近年来，我国已经成为世界第一机床消费大国和数控机床进口大国。工业互联网是未来制造业的发展趋势，应用工业互联网的企业能够占得先机。随着数字化、智能化浪潮来袭，现通过无线通讯的方式，使机床上云布局来提高产品质量、提升生产效率和优化生产过程已经成为各企业的共识。通过应用物联、云服务、大数据等关键技术，采集数控机床从设计、生产到机床整机调试，用户交机使用全生命周期数据，建立机床档案数据管理，全生命周期信息追溯。为用户提供远程设备监控、生产统计管理、设备运行维护服务。本文所讨论的NB-IoT技术是一种革新性技术,相比目前商用的2G/3G/4G及其他无线技术，它支持海量连接、深度覆盖能力、超低功耗、稳定可靠、低成本及架构优的特性。基于 NB-IoT技术的机床联网系统，更好地解决现已运用的各类无线技术如WiFi、蓝牙、M2M、Zigbee等传输距离短、覆盖区域局限、信号穿透力差、通信易受干扰问题；同时也解决有线组网中布线复杂、设备节点有限、成本高的问题[1-3]。

1 系统总体构架及原理

基于NB-IoT技术的机床联网系统如图1所示，数控机床将采集的各类信息通过以太网传给NB-IoT装置，装置对数据进行接收与分析后，通过射频天线发送给运营商基站转发到云平台上，用户即可在PC端或手机APP端查阅到关于数控机床采集到的数据信息。

2 基于NB-IoT硬件设计

基于NB-IoT硬件设计框图如图2所示。包括上位机(机床数控系统)、以太网RJ45接口、网络变压器、百兆PHY芯片、MCU(微控制器)、DC-DC(电源转换芯片)、电平转换电路、NB-IoT模组及eSIM卡、SMA射频连接器及NB频段专用天线。下文将具体介绍各个模块的硬件实现。

(1)百兆以太网模块。本系统采用的是PULSE网络变压器，搭配TI的DP83848单路10/100 M以太网PHY芯片，支持自动协商模式。微控制器则采用了STM32F107系列MCU，不仅成本低廉，且带有RGMII接口物理连接方式与以太网PHY芯片相连。当上位机将数据打包通过以太网发送给MCU后，MCU对数据进行接收并处理，再将数据打包成指定的格式发往下一处理程序。

(2)UART电平转换模块。由于MCU引脚为+3.3 V电平，而NB模组引脚为+1.8 V电平，所以通过UART电平转换电路进行两者之间的数据通信。采用同晶体管来搭建的电平转换电路，串口传输速率较低，晶体管即可满足传输特性需求，且简易实用、成本低廉。

(3)NB模组模块。本系统采用的移远BC26模组，BC26模组提供丰富的外部接口(UART，SPI，ADC等)和协议栈(UDP/TCP，CoAP，LWM2M，MQTT等)，支持全频段，同时也支持移动、电信、阿里云等物联网云平台，超低功耗，尺寸紧凑。采用电信NB-IoT的eSIM贴片卡，直接集成到板卡上，无需外置卡槽。当接收到来自MCU的数据信号后，NB-IoT模组对数据进行解析打包，通过SMA射频连接器送到NB-IoT专用天线，将数据外发至运营商基站转送到云平台上。

(4)DC-DC电源模块。本系统采用TI的TPS54-331芯片，具有宽输入范围，可调节电压，内部集成MOS，效率高，欠压过压及过流保护等优势。为保证采集数据在信号处理和传输过程中，不被电源上的噪声所干扰,保证NB-IoT模组供电电源和MCU及周边电路的供电电源纹波较小。在电源引脚上使用RC滤波电路中，添加了固态电容进一步减少电源噪声对信号处理过程的干扰。

3 固件设计和软件功能实现

基于NB-IoT固件功能实现由MCU完成，主要包括系统初始化，以太网数据监测及发送，NB-IoT模组数据监测及接收。软件功能实现由上位机完成，主要包括全局初始化建立Socket通讯，配置NB模组连接NB网络及应用服务器，数控系统应用程序数据收发。

(1)基于NB-IoT固件设计框图如图3所示。在硬件上电后即开始进行系统初始化，包括以太网配置，NB-IoT模组配置等。随后进入主程序监测网络数据，当监测到来自上位机的网络数据后，对接收到的数据进行解析并判断，提取数据打包并发送到NB-IoT模组，重复执行。当监测到来自NB-IoT模组的数据后，产生网络中断，对接收到的数据进行解析并判断，提取数据打包并发送到上层网络，复位中断后重复监测。MCU沟通于上位机和NB-IoT模组之间，根据不同网络状态作出不同的信息反馈，根据接收到两侧数据情况作出不同的信息反馈，扮演了一个重要的角色。

(2)上位机功能软件框图如图4所示。上位机连接硬件设备后，上电后首先进行软件模块全局初始化并与MCU建立以太网通讯通道Socket。随后按NB-IoT联网流程一步步对NB-IoT模组配置使之附着到NB-IoT网络上，在这个过程中，如出现任何一流程失败，软件将重新配置NB-IoT模组联网流程。完成附着NB-IoT网络后，软件发起建立连接上层应用服务器，如果建立失败即复位NB-IoT模组重新建立。并行存在的数控系统应用程序发起数据发送请求，当所有连接成功后，将缓存区的数据递交给NB-IoT模组发往云服务器，完成一次数据传输。

4 系统联调验证

基于NB-IoT联网系统联调部分(主要分为固件调试和硬件调试)通过后，就可联合上位机产品一起进行软件和硬件的联调，再结合云平台数据进行终端(PC及APP)联调。后期开展硬件可靠性测试、软件性能测试、流程测试、系统兼容性等测试，完成基于NB-IoT技术一体化组合的机床联网系统。

(1)固件和硬件完成联调图如图5所示。当硬件指标测试通过后，结合固件进行调试，用PC代替上位机进行手动调试硬件及固件功能，跟据相关的指令及要求进行在线调试，如测试网络功能，各项解析处理及NB-IoT数据收发功能等，完成联调。

(2)上位机结合云平台数据完成联调如图6、图7所示。当固件和硬件完成联调后，结合上位机软件及手机APP端进行联调，将数控机床需要采集的数据信息通过NB-IoT联网系统上传到云服务器，再通过手机APP端显示。

5 结语

本文给出了低成本、广覆盖、海量连接、穿透力强、稳定可靠的基于NB-IoT技术的机床联网系统设计方法。通过对硬件分模块化可靠设计，固件简洁高效处理，上位机软件功能实现，分布式进行联调及一体化组合测试，充分验证了系统设计的正确性、稳定性，并验证了该系统高度的兼容性，希望能够在类似的产品或其他构架的产品中得到更广泛的应用。