1 绪论
1.1 课题研究背景
随着现代科学技术的飞速发展，物联网的时代已经到来，并逐步渗透进我们生活的方方面面。物联网的英文术语为“Internet of Things”，简称 IoT。在 20 世纪 90年代，人们对物联网的研究开始萌芽，随着研究不断地深入，其概念和技术不断发展和演变。国际上有一些与物联网相关的概念和技术，如机器到机器（M2 M），无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）等，这些概念的出现不仅丰富了物联网的内涵而且推动了物联网技术的发展[1]。
1999 年，麻省理工学院的 Kevin Ashton 及其同事初次提出了物联网的概念。他们提出把 RFID 射频识别技术与互联网相结合，通过互联网来实现产品信息的辨识和管理维护。2003 年，在题为《M2M 技术—让你的机器开口说话》的白皮书中，Nokia产品经理 Damian Pisani 提到“M2M 旨在实现人、设备、系统间连接”。从那时起，“人、设备、系统的结合”成为 M2M 的标志，也成为 M2M 发展史上的一个重要里程碑和转折点[2]。2005 年，国际电信联盟在物联网报告中扩展了物联网概念，报告向人们描述了能随时随地将物体与计算机和网络互联愿景。报告指出：RFID、传感器、纳米、智能终端等技术将有更广阔的应用前景。2009 年 9 月 5 日，欧盟第七框架下的 RFID 和物联网研究项目群发布了一份关于物联网战略研究路线图的研究报告，报告强调物联网是未来互联网的一个组成部分[3]，它将成为可以通过可互操作通信协议实现自配置的动态网络基础设施。
中国的物联网也在国际环境的影响下开始发展。 目前，物联网在中国进一步升温，受到政府、研究机构和电信运营商等相关公司的高度重视。由于物联网的应用范围不断扩大，2012 年我国成立了首个物联网专家委员会，旨在深入研究物联网技术并提供技术咨询来促进产业向智能化方向发展[4]。2013 年 2 月国务院 7 号文件发布物联网指导意见，2015 年 9 月国家发展改革委、教育部、科技部、工业和信息化部等相关成员单位印发了 10 个物联网发展专项计划，从多方面积极推进物联网产业发展工作[3]。
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1.2 激光器远程监控系统的发展现状和趋势
激光器是一种相对复杂的工业设备，它广泛应用于工业、精密测量、探测、通信、医疗、军事等方面。根据工作物质的不同，可将激光器划分为三大类：气体激光器、固体激光器和液体激光器。工业设备中常用的激光器有：光纤激光器、CO2激光器、YAG 激光器、紫外激光器等[5]。激光器实际运行中有许多会影响其正常工作和光束质量的因素，例如：激光器供电电压、放电管电流、主要部件温度、水流量、气流、光闸、气阀状态等。激光器远程监控系统不仅可以监测激光器的一些重要参数，还可以根据这些监测信息对激光器的运行状态进行分析、诊断和预测。
激光器控制系统是激光器远程监控系统的核心部分，随着信息技术的不断发展更加自动化和智能化。从早期的主要依靠人工手动，逐渐开始使用单片机、DSP 以及 PLC 进行自动控制，同时也从单一的控制单元发展成集中控制系统[5]。激光器中独立的设备控制器单元以树型网络结构的形式连接起来，实现信息传输、同步工作，集中控制管理。现在国内有很多研究所和大学实验室在对激光器控制系统进行研究。北京工业大学激光工程研究院“1000W 大功率半导体激光器系统的研制”中采用单片机作为主控单元，实现恒温系统与激光电源的集成控制。吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室在半导体激光器上利用 DSP 技术实现压控恒流源的高速 PID 控制。华中科技大学激光加工工程研究中心研发出基于 PLC 的 CO2 激光器控制系统，将激光器气压测控单元、温度测控单元和电源与功率测控单元接入到 PLC 上等进行统一控制管理[5]。
嵌入式技术和网络技术的融合推动了物联网技术的发展。现在的嵌入式芯片的处理器性能越来越好，芯片的存储容量也很大，市面上绝大多数可以运行主流的操作系统[7]。中高端嵌入式设备中都有网络通信的接口，数据可以通过网络传输存储到云中。国外已经应用互联网技术实现了远程提取激光器数据的功能。例如德国通快公司的激光器出现故障，会首先在监控平台数据库中调取故障部件数据记录，根据实际情况分析可能导致激光器出现故障的原因。
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2 系统总体方案
2.1 激光器概述
2.1.1 激光器的组成结构
本课题的主要监控对象是 WLG2500 型号的轴快流 CO2 激光器。轴快流 CO2 激光器的工作物质主要是 CO2，另外还混有少量的 N2 和 He，气体流动的方向、放电方向和激光束输出方向均一致[14]。WLG2500 型号 CO2 激光器输出激光的波长是 10.6μm附近的中红外波段，输出激光的功率是 2500W。
轴快流 CO2 激光器主要由谐振腔、放电管、气源、热交换器、风机、真空泵、高压电源、冷却装置和控制单元组成[13]，其结构如下图 2-1 所示。
激光器谐振腔既是一个光学腔又是一个光学放大器。为了保证在谐振腔内获得大体积均匀的辉光放电，通常在设计中使用分段电离的方式用多根放电管来分段放电。真空泵的功能是调节放电管中的气压，当激光器开始工作时，真空泵先将放电管中的杂质气体抽出，接着打开气阀向管内充入纯净的工作气体。为保证 CO2 激光器长时间稳定运行，需要将 CO2、N2、He 混合气体不断向放电区域充入[15]。在高压电极作用下，工作气体被激发产生的大量废热必须经过热交换器中的气流及时排出，否则会影响输出光束质量，降低激光器使用寿命。激光冷却系统多使用风冷和水风冷两种冷却系统，风冷方式通常是使用风机来加快废热的排放，水冷方式是通过冷水机进行循环水冷却。激光器控制单元接收激光器上各个部件的输入信号，对实时信号的分析和处理，并发送命令控制各部件工作状态[14]。高压电源是激光器控制系统的重要组成部分，激光器连续和脉冲的工作方式通过开关电源进行调节。放电保护系统的主要作用是监测放电电极的工作情况，当放电管发生放电故障时能及时检测并发出告警信号，在保障激光器安全运行方面发挥重要作用。
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2.2 CAN 总线概况
2.2.1 CAN 总线简介
控制器区域网络 CAN（控制器区域网络）是德国博世为车辆监测和控制应用开发的多主机本地网络。博世开发 CAN 现场总线早期的目的是致力于解决汽车中大量电子设备间的通信问题，并减少电子设备间的信号线数量[17]。最终设计出单一的网络总线，并且可以将所有外围设备都可以连接到总线上。
CAN 是一种分布式控制总线。CAN 总线连接每个节点仅需要少量电缆，并且可靠性也很高。ISO11898 定义了总线结构的拓扑结构，如图 2-5 所示，使用了主干和分支连接。主干的两个端子都连接到 120Ω终端电阻，节点通过支线连接到总线，干线与支线的参数如表 2-1 所示。
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3 系统硬件设计...............................................17
3.2 A/D 采样模块..................................17
3.3 采集模块硬件设计......................... 19
4 系统软件设计...........................................27
4.1 软件开发环境...................................... 27
4.2 下位机 CAN 通信机制.............................30
4.3 上位机 CAN 通信机制.................................34
5 系统测试...........................................52
5.1 系统硬件测试.................................. 52
5.2 软件调试工具.................................. 53
5.3 系统整体测试................................... 55
5 系统测试
5.1 系统硬件测试
整个激光器的远程监控系统测试可以分为软硬件测试、云平台功能测试两个部分。如果硬件电路不能正常工作，那么整个系统的后续测试无法进行。各个硬件功能模块需要对照原理图进行调试，硬件电路及驱动调试过程种会遇到很多问题，可以借助开发环境中的断点调试功能来分析解决。
本文硬件部分包括两个 STM32 F103 下位机节点和一个 AM335X 上位机节点，实物连接如图 5-1 所示。STM32F103C8T6 开发板接入 DS18B20 温度传感器和可变电压（最大 3.3 V），STM32F103RBT6 开发板进行激光器的放电保护和放电管电流采集。AM335 X 开发板是整个系统的核心控制主节点，为了防止工业环境条件下电磁干扰， 用铁盒将开发板保护起来。只留出外接端口，保证数据通信质量。上位机的CAN 接口和下位机的 CAN 接口通过双绞线连接，多个下位机节点可以通过线路连接器连接到 CAN 网络拓扑结构。本文制定的 CAN 总线协议可同时外接 32 个节点，根据实际的需求也可扩展。AM335X 通过以太网通信方式登陆到设备云，实现上位机和物联网云平台服务器的交互。
下位机的硬件模块主要包括：温度采集模块、激光功率采集模块、激光器放电管电流采集模块。首先在拿到 PCB 电路板后，需仔细查看是否存在因为工艺问题造成的明显缺陷。按照电路原理图，查看元器件的封装，检查元器件引脚之间是否有断路、虚焊。开发板上电后，不要立刻测试，要特别观察有无冒烟、异味、元器件发烫的现象。本课题在这个过程中就发现有元器件发烫的情况，用万用表检测后发现该元件短路，移除该元件后恢复正常。完成开发板的电气检测后，编写测试模块程序来验证各采集模块功能，直到各模块能够正常工作。
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6 总结和展望
6.1 全文总结
随着物联网带来巨大市场潜力被越来越多的科技公司发掘，万物联网的势头越来越迅猛， 远程监控技术在激光器中的应用具有广阔的市场需求和经济价值。在此背景下，本文根据广域网远程监控系统构架和系统需求，设计了激光器远程监控系统的总体方案。本文编写 CAN 总线协议实现上位机与下位机之间通信，采用中国移动的物联网平台完成了激光器放电管电流、激光功率和温度的采集以及网页的显示和远程控制等功能，并对整个系统进行测试。本课题主要完成的工作如下：
（1）在 C 语言软件开发环境 Keil MDK 中编写和调试激光器上温度、激光功率、放电管电流的采样程序，将编译通过后的可执行代码下载到下位机 STM32F103 开发板。并实现下位机的 CAN 通信过程：下位机会先收到上位机广播的查询节点功能码，如果子节点在工作模式下就会应答一个 CAN 报文，表明子节点在线，并且当前运行状态正常。当下位机接收到上位机发送的 CAN 命令报文时，它先将报文信息存储在接收数据缓冲区中，然后读取相应的功能码进行操作。再把激光器采样数据存储在发送数据缓冲区中，最后封装成 CAN 报文发送至上位机。
（2）在 Linux 操作系统中为上位机 AM335 X 开发板编写 C 语言程序，使用 arm-linux- gcc 作为交叉编译工具链来编译和生成可执行程序。在定义好 CAN 总线应用层协议后，根据用户的需要来执行不同的功能码，向下位机下发 CAN 命令报文。下位机执行完相应的操作后，将激光器的采样数据封装成 CAN 报文发送至上位机。上位机中设置过滤器，只有指定标识符内容的 CAN 报文才可接收，能避免大量无效报文的接收处理。如果收到正确的 CAN 报文，将数据将存储在本地和上传到云平台，否则将丢弃报文。
（3）在设备云平台上创建设备，获取设备 ID、APIKey 等鉴权信息，上位机程序中设定这些设备信息，通过以太网的方式接入到物联网云平台。它将下位机发送的激光器参数转换成 CJSON 的键值对形式封装成 EDP 消息传送到云平台。激光器的温度、激光功率、放电管电流等参数会实时发送到平台上相应的数据流中。整个系统实现的功能： 监控激光器上采集数据变化，发送超过设定阈值的警告邮件，通过改变网页上开关控件状态对下位机进行远程控制。
参考文献（略）