基于短距离低功耗无线通信技术的焊接参数监测系统设计

《Results in Engineering》：Design of a welding parameter monitoring system based on short-range low-power wireless communication technology

　　

焊接作为一种重要的材料连接工艺，其电流和电压参数的工艺控制和数字化监测尤为重要。本文利用短距离低功耗的ZigBee（ZigBee）无线通信协议，设计了一种基于物联网（IoT）的无线自组织网络焊接参数监测系统。研究人员以包含8051微控制器内核的片上系统CC2530（CC2530）为核心，并选用合适的霍尔（Hall）电流和电压传感器，设计了焊机终端模块和协调器模块。采用USB（USB）与上位机通信，并采用虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）技术。成功实现了焊接监测系统的参数采集与处理。

焊接参数监测是保证焊接质量的关键环节，传统有线通信方式（如RS-485、RS-232）在扩展性、成本和布线灵活性方面存在明显不足，难以满足现代焊接生产对实时在线监测的需求。ZigBee（ZigBee）技术凭借其低功耗、低成本、高可靠性和自组织网络能力，为焊接设备群控监测提供了理想解决方案。为此，研究人员设计并实现了一种基于短距离低功耗ZigBee无线通信技术的焊接参数监测系统，相关成果发表在《Results in Engineering》。该系统以TI（Texas Instruments）公司的CC2530（CC2530）片上系统为核心，集成8051微控制器和射频收发器，通过霍尔（Hall）电流传感器（KXK-36，开环直通式，测量范围20 A~500 A）和霍尔电压传感器（KXBV-13，磁平衡闭环式，测量范围10 V~500 V）采集焊机输出端的电流和电压信号。传感器终端节点采用低 dropout线性稳压器（LDO，XC6209F332PR）供电，确保在焊接现场强干扰环境下的稳定运行。协调器节点通过UART串口转USB（USB）电路与上位机通信，上位机基于LabVIEW（LabVIEW）虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）技术开发，利用VISA（VISA）库实现串口配置、数据读取与处理，完成焊接参数的实时显示、存储与分析。系统采用星型ZigBee网络拓扑，协调器负责网络建立与管理，终端节点采集数据并发送至协调器，采样周期设置为1秒。测试中，研究人员选用HB315型数字多功能逆变弧焊电源（支持SMAW、GTAW、GMAW），分别在80 A、103 A和130 A设定电流下进行焊接试验，采集了时间、电流和电压数据。

研究结果部分保留原文小标题“4.3 System Application”。通过系统应用测试，研究人员在80 A条件下采集到电流值稳定在81 A左右，电压在26 V~33 V之间波动；103 A条件下电流值在108 A附近波动，电压在16 V~36 V之间；130 A条件下电流值在108 A~162 A之间变化，电压在19 V~33 V之间。数据表明，在整个焊接过程中电流曲线保持相对稳定，与设定值吻合良好；电压曲线在焊机输出范围20 V~40 V内波动，且随着焊接电流增大，输出电流的波动幅度也随之增大，这与逆变焊机电源的输出特性密切相关。测试结果有效验证了基于ZigBee无线自组织网络控制系统的可靠性和稳定性，证明该系统能够实时、准确地监测焊接参数。

在讨论部分，研究人员指出尽管该系统在焊接参数监测方面取得了成功，但仍面临ZigBee技术在复杂工业环境中可能遇到的信号干扰问题，以及多功能集成的挑战。未来研究将优先通过视觉传感器技术增强系统对关键参数（如焊接温度、熔深和飞溅率）的监测能力，并进一步集成人工智能（AI）和机器学习（ML）算法，对多参数数据集进行深入分析，以实现焊接质量的智能预测和缺陷诊断，从而为焊接工艺优化和工业自动化效率提升提供全面的数据支持。

研究结论部分翻译如下：在本工作中，研究人员建立了一种基于短距离低功耗ZigBee（ZigBee）技术的实时在线监测系统，用于焊接过程的参数控制与分析。该系统以CC2530（CC2530）片上系统为核心，采用ZigBee无线自组织网络技术，实现了信号采集、信息通信和数据存储功能。利用霍尔（Hall）电流和电压传感器设计的焊接电流和电压无线传感器终端模块成本低且灵活。基于虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）技术开发的上位机软件实现了焊接参数的实时监测与分析，为传统焊机的数字化升级、焊接监测质量的提升以及焊接生产的信息化提供了有效参考。