摘 要: 針對現有大功率激光切割機床產品網絡化不足、維護效率低、維護成本高等問題，結（jié）合目前成熟的 GPＲS 移動通信技術，提出了基於雲服務器的高功率切割機床遠程監控（kòng）係統，構造遠程監控平（píng）台（tái），能夠遠程監控多台激光切割機床設備。針（zhēn）對高功率（lǜ）激光切割（gē）機床遠程監控係（xì）統設計了數據采集智能終端，實現了現場（chǎng）數據通過 GPＲS 技術傳（chuán）送到雲端（duān），為高功率激光切割故（gù）障的快速診斷與處理提供了數（shù）據支撐。
 
     關（guān）鍵（jiàn）詞: 激光切割; 遠程監控; 雲服務; GPＲS; STM32
 
     0 引言
 
     目前，隨著激光技術的不斷發展（zhǎn），激光加工技術（shù）也得到了飛速發（fā）展。激光加工已廣泛應用於鈑金切割、雕刻、打孔、焊接、表麵（miàn）處理等領域。激光切割過程是（shì）將激光束聚焦到工件表麵，利用其釋放的（de）能量瞬間使工件融化並蒸發，從而達到切割和雕刻的目的。激光加工具有切割（gē）速度遠（yuǎn）遠高於傳統的切割技術，切割精（jīng）度高，可以實現自動排版
加（jiā）工，且不受切割圖案限製，切口平滑等特點，將在切割市場占（zhàn）有越來越多（duō）的市場份額［1 － 4］。 隨著電（diàn）子、通信以及互聯網（wǎng）技術的迅猛發展，激光加工也朝著大（dà）功率，高速度等方向快速發展，同時，激光切割機床信息化和智能化技（jì）術也得到了越來越多的重視。當前，國內鈑金加工（gōng）車間（jiān）工作環境相對（duì）較差（chà），加工粉塵、輻射、噪聲等都會給現場操作
人員身體造成不同程度的危害（hài），因此，遠程（chéng）實時監控激光切割機床工作狀態和現場環境參數成為激（jī）光加工機床製造業重點研究的熱（rè）點問題之一［5］。
 
     文獻［6］針對 FANUC 等 3 種不同的（de）數控係統，利用一台服務器（qì），基於通用的通信接口，實時采集數控設備的加工狀態和工藝過程參數等信息; 文獻［7］利用網絡，對數控機床加工工藝參數、係統報警信息、PLC 控製信號（hào）、伺服驅動參（cān）數、係（xì）統故障診斷（duàn）、機床維護信（xìn）息（xī）等進行遠程監控和管理（lǐ）; 文獻［8］利用傳統的現場總線技術和無線傳感網絡
實時（shí）采（cǎi）集數據，采用 AＲM Cortex － M3 嵌入（rù）式芯片對數據進行處理，實現了基於 Web 環境的數控（kòng）機床遠程監控係統。伴隨著 GPＲS 技（jì）術的不斷完（wán）善發展，越來越多的應用於機床監控領域［9 － 11］。本文提出針對大（dà）功率激光切割機床，利用 GPＲS無線通信技術，在激光切割機床現場設置數（shù）據傳輸模塊，實時將激光切割機床的加工狀態和（hé）環境信息傳輸到雲端服務（wù）器，從而實現對激光切割機床狀態的遠程實時監（jiān）控。
 
      1 、總（zǒng）體方案設計
 
     目前一些（xiē）先進的數控係統具有通信接口，能夠將數據參數傳送（sòng）出來，通過（guò）數據接口實（shí）現對分散的數（shù）控設備（bèi）的（de）遠程控製。GPＲS 能（néng）夠實時在線，支持多點數據同傳，傳輸時延小，滿足（zú）一般監控係（xì）統對（duì）數據采集和傳輸實（shí）時性的要求。隨著國（guó）內移動（dòng）通信技術的快速發展，絕大部（bù）分地區（qū）已經覆（fù）蓋了GPＲS 網絡，因此為大範圍的設備在線（xiàn）監控提供了基礎條件（jiàn），係統的傳輸容（róng）量大，能很好（hǎo）滿足傳輸監控（kòng）數據的（de）需要（yào），且通信（xìn）費用越（yuè）來越低，應用方便。隨著智能手機的普及，維修人員可以通（tōng）過應用程序（xù）瀏覽雲端數據，進而得知數控機床發生故障前後（hòu）的數據，為快速診斷奠（diàn）定了應用的基礎。
 
     本文（wén）以發格激光切割機床作（zuò）為控製對象，基於串口通信和 GPＲS 移動（dòng）通信技術構建高功率激（jī）光切割機數據采集傳輸係統，實現對激光切割（gē）機床狀態的無線遠程監（jiān）控。激光切割機床遠程監控係統（tǒng）主要（yào）由6 部分組成: 現場激光切割機床、攝像機、車間環境（jìng）采集（jí）模塊、現場智能監控終（zhōng）端模塊（kuài）、雲服務器（qì）以及遠處監控客戶端，總體結構框圖如圖1 所示。
  
  
     
         圖 1 激光（guāng）切割機（jī）床（chuáng）遠程監控係統框圖 
   
     2 、硬件設計
 
     硬件部（bù）分主要（yào）涉（shè）及現（xiàn）場智能監控終端（duān）模塊，本係統（tǒng）以 STM32 微處（chù）理器和 GPＲS 無線通信（xìn）模（mó）塊為核心（xīn），現場智能（néng）監控終端通過串（chuàn）口數控機床進（jìn）行通（tōng）信（xìn），並將數（shù）據通過 GPＲS 無線通信模塊實時傳輸到雲端。雲端服務器自動記錄上傳的數據，任何聯網的電腦通（tōng）過雲端均可獲取當前機床的工作（zuò）狀態。當（dāng）激光切割機床出現故障時（shí），現場智能監控終端（duān）將故障信息通過短信服務模塊發送到預製的手（shǒu）機（jī）電話號（hào）碼。維修人（rén）員通過短信（xìn）即可獲取數控機床故障信息，並進行故障診斷。
 
      2. 1 現場智能監控設備硬件設計
 
      現場智能監（jiān）控模塊的（de）硬件由 32 位微（wēi）處理器、數據顯示單元、GPＲS 無線數（shù）據傳輸模塊、數據采集模塊和數據存儲模塊組成，係統硬件原理圖如圖 2 所示。
  
     
  
                圖（tú） 2 現場監控設備硬件原理圖
 
      微 處 理 器 選 用（yòng） STM32 係 列 單 片 機STM32F103VBT6 作為主控芯片。采用 SIMcom 公司的 SIM800E 模塊進（jìn）行（háng） GPＲS 數據傳輸，SIM800E是一種（zhǒng）專門用於 GPＲS 數據傳輸模（mó）塊，SIM800E 支（zhī）持多種 TCPIP 連接（jiē）協議和多種連接方式，單步與多步開發環境，傳輸模式可選擇（zé）透明與非透明模式，在服務端或客戶端支持 TCP 和 UDP 協議棧，在本係統設計中，SIM800E 模塊和 STM32 單片機的串口 2 相連，實現（xiàn） GPＲS 模塊與單片（piàn）機（jī）之間的通信.顯示單元采用 3. 5 寸真彩觸摸屏，實現人機交互。
 
      2. 2 攝像頭監控硬件設計
 
      圖像采集選（xuǎn）用串口攝像頭模塊，采用成都藍矩科技（jì）生產的 LJ － DSC02 係列串口攝像頭，200萬像素，該模塊內置 0 V 係列高性能（néng） CMOS 傳感器，直接輸出 JPEG 圖片，通過 ＲS232 或者 ＲS485進行數（shù）據傳（chuán）輸，配置 6 顆 850 nm 夜視燈進行紅外補光。在本係統中將（jiāng） LJ － DSC02 和單（dān）片機的串口 1 相連，實現攝像頭（tóu）數據的采集。
 
      2. 3 環境采集模塊硬件設計
 
      環（huán）境參數（shù）采集采（cǎi）用 GK － 508F 模塊，該模塊可以采（cǎi）集 16 路 模 擬 量 信 號，通 信 支（zhī） 持 ＲS232、ＲS485 和 MODBUS 協議（yì）接口。在本係統中，主要采集激光切割機床工作時的環（huán）境溫度、濕度、壓力、電（diàn）源電壓、電流、冷卻風機（jī）溫度等信號。
 
       3 、軟件設計
 
       在（zài） Keil 開發環境中設計終端控製軟件（jiàn），軟件主要分為（wéi）係統初始化模塊（kuài）、數據采集模塊、數據分析模塊（kuài）、觸摸屏顯示模塊（kuài）、通信模塊等。
 
       智（zhì）能（néng）監控設備啟（qǐ）動後首先進入係統初（chū）始化模（mó）塊，初始化完成後，開始數據采集。數據采集部分主要包括對對數控機床運行參數的采集、對攝像機圖像的采集、現場環境參數的采集。數（shù）據采集完成後，進入數據分（fèn）析模（mó）塊、分析完（wán）成後，進行數（shù）據顯示和存儲，最後進入通信子（zǐ）程（chéng）序（xù）進行數據遠傳。數據傳送完成後，進入下一個循環，軟件流程如圖3 所示。
  
  

      
                圖 3 軟（ruǎn）件控製流程圖
 
 
      係統初始化主要進行時鍾、中斷、GPIO、串口等初始化工（gōng）作。完成後依次與（yǔ）數控機床、串口攝像機、環境采集模塊和 GPＲS 模塊依次通信。激光切割機床數控係（xì）統的通信采用串口異步通信協議。現場監控設備程序運行時，首先向數控係統發送握手（shǒu）請求，握手成功後，接收數控係統傳出的各種參數數據; 握手（shǒu）失敗，發送故（gù）障顯示接口。在數據處理分析模塊中，將激光加工機床的工藝（yì）參數、NC 程（chéng）序、螺距誤差補償（cháng）參數、工件坐（zuò）標數據等數據進行分類保存，通過 GPＲS 傳輸到雲端服務器。當接收到雲端服務器（qì）更（gèng）新（xīn）數（shù）據請求的命令時，數控機床通信管理模（mó）塊通過通知數控機床修改通信參數，進行數據更新工作。
 
      串口攝像機模塊通過單片機獲取攝像頭圖像，設備上電初始化時打開串口，設置圖像分（fèn）辨（biàn）率。正常通信時循環執行（háng）開（kāi）始采（cǎi）集圖像、獲取圖像數據、結束采（cǎi）集圖像並上傳。數據分析模塊對采集的各種數（shù）據，與設（shè）定值進行比較，符合報警（jǐng）條件時，將信號發送（sòng）至報警子程序。為了方便人機交互，設置了數（shù）據顯示模塊，采用迪（dí）文（wén）4.3寸真彩觸摸屏，完成數（shù）據（jù）顯示與報警信息查看。為了避免由於網絡產生（shēng）故障時，數據不能及時上傳，現場設置數據存儲模塊，將采（cǎi）集到的數（shù）據及報警信息，本地存儲於工業 SD 卡，確保數據的安全（quán）性。
 
       GPＲS 模塊通信時，首先進行（háng）參數初始化，主要參數有: 手機卡號碼、DNS 服務設置、GPＲS 服務密碼、APN 設置（zhì）、IP 地址、TCP 端口號等，係統上電後（hòu），自動建立一個 TCP 通訊，通信（xìn）成功後，智能終（zhōng）端模塊和雲端的數據實現無線交互。
 
       4 、結論
 
       實踐表明，利用 STM32 單片機和 SIM800LGPＲS通信模塊（kuài）設計的現場智（zhì）能監（jiān）控終端，體積小、功耗低，可以與激光（guāng）切（qiē）割機床數控係統實時對接，通過該終端，能夠將激（jī）光切割機床現場數據通過無線網絡，傳送（sòng）至雲端服務器，通（tōng）過雲服務監控客戶端，維修人員（yuán）可以給用戶提供方便快捷的技（jì）術支持，具有較好的現實意義和推廣價值。