5G技术在工业仪表中的应用研究.pdf

Aug.2023Fluid Measurement&ControlVol.4 No.4 5G技术在工业仪表中的应用研究Research on the Application of 5G Technology in Industrial Instrumentation孙娜娜，郑奕（上海自动化仪表有限公司，上海 200072）SUN Nana，ZHENG Yi（Shanghai Automation Instrument Co.，Ltd.，Shanghai 200072，China）摘要：5G 技术在多个领域的应用场景中均得到应用，万物互联时代，5G 也带给工业仪表巨大的发展机遇。本文主要通过对 5G 技术的研究学习，利用 5G 工业模组设计了 5G 通信卡，并安装应用在工业仪表设备上。通过组网实现仪表设备的联网，并最终实现了仪表参数的远程设置等功能，使 5G技术在工业仪表中得到了基本的应用。关键词：5G技术；5G通信卡；工业仪表Abstract：The implementation of 5G technology has been applied in many fields of application scenarios.In the era of the Internet of everything，5G also brings huge development opportunities to industrial instruments.Based on the study of 5G technology，this paper designs 5G communication card by using 5G industrial module and install it on industrial instrument.The network of instrument equipment is realized through networking，and the remote setting of instrument parameters are finally realized，so that 5G technology is basically applied in industrial instrument.Key words：5G technology；5G communication card；industrial instrument中图分类号：TN 929.5 文献标志码：A 文章编号：2096-9023（2023）04-0082-041前言作为新一代移动通信技术，5G 技术契合了传统制造企业智能制造转型对无线网络的应用需求，能满足工业环境下设备互联和远程交互应用需求，在物联网、工业自动化控制、物流追踪、工业 AR、云化机器人等工业应用领域，5G 技术已经成为支撑智能制造转型的关键使能技术1。5G 技术在工业物联网市场存在巨大机遇，但要充分利用其优势，需要根据具体用例以及技术和业务目标直接进行仔细评估和规划。5G 工业模组就是集成了 5G 基带芯片、功率放大器、滤波器、晶振、FLASH 等元器件的标准封装通信模组，为物联网终端设备提供 5G 通信能力，并且能够适配各行业的碎片化需求。通过利用 5G 工业模组设计出可安装在工业仪表上的 5G 通信卡，并通过服务器实现仪表参数的无线传输，使 5G 技术在工业仪表中得到了基本的应用。25G技术在工业仪表中的优势与 4G 和 3G 相比，5G 的讨论通常集中在其带宽增加上，提供高达 10 Gbit/s的更快数据速率以及从一个基站支持更多设备的能力。在工业环境中，这对于技术人员使用增强现实远程诊断设备问题等应用将会非常有用，在许多工业仪表的用例中，低延迟也很重要。在理想条件下，发送和接收 5G 信号之间的时间可能低至 1 ms，而 4G 约为 200 ms2，这对于工业仪表中的实时控制至关重要。5G 技术在工业仪表中的另一个优势是能效。5G 标准包含了多项降低功耗的功能，例如在数据传输很少或没有数据传输时广泛使用睡眠模式。就每比特数据的瓦特数而言，5G 的效率比 4G 网络高出 90%，对于电池供电的工业仪表设备而言，这会对设备在两次充电之间的运行时间产生很大影响。3方案设计3.1硬件方案设计利用 5G 工业模组设计 5G 通信卡，通信卡与工业仪表之间通过串口进行连接，并最终通过云服务器实现工业仪表端数据的远程透传，整体方案设计框图如图 1所示。3.1.15G工业模组经过选型，5G 工业模组的核心器件包括主芯片、PMU、射频等完全自主可控；支持 NSA/SA 双 822023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）模，可根据需求灵活的接入不同的 5G模式网络；2G/3G/4G/5G 全兼容，下行速率高达 2 Gbit/s，上行速率高达 230 Mbit/s，可满足行业应用的高宽带要求；微内核加持 TrustZone的双重安全机制让工业环境使用真正安全可靠；并选用接口丰富的 LGA封装方式，该方式适用于对可靠性和稳定性要求较高的工业自动化领域，模组的电路框图如图2所示。3.1.2主控单元设计由于该 5G 工业模组串口的 AT 指令不再支持TCP/IP 协议，即不能再通过串口来进行数据传输，只能通过 USB拨号上网的方式实现数据的传输；另外，由于该模组在 Linux 系统下可作为 USB 网卡设备使用。因此，最终选定了可移植 Linux系统，做嵌入式系统开发的 i.MX 6ULL系列 MPU 作为主控制器，并为该控制器外扩 256 MB 字节的 DDR3L 和512 MB字节的 NAND FLASH。（1）启动模式和下载。i.MX 6ULL 支持 4 种启动模式，根据存储在内部 BOOT_MODE 寄 存 器 中 的 BOOT MODE0 和BOOT MODE1引脚电平选择启动模式。方案设计选择从 USB 启动，并作为 USB OTG 设备与 PC 机连接进行程序的下载，具体的具体启动电路和程序下载接口电路如图 3、图 4所示。（2）USB_HOST 接口电路。由于 5G 工业模组支持 USB 2.0高速接口，在本文设计中，MPU 作为 USB 主站，与 5G 工业模组之间通过 USB 2.0 高速接口进行通信，具体的接口电路连接如图 5所示。3.2软件方案设计在整体的方案设计中，软件部分较为复杂，首先要在主控 MPU 上进行操作系统的移植；然后在其 BOOT 用户目录下开发一个拨号程序和数据传输程序，等待开发完成后重新启动系统；在用户路径下找到写好的拨号程序和数据传输程序，先运行拨号程序，成功拨号上网后再运行数据传输程序，数据传输完毕后退出整个流程，整体的软件设计流程如图 6所示。3.2.1AT指令MPU 与 5G 工业模组之间通过 USB 接口发送AT 指令来实现数据的通信，AT 指令的返回值由相图 25G工业模组框图图 3启动方式选择电路图 4USB_OTG程序烧写电路图 5USB_HOST接口电路图 1整体方案框图 83Aug.2023Vol.4 No.4 Fluid Measurement&Control应消息和结果代码组成，AT 指令在设备间的控制形式如图 7所示。3.2.2拨号联网过程（1）系统成功移植后，即可通过“ifconfig”命令查询到 5G通信卡作为 USB网卡的设备号“eth2”。（2）5G 通信卡被识别成网卡后，可在“/dev”目录 下 找 到 4 个 USB 设 备 ttyUSB1、ttyUSB2、ttyUSB3、ttyUSB0。ttyUSB1 用来与模块通过 AT 指令来通信。通过发送“atndisdup=1，1”即可使模块进行 ipv4拨号，若返回“OK”则拨号成功。（3）再次通过“ifconfig”命令即可查看网卡信息，此时可看到“eth2”网卡已经获取动态 IP 地址，表示 5G通信卡已经成功联网，如图 8所示。（4）最后，只需要将拨号命令写作一个 shell 脚本，在 5G通信卡启动后运行即可完成其联网工作。3.2.3无线通信过程设计的 5G 通信卡基于移动通信技术所设计，其所使用的联网方式是根据 TCP/IP 协议来实现。该协议簇在传输层中设计了两种传输方式：TCP 和UDP。这两种传输方式均能实现客户端与服务器的数据传输，其中 UDP主要用于对高速传输和实时性有较高要求的通信或广播通信，而 TCP面向有链接并具备顺序控制、重发控制等机制，可以为应用提供可靠的传输。根据设计需要，选用 TCP的可靠控制方式来实现数据传输。5G 通信卡成功联网后，还需要在系统内完成创建 TCP客户端和修改设备树的工作，才可实现下位机仪表设备与服务器之间数据的无线传输，具体流程如下：（1）创建 TCP 客户端：在 Linux 系统下创建一个网络通信是使用 socket实现的，三次握手完毕，连接建立；四次握手完成，连接释放。（2）修改设备树：在 Linux系统中一切设备即文件。根据设计需求添加 UART2的 IO 配置，并修改USB 2 的配置内容。设备树修改好之后，可直接在目录“/dev”下找到串口设备文件“ttymxc 2”。打开此文件进行读写即可通过串口与仪表设备之间实现数据的传送。整个数据传输程序保存在 BOOT 用户空间目录下。在系统运行时仅需要输入 3个参数：【服务器IP 地址】、【服务器端口号】和【下位机串口文件路径名】便可进行下一步的数据通信工作。整个数据传输的程序流程如图 9所示。4功能验证4.15G通信卡功能验证4.1.15G信号测试模组刚开机时执行“athcsq?”命令可能会同时查询到 LTE 和 NR 两个网络的信息，这是由于模组刚入网时会建立 5G 连接，如果没有数据传输会被释 放 掉，只 保 持 LTE 连 接。通 过 串 口 工 具 执 行“atlendc?”命令，通过返回值“1,1,0,1”可知最后一位是 1，表示已经使用 5G连接。4.1.25G速率测试由 于 设 计 中 使 用 的 5G 卡 套 餐 速 率 限 制 在 300 Mbit/s，经过测试 5G 通信卡联网时速率最高可达 256.87 Mbit/s，网络延时可低至 13 ms，比 4G 的图 6软件设计流程图 7AT指令的控制形式图 8模块入网信息 842023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）通信速率和延时参数均有很大的改善，通信速率测试如图 10所示。4.2在仪表中的功能验证将设计的 5G 通信卡安装在工业仪表的内部，通信卡的供电由仪表提供，根据仪表的安装尺寸设计出符合条件的 PCB板，实物如图 11所示。将 5G 通信卡安装在仪表上并通过串口与其进行连接，按照仪表提供的串口通信协议对 Linux 核心板的串口进行相应的配置和更改，包括波特率、停止位、换行符回车符等更改，最终实现了仪表设备串口数据的无线透传，服务器端可读取仪表的参数值，可控制设备的开/停，还可远程设置仪表的参数等功能。其中，服务器端读取仪表的参数值的部分通信测试如图 12所示。5结语通过以上的设计和功能验证可以看出，5G 通信卡的设计安装可以实现工业仪表端数据的无线透传，可通过远程服务器对仪表设备的相关参数进行读取和设置，后续还可实现远程诊断等功能，从而对 5G 通信技术在仪表中应用得到了基本的验证。尤其在厂房面积大、环境较复杂的情况下，采集终端数据实现对设备状态的远程监控十分困难，5G 技术的“低时延”让一些重要数据可以及时回传，保证了关键过程量的连续性，“高速度”又可以避免机器设备因通信干扰造成的失联，为工业仪表的智能化制造提供了强有力的技术支撑。参考文献：1 孙柏林，刘哲鸣.5G 下的仪器仪表发展 J.仪器仪表用户，2019（11）：27-28.2 余明明，沈洲.5G 技术在工业互联网中的应用探索 J.电信快报，2020（8）：13-15.图 9无线通信过程图 10通信速率测试图 115G通信卡实物图 12通信测试 85