公网IP对监控系统前端进行访问。
感知层传感器设备中所述的温湿度传感设备判断所述机床电机运行时温度值是否在预设范围之内，以及机床湿度环境是否在工作适宜条件范围内，选用的温湿度传感器的型号为MLX90632；限位传感设备判断所述机床在工作时X、Y、Z三轴运动过程中是否工作在正常位移区间内，限位传感器选用MK14限位传感器；噪声传感设备判断机床工作时电机产生的分贝是否在正常范围之内，噪声传感器使用TS200噪声传感器；烟雾传感设备检测所述机床环境，感知是否出现火情；烟雾传感器使用SS668烟雾传感器。
感知层传输设备中所述的MCU主控芯片的信号为STM32F4类芯片；NB-IOT模组的型号为M5210。
一种基于NB-IOT的机床生产异常报警远程监测系统实现方法，具体步骤如下：
1)在物联网平台创建产品、添加设备并对NB-IOT模组进行初始化；由MCU主控芯片控制NB-IOT模组入网后MCU主控芯片开始接收温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器和烟雾传感器采集的数据并处理后发送NB-IOT模组；NB-IOT模组接收到MCU主控芯片发来的数据后将数据发送物联网平台；
2)物联网平台接受到数据后开启数据推送服务，将数据推送至服务器层。监控系统后端接收数据并解析数据，产生异常信息数据，将产生的数据存储到数据库系统；监控系统前端获取数据库系统中的数据及监控系统后端产生的报警信息可视化；
3)用户在移动终端或者PC端上，访问监控系统前端，并完成身份认证，对机床状态信息进行实时远程监测。
步骤1)包括传输设备中NB-IOT模组的初始化、NB-IOT模组的入网流程以及传感器设备采集数据上传物联网平台流程。
步骤1)所述NB-IOT模组的初始化流程为：首先NB-IOT模组上电初始化，使用AT指令完成网络搜索、驻网、附着等流程，并获取设备鉴权信息IMEI、IMSI等信息。在物联网平台上进行账号注册、创建产品、添加设备，创建产品时选择设备接入协议为LWM2M协议，添加设备时关联传输设备中NB-IOT模组的设备国际识别码和用户识别码；
步骤1)所述NB-IOT模组入网流程为：将NB-IOT模组入网指令发送流程烧录至MCU主控芯片中，设备一旦接入电源，MCU主控芯片将AT指令发送给NB-IOT模组，NB-IOT模组创建设备实体、订阅资源、发起登录请求，实现传输设备自动入网操作；
步骤1)所述传感器设备采集数据上传物联网平台流程：MCU主控芯片通过串口接收温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器和烟雾传感器采集的数据并对数据进行处理；将处理后的数据传送给NB-IOT模组，通过NB-IOT模组的无线通信功能实现数据上传至物联网平台。
步骤2)中包括物联网平台数据推送和服务器端数据获取解析。
步骤2)所述物联网平台数据推送的流程为：当物联网平台接收到来自NB-IOT模组的数据后，利用物联网平台提供的HTTP数据推送功能，在推送功能中关联服务器层的URL地址，将收到的数据以HTTP-POST请求的形式向关联的URL地址推送接收到的数据；
步骤2)所述服务器层数据解析的流程为：在服务器层的监控系统后端获取到物联网平台推送的数据后，将对来自物联网平台的数据进行解析以及分析，对相应的数据产生异常信息；将解析后的数据以及产生的异常信息发送至数据库系统；推送数据相关信息以JSON串的形式置于HTTP请求中的body部分；数据库系统在收到请求后将解析body部分中的数据并将解析后的数据存至数据库中。
步骤3)中所述的用户可以是具有高权限的超级用户，也可以是具有低权限的普通用户；
步骤3)中的对监控系统前端的访问通过调用移动终端或者PC的浏览器对监控系统前端发起访问请求完成。
步骤3)中所述的机床状态信息可视化通过Highcharts等图表插件绘制统计图，通过饼图、折线图、柱状图等多种形式图表化数据显示在网页上。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1、本发明直接接入互联网，无论车间监测人员，还是设备生产厂家，都可以通过PC端、移动终端或其它联网终端，第一时间获知并处理设备异常报警；
2、本发明中利用限位传感器可以有效保证机床在生产过程中，监测X、Y、Z三轴在生产过程中运行状态，有效的保证了机床运行的安全可靠性。
3、本发明所使用的通信方式具有信号稳定，抗干扰能力强，满足工业强电磁干扰环境下稳定通信需求，而且成本度，可极大程度降低成本；
4、本发明中将设备采集的报警数据内容组成为异常代码、设备标识及若干附加信息，数据结构简单，数据量不大，适合NB-IOT传输方式；
5、本发明将机床生产数据，先以物联网平台作为数据转存中心，然后在将数据传送至服务器MySQL数据库系统中，双重保障，保证了数据的安全可靠，防止数据丢失，造成无法对警报信息进行追溯；
6、本发明中将物联网平台作为数据交互中心，间接将感知层与服务器层连接起来，而且物联网提供了大连API接口，降低了感知层与服务器层直接交互的开发难度，可以使用多种领域。
附图说明
图1为本发明的系统构成层次示意图。
图2本发明的系统实现方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步详细说明。
如图1所示，为本发明的一种基于NB-IOT的机床生产异常报警远程监测系统的构成示意图，包括感知层、平台层、服务器层、应用层；其中，
感知层包括温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器和烟雾传感器、MCU主控芯片和NB-IOT模组；MCU主控芯片主要用于控制各传感器设备以及NB-IOT模组，使得各个模块协调工作；所述温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器、烟雾传感器和NB-IOT模组分别通过导线与MCU主控芯片连接；所述温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器、烟雾传感器与MCU主控芯片之间的通信使用串口通信的方式完成；温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器、烟雾传感器将数据发送给MCU主控芯片；MCI主控芯片对数据进行格式转换，然后再利用导线将数据传给NB-IOT模组；NB-IOT模组使用自带的窄带通信的方式将收到的数据发送至物联网平台；优选技术方案是，所述MCU主控芯片采用STM32F4类单片机；温湿度传感器用于采集现场电机温湿度数据；噪声传感器主要监测电机运行时产生的噪声指标；限位传感器采集机床在运动状态是否超出运动范围；所述烟雾传感器采集机床外部环境烟雾指数；NB-IOT模组用于将传感器采集的数据传送至物联网平台层去；优选技术方案是，所述NB-IOT模组选用中国移动物联网设备M-5310系列模组；
图1所示平台层即物联网平台层，作为数据转存中心，接收NB-IOT模组经过无线传输的数据，然后利用HTTP数据推送功能再将数据推送至服务器平台，负责统一管理感知层设备以及为服务器层的开发提供有效的接口和数据来源，优选技术方案是，当选用中国移动物联网设备时，可直接使用中国移动提供的OneNet平台。
如图1所示的服务器层，包含了数据库系统、远程监测系统后端和远程监测系统前端，接收物联网平台推送的数据并且为应用层操作提供后台服务。图1中所示的数据库系统用于将产生的数据存储，方面历史回查，提高数据的利用率，优选技术方案是，选用MySQL数据库系统；图1中所示的远程监测系统后端，为远程监测系统前端可视化提供数据交互服务。
如图1所示的应用层，主要有登录用户权限管理、数据图表化显示、设备实时监测的功能，并兼容移动终端以及PC端对远程监测系统的访问，为用户提供良好的交互界面。
如图2所示，为本发明的一种基于NB-IOT的机床生产异常报警远程监测系统的实现方法流程图，具体步骤如下：
1)对NB-IOT模组初始化之后，在物联网平台创建产品、添加设备。温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器和烟雾传感器采集数据之后，由MCU主控芯片控制NB-IOT模组实现自动入网操作，并连接物联网平台上传数据；
2)物联网平台开启数据推送服务，成功获取本地数据之后，将数据推送至服务器层。当数据传至服务器层，服务器层解析上传数据包，存储至数据库系统中；
3)将机床报警实时远程监测系统部署在服务器层上，在移动终端或者PC端上通过用户权限管理对机床状态信息进行实时远程监测。
其中，步骤1)设备初始化中包括传输设备中NB-IOT模组的初始化和接入平台流程、传输设备入网流程以及传感器设备采集数据上传物联网平台流程。
步骤1)所述NB-IOT模组初始化流程为：首先模组上电初始化，使用AT指令完成网络搜索、驻网、附着等流程，并获取设备鉴权信息IMEI、IMSI等信息。在物联网平台上进行账号注册、创建产品、添加设备，创建产品时选择设备接入协议为LWM2M协议，添加设备时关联传输设备中NB-IOT模组的设备国际识别码和用户识别码，完成物联网平台与传输设备的接入；
步骤1)所述传输设备通电自动入网流程为：将NB-IOT模组入网指令发送流程烧录至MCU主控芯片中，设备一旦接入电源，MCU主控芯片将AT指令发送给NB-IOT模组，NB-IOT模组进行创建设备实体、订阅资源、发起登录请求，实现传输设备自动入网操作；
步骤1)所述传感器设备采集数据上传物联网平台流程：MCU主控芯片处理温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器和烟雾传感器采集的数据，将数据传送给NB-IOT模组，通过NB-IOT模组实现数据上传至物联网平台。
步骤2)物联网平台与服务器接入中包括物联网平台数据推送和服务器端数据获取解析。
步骤2)所述物联网平台数据推送，利用物联网平台提供的HTTP数据推送功能，在推送功能中关联服务器层的URL地址，当物联网平台获取数据之后，会以HTTP POST请求形式向关联的URL地址推送数据；
步骤2)所述服务器层数据解析，利用物联网平台提供的API接口，在服务器层开启后台服务，时刻获取物联网平台推送的数据，推送数据相关信息以JSON串的形式置于HTTP请求中的body部分，由服务器层解析body部分中的数据存至数据库中。
步骤3)数据访问中所述的远程监测系统终端可以是移动终端也可以是PC端；终端用户可以是具有高权限的超级用户，也可以是具有低权限的普通用户；针对不同用户具有不同权限，在远程监测系统中设计不同权限，防止生产事故，并且将用户操作记录下来，方面日后回查，便于事故追责等；所述机床状态信息通过Highcharts等图表插件绘制统计图，通过饼图、折线图、柱状图等多种形式图表化数据显示在网页上；对于机床日常产生的环境数据，将会保存在服务器数据库系统中去，方便日后对机床异常排查重点提供依据，实现数据最大利用化。
以上为本发明的具体说明，仅为本发明的最佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神及原则之内的修改、等同替换和改进等，应均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于NB-IOT的机床生产异常报警远程监测系统，其特征在于：包括感知层、平台层、服务器层和应用层；其中，
所述感知层包含传感器设备以及传输设备；所述传感器设备由温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器和烟雾传感器组成机床环境数据源；所述传输设备由NB-IOT模组和MCU主控芯片组成设备自动入网上传数据模块；
所述平台层为物联网平台，作为数据转存中心，用于连接感知层和服务器层，负责统一管理感知层设备以及为服务器层的开发提供有效的接口和数据来源；
所述服务器层包括数据库系统、监控系统后端以及监控系统前端，用于连接物联网平台和提供远程监测系统前端交互服务；
所述应用层为监控系统终端，主要有登录用户权限管理、数据图表化显示、设备实时监测，并兼容移动终端以及PC端对远程监测系统的访问；
所述的温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器、烟雾传感器和NB-IOT模组采用导线分别与MCU主控芯片连接；所述的温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器、烟雾传感器将采集的数据通过串口通信的方式发送MCU主控芯片，MCU主控芯片处理数据后将数据采用串口通信的方式发送NB-IOT模组；NB-IOT模组采用窄带无线通信的方式将数据发送到平台层，即物联网平台；
所述的物联网平台接收到来自NB-IOT模组的数据后，利用无线通信的方式发送到服务器层所述的监控系统后端；监控系统后端解析、分析数据，采用无线通信的方式将生成的结果发送到数据库系统；数据库系统存储来自监控系统后端的数据；监控系统前端采用有线连接的方式与数据库系统及监控系统后端连接，对数据库系统及监控系统后端中的数据可视化；所述的移动终端与PC端采用无线通信的方式与服务器层中所述的监控系统前端相连，通过公网IP对监控系统前端进行访问。
2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的机床生产异常报警远程监测系统，其特征在于：所述温湿度传感器选用型号为MLX90632湿度传感器；所述限位传感器选用MK14限位传感器；所述噪声传感器选用TS200噪声传感器；所述烟雾传感器选用SS668烟雾传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的机床生产异常报警远程监测系统，其特征在于：所述MCU主控芯片为STM32F4类芯片。
4.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的机床生产异常报警远程监测系统，其特征在于：所述NB-IOT模组为M5210通讯模块。
5.一种基于NB-IOT的机床生产异常报警远程监测系统的实现方法，其特征在于：具体步骤如下：
1)在物联网平台创建产品、添加设备并对NB-IOT模组进行初始化；由MCU主控芯片控制NB-IOT模组入网后MCU主控芯片开始接收温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器和烟雾传感器采集的数据并处理后发送NB-IOT模组，NB-IOT模组接收到MCU主控芯片发来的数据后将数据发送物联网平台；
2)物联网平台接受到数据后开启数据推送服务，将数据推送至服务器层；监控系统后端接收数据并解析数据，产生异常信息数据，将产生的数据存储到数据库系统；监控系统前端获取数据库系统中的数据及监控系统后端产生的报警信息可视化；
3)用户在移动终端或者PC端上，访问监控系统前端，并完成身份认证，对机床状态信息进行实时远程监测。
6.根据权利要求5所述的的实现方法，其特征在于：步骤1)还包括传输设备中NB-IOT模组的初始化、NB-IOT模组的入网流程以及传感器设备采集数据上传物联网平台流程；其中，
所述NB-IOT模组的初始化流程为：首先NB-IOT模组上电初始化，使用AT指令完成网络搜索、驻网、附着流程，并获取设备鉴权信息IMEI、IMSI信息；在物联网平台上进行账号注册、创建产品、添加设备，创建产品时选择设备接入协议为LWM2M协议，添加设备时关联传输设备中NB-IOT模组的设备国际识别码和用户识别码；
所述NB-IOT模组入网流程为：将NB-IOT模组入网指令发送流程烧录至MCU主控芯片中，设备一旦接入电源，MCU主控芯片将AT指令发送给NB-IOT模组，NB-IOT模组创建设备实体、订阅资源、发起登录请求，实现传输设备自动入网操作；
所述传感器设备采集数据上传物联网平台流程：MCU主控芯片通过串口接收温湿度传感器、限位传感器、噪声传感器和烟雾传感器采集的数据并对数据进行处理；将处理后的数据传送给NB-IOT模组，通过NB-IOT模组的无线通信功能实现数据上传至物联网平台。
7.根据权利要求5所述的的实现方法，其特征在于：步骤2)中还包括物联网平台数据推送和服务器端数据获取解析；其中，
所述物联网平台数据推送的流程为：当物联网平台接收到来自NB-IOT模组的数据后，利用物联网平台提供的HTTP数据推送功能，在推送功能中关联服务器层的URL地址，将收到的数据以HTTP-POST请求的形式向关联的URL地址推送接收到的数据；
所述服务器层数据解析的流程为：在服务器层的监控系统后端获取到物联网平台推送的数据后，将对来自物联网平台的数据进行解析以及分析，对相应的数据产生异常信息；将解析后的数据以及产生的异常信息发送至数据库系统；推送数据相关信息以JSON串的形式置于HTTP请求中的body部分；数据库系统在收到请求后将解析body部分中的数据并将解析后的数据存至数据库中。
8.根据权利要求5所述的的实现方法，其特征在于：步骤3)中所述的用户为具有高权限的超级用户或具有低权限的普通用户。
9.根据权利要求5所述的的实现方法，其特征在于：步骤3)中所述的访问监控系统前端是通过调用移动终端或者PC的浏览器对监控系统前端发起访问请求完成。
10.根据权利要求5所述的的实现方法，其特征在于：步骤3)中所述的机床状态信息的可视化是通过Highcharts图表插件绘制统计图，通过饼图、折线图和柱状图的图表化数据显示在网页上。
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