CN217213469U - 一种基于mqtt协议的数控机床网络监测及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统，包括前端系统和后端系统，前端系统包括N个数控机床监控子系统、上位机和wifi模块；每个数控机床监控子系统均包括数控机床、下位机和作为LoRa网络节点的LoRa模块，下位机与数控机床的PLC控制系统通过can总线连接，数控机床上设置有与下位机连接的温度传感器以及振动传感器；上位机连接一个作为集中器的LoRa模块，各数控机床监控子系统中的作为LoRa网络节点的LoRa模块与该作为集中器的LoRa模块组成星型LoRa网络；上位机通过wifi模块与后端系统实现网络连接。本实用新型可以实现同时对多个数控机床的实时监测和控制。
Description
技术领域
本实用新型属于数控机床监控系统技术领域，具体涉及一种基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统。
背景技术
随着Web技术的不断成熟，国内出现了一系列基于嵌入式系统的远程视频监控系统，但其缺陷为只能单一查看设备状态，不能对其进行操作调度。2013年出现了苏宪利等利用Modbus协议和HostLink协议开发的数控机床状态监测系统，其缺陷为只能针对单台设备操作，在2019年栗智航等提出基于FOCAS协议和指令域的数控机床在线监控系统，但仍无法实现多设备、多参数、多系统的远程在线实时控制数控机床。
综上所述，针对传统的数控机床监控方案中监控单一、维护成本高、开发架构老旧、无法完整记录数控机床受损记录，数控机床拥有多个参数，有大量数据传输，需要低带宽且满足传输条件的通讯方式，而MQTT的每个消息头都可以缩短为2个字节，可在不丢失信息基础上最大程度减少流量开销。故有必要提出一种新型架构且能满足生产线对多台设备、多源参数要求的数控机床网络监控系统。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统，包括前端系统和后端系统，所述前端系统包括N个数控机床监控子系统、上位机和wifi模块；
每个数控机床监控子系统均包括一个数控机床、一个下位机和一个作为LoRa网络节点的LoRa模块，下位机与数控机床的PLC控制系统通过CAN总线连接，数控机床上设置有用于检测数控机床温度的温度传感器以及用于检测数控机床振动信号的振动传感器，温度传感器和振动传感器与下位机连接，所述作为LoRa网络节点的LoRa模块与下位机连接；
所述上位机连接一个作为集中器的LoRa模块，各数控机床监控子系统中的作为LoRa网络节点的LoRa模块与该作为集中器的LoRa模块组成星型LoRa网络；
所述上位机连接wifi模块，上位机通过wifi模块与后端系统实现网络连接。
在上述技术方案中，所述后端系统，包括MQTT服务器和客户端，MQTT服务器和前端系统的上位机之间通过MQTT协议进行数据传输。
在上述技术方案中，所述下位机采用STC12单片机。
在上述技术方案中，所述作为LoRa网络节点的LoRa模块采用SX1278 LoRa芯片，其与下位机通过SPI接线方式连接。
在上述技术方案中，所述温度传感器采用DS18B20温度传感器。
在上述技术方案中，所述振动传感器采用SVM30系列智能化振动倾角传感器，其采用RS485接线方式或者CAN接线方式与下位机连接。
在上述技术方案中，所述上位机采用STM32单片机。
在上述技术方案中，所述与上位机相连的作为集中器的LoRa模块采用SX1278LoRa芯片，其与上位机通过SPI接线方式连接。
在上述技术方案中，所述wifi模块采用ESP8266模块，其与上位机通过串口连接。
本实用新型的优点和有益效果为：
本实用新型的基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统可以远程采集多个数控机床的多源传感器信号，实现同时对多个数控机床的实时监测和控制。同时，本系统采用LoRa模块进行自组网，上位机能够实现对3km范围内数控机床的无线监测。
附图说明
图1是本实用新型的基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统的结构示意图。
图2是本实用新型中的SX1278 LoRa芯片的电路连接图。
图3是本实用新型中的DS18B20温度传感器的电路连接图。
图4是本实用新型中的ESP8266模块电路连接图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。
参见附图1，一种基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统，包括前端系统和后端系统。
所述前端系统，包括N个数控机床监控子系统、上位机和wifi模块，各个数控机床监控子系统通过LoRa网络与上位机进行通讯连接，即每个数控机床监控子系统分别具有一个作为LoRa网络节点的LoRa模块，上位机连接一个作为集中器的LoRa模块，各个作为LoRa网络节点的LoRa模块与作为集中器的LoRa模块组成星型LoRa网络；所述上位机连接wifi模块，通过wifi模块与后端系统实现联网。
所述后端系统，包括MQTT服务器和客户端，MQTT服务器和前端系统的上位机之间通过MQTT协议进行数据传输。MQTT协议是用于轻量级的发布/订阅式消息传输，为低带宽和不稳定的网络环境中的物联网设备提供网络服务，作为低带宽即时通讯协议，故可以为每台数控机床的各个参数信息与客户端进行数据交换，来满足客户端对多设备、多参数的即时双向监控。
具体的讲：所述每个数控机床监控子系统均包括一个数控机床、一个下位机和一个作为LoRa网络节点的LoRa模块，所述下位机与该数控机床的PLC控制系统通过CAN总线连接，从而能够从数控机床PLC中通过CAN总线得到数控机床的进给轴实时坐标及数控机床的运行状态；该数控机床上设置有用于检测数控机床温度的温度传感器以及用于检测数控机床振动信号的振动传感器，温度传感器和振动传感器与下位机连接，通过下位机接收温度传感器和振动传感器的检测数据；所述LoRa模块与下位机连接，该LoRa模块作为数控机床监控子系统的LoRa网络节点，用于LoRa网络组网。
本实施例中，所述下位机采用STC12单片机，所述作为LoRa网络节点的LoRa模块采用SX1278 LoRa芯片，其与下位机STC12单片机通过SPI接线方式连接，SX1278LoRa芯片的具体电路图参见附图2，SX1278 LoRa芯片的12引脚、13引脚、14引脚、15引脚作为SPI接线与STC12单片机的IO引脚连接。
本实施例中，所述温度传感器采用DS18B20温度传感器，DS18B20温度传感器与STC12单片机的PC8引脚连接(参见附图3)；所述振动传感器采用SVM30系列智能化振动倾角传感器，其采用低噪声、低漂移、低功耗的三轴MEMS加速度传感器，可实现高频低噪声性能，提供高分辨率振动测量，可在状态监控应用中尽早检测出机器故障。该产品不仅性能出色，功耗也极低。此外这款传感器还可在高冲击和高振动的环境下提供精确可靠的倾斜测量，不会造成传感器饱和，该振动传感器采用四根连接线，可以采用RS485接线方式或者CAN接线方式与下位机STC12单片机连接。
本实施例中，所述上位机采用STM32单片机，所述与上位机相连的作为集中器的LoRa模块采用SX1278 LoRa芯片，其与上位机STM32单片机通过SPI接线方式连接。所述wifi模块采用ESP8266模块，其与上位机STM32单片机通过串口连接，具体的讲，参见附图4，ESP8266模块采用四根连接线，其中两根分别连接VCC-3.3V和GND，ESP8266模块的TX、RX管脚分别对应连接STM32单片机的PC10、PC9引脚。
本实用新型的基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统的工作原理如下：
监测原理，由各个数控机床监控子系统的下位机采集各自对应的数控机床的运行状态数据和传感器检测数据，下位机通过LoRa网络将这些数据发送给上位机，有上位机进行数据打包，再通过MQTT协议发送给后端系统的MQTT服务器和客户端。
控制原理，首先将用户控制信号通过客户端打包并发布，前端系统的STM32上位机会收到订阅消息，解包后将带有ID的控制参数通过LoRa网络发送给各数控机床监控子系统，当对应ID编号的LoRa网络节点收到数据后，由与该LoRa网络节点相连的上位机通过CAN总线将该控制指令发送给相对应的数控机床进行实时的操作控制。
以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统，其特征在于：包括前端系统和后端系统，所述前端系统包括N个数控机床监控子系统、上位机和wifi模块；
每个数控机床监控子系统均包括一个数控机床、一个下位机和一个作为LoRa网络节点的LoRa模块，下位机与数控机床的PLC控制系统通过can总线连接，数控机床上设置有用于检测数控机床温度的温度传感器以及用于检测数控机床振动信号的振动传感器，温度传感器和振动传感器与下位机连接，所述作为LoRa网络节点的LoRa模块与下位机连接；
所述上位机连接一个作为集中器的LoRa模块，各数控机床监控子系统中的作为LoRa网络节点的LoRa模块与该作为集中器的LoRa模块组成星型LoRa网络；
所述上位机连接wifi模块，上位机通过wifi模块与后端系统实现网络连接。
2.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统，其特征在于：所述后端系统包括MQTT服务器和客户端，MQTT服务器和前端系统的上位机之间通过MQTT协议进行数据传输。
3.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统，其特征在于：所述下位机采用STC12单片机。
4.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统，其特征在于：所述作为LoRa网络节点的LoRa模块采用SX1278 LoRa芯片，其与下位机通过SPI接线方式连接。
5.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统，其特征在于：所述温度传感器采用DS18B20温度传感器。
6.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统，其特征在于：所述振动传感器采用RS485接线方式或者CAN接线方式与下位机连接。
7.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统，其特征在于：所述上位机采用STM32单片机。
8.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统，其特征在于：所述与上位机相连的作为集中器的LoRa模块采用SX1278 LoRa芯片，其与上位机通过SPI接线方式连接。
9.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的数控机床网络监测及控制系统，其特征在于：所述wifi模块采用ESP8266模块，其与上位机通过串口连接。
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