成纜設(shè)備速度信息無(wú)線采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

許 鵬，蘇 濤，陳 培，楊永杰

（南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇南通,226019）

0 引言

目前，隨著國(guó)際國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力的增大，中國(guó)許多工業(yè)企業(yè)迫切需要及時(shí)獲取生產(chǎn)一線數(shù)據(jù)信息，提高企業(yè)管理控制水平。然而由于國(guó)內(nèi)企業(yè)的設(shè)備往往是分批購(gòu)進(jìn)，其設(shè)備工業(yè)數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一，導(dǎo)致直接從設(shè)備配套的控制系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)十分困難。此外在生產(chǎn)車(chē)間中進(jìn)行二次鋪設(shè)采集數(shù)據(jù)的線纜，也有一定的困難。本論文根據(jù)某線纜企業(yè)的實(shí)際需求，同時(shí)考慮到車(chē)間已被WIFI網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)成纜設(shè)備速度信息的無(wú)線采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集各車(chē)間成纜設(shè)備的轉(zhuǎn)速信息，通過(guò)WIFI網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，最終在服務(wù)器端自動(dòng)生成設(shè)備線速度波動(dòng)曲線圖。該系統(tǒng)的實(shí)施可以使企業(yè)管理者直觀的了解線纜生產(chǎn)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問(wèn)題，也為工人工作考核提供了十分準(zhǔn)確的依據(jù)。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

對(duì)于線纜企業(yè)而言，設(shè)備制成纜繩的線速度是衡量生產(chǎn)工作情況的一個(gè)重要指標(biāo)。通常線速度應(yīng)該穩(wěn)定在某個(gè)范圍內(nèi)，線速度過(guò)慢說(shuō)明工人的工作熟練程度不高或者有消極怠工的情況，而線速度過(guò)快又會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定的機(jī)械損傷。系統(tǒng)的終端采集模塊以嵌入式系統(tǒng)作為核心，使用轉(zhuǎn)速傳感器獲取設(shè)備關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，使用系統(tǒng)時(shí)鐘芯片獲取采集時(shí)間，借助WIFI網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)軟件運(yùn)行在服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)將網(wǎng)絡(luò)接收的轉(zhuǎn)速信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)的功能。此外服務(wù)器還運(yùn)行有設(shè)備速度顯示軟件，負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)庫(kù)提取轉(zhuǎn)速信息，根據(jù)不同設(shè)備換算系數(shù)折算出對(duì)應(yīng)的線速度，生成曲線圖，并具有異常告警信息的功能。

2 終端采集模塊的設(shè)計(jì)與選型

圖1 系統(tǒng)終端采集模塊的硬件組成結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)終端采集模塊主要用于采集設(shè)備轉(zhuǎn)速，其微處理器選用了ARM Cortex-M4型微控制器，轉(zhuǎn)速傳感器選用了LJ12A3型接近開(kāi)關(guān)，而采集時(shí)間通過(guò)SD2405芯片來(lái)獲取。模塊最終將采集時(shí)間和轉(zhuǎn)速信息組成的數(shù)據(jù)幀以串行方式通過(guò)USRWIFI232-X模塊從WIFI網(wǎng)絡(luò)傳送至服務(wù)器。其硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 微處理器核心的選型

微處理器核心選用的Cortex-M4型Stellaris? LM4F系列微控制器，是目前嵌入式系統(tǒng)中最前沿的一種系統(tǒng)架構(gòu)，是TI公司最新推出了一款A(yù)RM MCU芯片。該微控制器結(jié)合了最新的ARM Cortex -M4F內(nèi)核和德州儀器公司完美的設(shè)計(jì)及工藝技術(shù)，其具備了更高的處理性能、能更有效地使用每個(gè)時(shí)鐘周期；內(nèi)部集成的混合信號(hào)電路可以與傳統(tǒng)獨(dú)立組件電路相媲美；具有低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)勢(shì)。

本模塊使用的微處理器具體型號(hào)為L(zhǎng)M4F120H5QR，其通用I/O接口功能設(shè)計(jì)如下：轉(zhuǎn)速傳感器接PF0，系統(tǒng)時(shí)鐘芯片接PB2（SCL）和PB3（SDA），LCD屏的數(shù)據(jù)口接在PD0～PD7，LCD屏的控制口接在PE0～PE2，WIFI模塊接PA0（RXD）和PA1（TXD），兩個(gè)按鍵接PF1和PF2，兩個(gè)指示燈接PF3和PF4。

2.2 系統(tǒng)時(shí)鐘芯片的選型

系統(tǒng)時(shí)鐘芯片SD2405是一種內(nèi)置晶振、充電電池、具有標(biāo)準(zhǔn)IIC接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可通過(guò)5位地址尋址來(lái)讀寫(xiě)片內(nèi)32字節(jié)寄存器的數(shù)據(jù)。該芯片可保證時(shí)鐘精度為±5ppm（在25℃±1℃下），即年誤差小于2.5分鐘；內(nèi)置充電電池及充電電路，在電池滿充的情況下可保證內(nèi)部時(shí)鐘走時(shí)超過(guò)半年時(shí)間，累計(jì)電池電量超過(guò)550mAH；電池使用壽命為5至8年時(shí)間；內(nèi)部具備電源切換電路，當(dāng)芯片檢測(cè)到主電源VDD掉到充電電池電壓以下，芯片會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為由充電電池供電。系統(tǒng)通過(guò)該芯片獲取采集轉(zhuǎn)速的時(shí)間，并顯示在LCD屏上，同時(shí)作為采集數(shù)據(jù)的一部分由WIFI網(wǎng)絡(luò)傳輸給服務(wù)器。

2.3 其他主要部件的選型

在生產(chǎn)線上，設(shè)備的線速度通常由帶接近開(kāi)關(guān)的電子計(jì)米器來(lái)記錄的。接近開(kāi)關(guān)又稱為無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)，它除了可以完成行程控制和限位保護(hù)以外，還是非接觸型檢測(cè)裝置，可以用作檢測(cè)零件尺寸和測(cè)速等，在航天、航空領(lǐng)域以及工業(yè)生產(chǎn)中都有著廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)則以常用計(jì)米器中的LJ12A3型接近開(kāi)關(guān)作為轉(zhuǎn)速傳感器，獲取相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，并由換算系數(shù)折算出實(shí)際的線速度。該型號(hào)的接近開(kāi)關(guān)供電電壓為24V。

WIFI模塊采用第三方提供的串口與WIFI數(shù)據(jù)包的雙向透明轉(zhuǎn)發(fā)模塊，型號(hào)為USR-WIFI232-X，終端采集模塊將數(shù)據(jù)組幀以串行方式送至WIFI模塊，WIFI模塊則以網(wǎng)絡(luò)終端形式再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至服務(wù)器。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，WIFI模塊與服務(wù)器采用TCP方式建立連接以傳輸數(shù)據(jù)。

由于模塊只需顯示系統(tǒng)時(shí)鐘和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速信息，且不需顯示中文字符，因此選用了1602A型LCD屏。該屏可以顯示16×2個(gè)英文字符，具有工作穩(wěn)定、價(jià)格低廉的特點(diǎn)。

3 終端采集模塊的軟件設(shè)計(jì)

終端采集模塊的軟件功能為采集成纜設(shè)備實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信息，同時(shí)獲取系統(tǒng)時(shí)間，并將轉(zhuǎn)速與時(shí)間組幀經(jīng)WIFI模塊傳送至服務(wù)器端，并檢測(cè)回送信息以判斷是否正常接收數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到異常狀況則實(shí)時(shí)告警。另外模塊中還增加了實(shí)時(shí)報(bào)修功能。其軟件主要設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

在主程序流程中，系統(tǒng)上電自動(dòng)復(fù)位后先完成系統(tǒng)初始化，包括數(shù)據(jù)初始化、定時(shí)器初始化及串行通信的初始化；接著檢測(cè)按鍵，當(dāng)按下“手動(dòng)傳送”按鍵時(shí)，將發(fā)送暫存區(qū)的轉(zhuǎn)速信息，該功能用于手動(dòng)發(fā)送前期未能成功發(fā)送而存儲(chǔ)于暫存區(qū)的轉(zhuǎn)速信息；當(dāng)按下“報(bào)修申請(qǐng)”按鍵時(shí)，發(fā)送設(shè)備報(bào)修狀態(tài)，便于車(chē)間機(jī)修工人能夠及時(shí)收到信息并前往維修；指示燈用于異常告警和報(bào)修狀態(tài)的提示。

在定時(shí)中斷服務(wù)子程序流程中，每當(dāng)時(shí)間累計(jì)到一分鐘時(shí)，先獲取當(dāng)前時(shí)間，再進(jìn)行轉(zhuǎn)速的采集，即統(tǒng)計(jì)接近開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)累積次數(shù)，計(jì)算出每分鐘的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，并將轉(zhuǎn)速和時(shí)間顯示在LCD屏上。在轉(zhuǎn)速發(fā)送過(guò)程中，先將當(dāng)前轉(zhuǎn)速信息與前一分鐘的轉(zhuǎn)速比較，其差值須超過(guò)設(shè)定的偏差閾值才組幀發(fā)送。這樣可以在采集精度允許的情況下盡可能避免冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送，從而減輕了網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的壓力。轉(zhuǎn)速驗(yàn)證過(guò)程用于檢測(cè)是否有正常回送信息，有則認(rèn)為已正常接收，若未收到則延時(shí)一段時(shí)間后，進(jìn)行二次發(fā)送和二次驗(yàn)證，若仍未收到回送信息，則將本次采集轉(zhuǎn)速和采集時(shí)間存入暫存區(qū)，并以指示燈告警。

圖2 系統(tǒng)終端采集模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 服務(wù)器相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)收發(fā)軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器數(shù)據(jù)收發(fā)軟件的功能主要是監(jiān)聽(tīng)TCP端口是否有終端采集模塊送來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，無(wú)誤后存入數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，并回送相應(yīng)信息給發(fā)送方。軟件使用Visual Basic設(shè)計(jì)完成，為了能夠監(jiān)控多路的數(shù)據(jù)，在界面設(shè)計(jì)中建立了Winsock控件數(shù)組以便于根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接端口的變動(dòng)而靈活調(diào)整；還添加了ADO組件以便于高效地訪問(wèn)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。該軟件運(yùn)行時(shí)，先輸入數(shù)據(jù)庫(kù)登錄的用戶名、密碼以及訪問(wèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)名，點(diǎn)擊“正在監(jiān)聽(tīng)”按鈕后，連接數(shù)據(jù)庫(kù)，并將有連接的網(wǎng)絡(luò)終端信息顯示在“客戶端列表”中，接收到的數(shù)據(jù)在存入數(shù)據(jù)庫(kù)的同時(shí)，顯示在“消息顯示區(qū)”中，相關(guān)端口的操作信息則顯示在“日志紀(jì)錄區(qū)”中，操作界面如圖3所示。

該軟件的主要設(shè)計(jì)流程如圖4所示：首先通過(guò)ADO組件與SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接，然后監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)端口。當(dāng)有新的連接請(qǐng)求時(shí)，則以控件數(shù)組形式自動(dòng)新增Winsock控件，完成TCP方式的連接。網(wǎng)絡(luò)連接完成后，當(dāng)有數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，將觸發(fā)Sock_ DataArrival事件。在該事件過(guò)程中，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和分類(lèi)，判斷其是轉(zhuǎn)速信息、報(bào)修信息還是其它信息；再根據(jù)不同類(lèi)型數(shù)據(jù)分別存入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，將驗(yàn)證信息通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)端口回送；最后將接收和發(fā)送信息都存入日志文件中，以記錄系統(tǒng)運(yùn)行的詳細(xì)情況。另外為了節(jié)約網(wǎng)絡(luò)端口資源，當(dāng)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接長(zhǎng)時(shí)間無(wú)數(shù)據(jù)傳送時(shí)，則認(rèn)為其為無(wú)效連接，程序?qū)⒆詣?dòng)斷開(kāi)該連接，空出對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)軟件運(yùn)行界面

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.2 設(shè)備速度顯示軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器設(shè)備速度顯示軟件是以C/S方式設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，并已嵌入企業(yè)信息化管理平臺(tái)中。該軟件的服務(wù)器端部分主要完成對(duì)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的操作以及轉(zhuǎn)速與線速度換算的功能，而用戶則通過(guò)軟件的客戶端部分來(lái)查詢歷史數(shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)，并顯示曲線圖。其中日設(shè)備速度波動(dòng)曲線圖如圖5所示，某設(shè)備的正常線速度為14～16米/分鐘，可以從圖中看出在一天中共停機(jī)6次，超上限速度1次，低下限速度1次。由于停機(jī)原因只有設(shè)備故障或材料更換兩種，因此可通過(guò)參照系統(tǒng)報(bào)修記錄，直接判斷各次停機(jī)原因。這些數(shù)據(jù)既可以很直觀的了解設(shè)備運(yùn)行情況，也為工人生產(chǎn)工作考核提供了重要的事實(shí)依據(jù)。

圖5 系統(tǒng)日線速度波動(dòng)曲線圖

5 系統(tǒng)的測(cè)試與運(yùn)行

該系統(tǒng)于2013年6月在某線纜企業(yè)開(kāi)始測(cè)試與運(yùn)行，為其廠區(qū)17條生產(chǎn)線共安裝了22個(gè)終端采集模塊，每天發(fā)送近萬(wàn)條數(shù)據(jù)至服務(wù)器。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整和完善后，目前各采集終端及服務(wù)器端軟件都已經(jīng)正常工作。從系統(tǒng)運(yùn)行情況來(lái)看，企業(yè)生產(chǎn)部門(mén)和管理部門(mén)能夠及時(shí)地掌握各生產(chǎn)線的生產(chǎn)運(yùn)行情況，也為工人工作考核提供了重要參考，達(dá)到了預(yù)期的效果。系統(tǒng)充分利用了廠區(qū)覆蓋的WIFI網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，具有布點(diǎn)靈活、節(jié)省成本的特點(diǎn)；數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用超偏差閾值才發(fā)送的方式減輕了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸壓力，采用數(shù)據(jù)回送驗(yàn)證和發(fā)送失敗數(shù)據(jù)暫存的方式避免了因異常導(dǎo)致數(shù)據(jù)漏傳的情況；終端采集的大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)也將為企業(yè)智能化管理和進(jìn)一步深入分析提供給了豐富的數(shù)據(jù)資料，系統(tǒng)實(shí)施后改變了企業(yè)管理滯后的現(xiàn)狀，有效的提高了企業(yè)綜合管理能力，在線纜生產(chǎn)的信息化方面都具有較普遍的推廣意義。

[1] http://www.ti.com/lsds/ti/microcontroller/overview. page

[2] 深圳市興威帆電子技術(shù)有限公司.IIC串行接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘-SD2405ALPI設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)手冊(cè)，2011

[3] 劉波峰.傳感器原理與工程應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013

[4] 濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司.USR-WIFI232-X型嵌入式模組使用說(shuō)明，2012

[5] 明日科技.Visual Basic從入門(mén)到精通（第3版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012