基于物聯(lián)網(wǎng)的服裝吊掛生產(chǎn)線的設(shè)計與實現(xiàn)

趙 勇，黃 東，張?zhí)扉_，齊秀娟，張夢洋

（青島理工大學(xué) 自動化學(xué)院，青島 266033）

人們的生活日新月異，這促使了人們在服裝的消費(fèi)方式和消費(fèi)結(jié)構(gòu)上都有了很大的改變。個性體現(xiàn)和追求時尚在消費(fèi)者心中的地位越來越高，同時消費(fèi)者越來越注重衣服的質(zhì)量和樣式，這種消費(fèi)觀念的改變直接影響了傳統(tǒng)服裝生產(chǎn)行業(yè)的變革。因此，開發(fā)一種提升服裝加工生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)能力的生產(chǎn)線變成一個越來越值得研究的方向。

傳感器技術(shù)、RFID標(biāo)簽和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的3項關(guān)鍵技術(shù)[1]，基于此，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，多個加工工作站與上位機(jī)信息管理系統(tǒng)相結(jié)合的服裝吊掛生產(chǎn)線系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1 總體設(shè)計

1.1 服裝生產(chǎn)工藝流程

服裝生產(chǎn)基本工藝流程包括驗布、裁剪、印繡花、縫制、整燙、磨練、包裝7個過程[2]。生產(chǎn)線主要是完成7個過程中的縫制工藝。縫制工藝把服裝的縫制過程拆解成多個工序，并將工序按照加工順序編號分給相應(yīng)的工作站。同一個工序可由多個工作站加工，一個工作站可以加工不同的工序。工作站都有一個ZigBee節(jié)點(diǎn)，各個工作站ZigBee節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)，加工過程中，工作站通過無線網(wǎng)絡(luò)將加工過程的相關(guān)信息匯總到ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器利用串口通信上傳到生產(chǎn)線管理系統(tǒng)，具體實現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 服裝生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 Flow chart of garment production process

文中涉及到的吊架代表一件服裝的加工過程，吊架上掛滿單件服裝加工需要的裁剪布料。每個吊架都貼有一個125 kHz低頻RFID標(biāo)簽，RFID閱讀器讀到的標(biāo)簽ID號即為吊架ID。工作站的數(shù)量根據(jù)需要自由設(shè)定，工作站可以設(shè)置成準(zhǔn)備站、加工站、管理站、結(jié)束站4種屬性，一條流水線必須有一個準(zhǔn)備站和結(jié)束站，加工過程中加工站和管理站可以相互切換。

1.2 工作站工作原理

工作站控制系統(tǒng)原理如圖2所示。設(shè)計將控制系統(tǒng)分成進(jìn)站、加工、出站3個過程，圖中虛線框表示3個過程。進(jìn)站各有一個閱讀器R1、繼電器J1和光電開關(guān)S1。吊架在環(huán)形的軌道行進(jìn)時，R1讀取經(jīng)過吊架的ID，如果吊架此時需要加工的工序與工作站設(shè)定加工工序匹配，J1動作，氣動閥V1打開，吊架進(jìn)入工作站待加工區(qū)，S1感應(yīng)后，記錄待加工區(qū)內(nèi)吊架的數(shù)量，待加工區(qū)內(nèi)吊架累計數(shù)量超過設(shè)定上限，吊架將不再進(jìn)入此工作站。吊架處于加工過程時，操作工人完成此吊架加工后，按下按鈕B，繼電器J2和J3同時動作，氣動閥V2和氣動閥V3打開，待加工區(qū)一個吊架進(jìn)入加工區(qū)，加工完畢的吊架經(jīng)過提升機(jī)進(jìn)入待出站區(qū)，光電開關(guān)S2感應(yīng)，工作站中吊架總數(shù)減少一個。如果光電開關(guān)S3檢測經(jīng)過吊架推頭為空位，那么繼電器J4動作，氣動閥V4打開，吊架重新進(jìn)入軌道，閱讀器R2讀取吊架的ID。隨著出站過程的結(jié)束，吊架進(jìn)入下一個工序的加工過程，如圖中虛線箭頭所示。其中，觸摸屏作為人機(jī)交互界面用來設(shè)置工作站，同時，工作站通過ZigBee構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)線管理系統(tǒng)通信。

圖2 工作站控制系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of the workstation control system

2 工作站設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件

工作站的硬件設(shè)計主要包括工作站控制核心、工作站ZigBee節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器3部分。其中ARM微處理器STM32F103VET6作為工作站的主控制器，ZigBee部分采用無線射頻收發(fā)芯片CC2530。

2.1.1 工作站控制核心

STM32采用ARM最新的Cortex-M3內(nèi)核，處理速度最高可達(dá)72 MHz，RSIC指令結(jié)構(gòu)減少了開發(fā)難度。STM32具有豐富的外設(shè)資源：滴答時鐘Systick、FSMC 液晶屏接口、3 路 USART、2路 SPI等[3]。依靠STM32強(qiáng)大的硬件資源，設(shè)計很方便地在其外圍電路中擴(kuò)展了顯示模塊、通信模塊、普通I/O輸入輸出模塊。

根據(jù)工作站的功能與工作原理，完成如下所示電路設(shè)計。

（1）顯示模塊：STM32中 FSMC接口管腳與液晶控制芯片SSD1963相連，對液晶進(jìn)行續(xù)寫操作；SPI1總線實現(xiàn)對觸摸芯片ADS7843的控制。

（2）通信模塊：STM32的 PA2和 PA3與 ZigBee的P0_2和P0_3直接相連實現(xiàn)串口通信；RFID閱讀器讀寫是通過485總線產(chǎn)生的，所以USART1首先要經(jīng)過MAX485芯片將TTL邏輯電平轉(zhuǎn)換成RS-485邏輯電平，同時，USART1和閱讀器是一對三的關(guān)系，USART1依次對3個閱讀器進(jìn)行讀寫。

2.1.2 CC2530電路

CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案，同時，CC2530結(jié)合了德州儀器在業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧（Z-StackTM），提供了一個強(qiáng)大和完整的ZigBee解決方案[4]。本系統(tǒng)中射頻電路都是由TI官方提供，ZigBee協(xié)調(diào)器與管理系統(tǒng)通信都是通過串口產(chǎn)生的，所以采用MAX232CE進(jìn)行串口電平轉(zhuǎn)換。協(xié)議棧默認(rèn)配置P0_2作為RX端，P0_3作為TX端。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 基于μC/OS-II的軟件實現(xiàn)

μC/OS-II[5]是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，絕大部分代碼是用C語言編寫的，包含小部分匯編代碼，使之可供不同架構(gòu)的微處理器使用?；赟TM32的μC/OSII操作系統(tǒng)的內(nèi)部架構(gòu)從底層到上層依次為硬件層、驅(qū)動程序?qū)?、嵌入式操作系統(tǒng)層和應(yīng)用程序?qū)?，如圖3所示。

圖3 工作站系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)Fig.3 Inner architecture of the workstation

μC/OS-II系統(tǒng)初始化是通過調(diào)用OSInit（）實現(xiàn)的。OSInit（）初始化μC/OS-II所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和所有變量，建立空閑任務(wù)OS_TaskIdle（）。通過調(diào)用OSStart（）啟動μC/OS-II操作系統(tǒng)，創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)體，分配任務(wù)棧。傳遞任務(wù)地址、堆棧地址和優(yōu)先級，在main（）中完成啟動流程和任務(wù)運(yùn)行前的STM32外部硬件初始化和用于實現(xiàn)任務(wù)間通信的事件控制塊的初始化。

該工作站的軟件體系基于STM32硬件平臺，首先進(jìn)入Bootloader程序，上電后首先運(yùn)行Bootloader，實現(xiàn)硬件設(shè)備初始化，為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備，引導(dǎo)程序使用vboot。然后初始化μC/OS-II操作系統(tǒng)，調(diào)用應(yīng)用程序。應(yīng)用層程序主要有：顯示任務(wù)、數(shù)據(jù)通信任務(wù)、普通I/O輸入輸出任務(wù)等。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 工作站軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of workstation software

μC/OS-II是按照系統(tǒng)中一個CPU設(shè)計的，在這種系統(tǒng)中，只能有一個任務(wù)在具體時刻會占用CPU運(yùn)行，而其他任務(wù)只能進(jìn)入睡眠狀態(tài)、就緒狀態(tài)、等待掛起狀態(tài)或被中斷狀態(tài)。在操作系統(tǒng)的管理下，一個任務(wù)可以在這5個狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換。以顯示任務(wù)為例，其轉(zhuǎn)換過程如圖5所示。

圖5 顯示任務(wù)的轉(zhuǎn)化過程圖Fig.5 Transformation process diagram of the display task

嵌入式系統(tǒng)CPU競爭有時間片輪詢和搶占式2種，μC/OS-II采用搶占式。μC/OS-II最多可以創(chuàng)建64個任務(wù)，所以優(yōu)先級有64級，用0～63表示，數(shù)字越小，優(yōu)先級級別越高，不建議使用優(yōu)先級最高4個和最低4個，所以用戶可以有56個自己的任務(wù)。系統(tǒng)的各個任務(wù)優(yōu)先級分配與任務(wù)說明如表1所示。2.2.2 ZigBee軟件編寫

表1 系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級分配與說明Tab.1 Distribution and instructions of system task priority

圖6為協(xié)調(diào)器和工作站的ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件實現(xiàn)流程圖[6]。

圖6 ZigBee軟件設(shè)計Fig.6 Design of the ZigBee software

（1）在無線網(wǎng)絡(luò)中只有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器上電后，首先完成初始化。網(wǎng)絡(luò)建立成功后，工作站ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求，協(xié)調(diào)器認(rèn)證后允許節(jié)點(diǎn)加入，至此整個無線網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建成功。協(xié)調(diào)器Zig-Bee按照100 ms周期接收PC下傳數(shù)據(jù)幀，按照數(shù)據(jù)幀中工作站編號將數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)站點(diǎn)的Zig-Bee節(jié)點(diǎn)，同時讀取工作站ZigBee節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)幀，最后將數(shù)據(jù)幀上傳到PC。

（2）工作站ZigBee加入網(wǎng)絡(luò)后，按周期接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，STM32只有接收到PC數(shù)據(jù)幀后才會將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幀通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳到PC。

3 生產(chǎn)線管理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)庫后臺

數(shù)據(jù)庫使用微軟公司的SQL Server 2008開發(fā)，SQL Server 2008是一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。根據(jù)流水線需求，建立數(shù)據(jù)庫Cloth。Cloth中主要包含3類表：員工信息、生產(chǎn)任務(wù)、生產(chǎn)統(tǒng)計。

表T_ShelfDynamic主要負(fù)責(zé)連接員工信息、生產(chǎn)任務(wù)、生產(chǎn)統(tǒng)計3類表。生產(chǎn)過程中，吊架加工過程動態(tài)更新數(shù)據(jù)都會通過T_ShelfDynamic更新到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中，T_ShelfDynamic如表2所示。

表2 T_ShelfDynamic表Tab.2 T_ShelfDynamic table

3.2 前臺界面

C#作為前臺界面開發(fā)語言，結(jié)合ASP.NET技術(shù)，采用C/S軟件體系構(gòu)建3層架構(gòu)，開發(fā)工具為微軟公司的Visual Studio 2010。DbHelperSQL類是由代碼生成軟件生成的，封裝了一些對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的讀取、查詢等方法，主要體現(xiàn)一種3層架構(gòu)的思想。項目中的MangerSystem、MangerSystem.BLL和MangerSystem.DAL分別對應(yīng)3層架構(gòu)中的表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。根據(jù)服裝加工工藝的需要，前臺界面包括系統(tǒng)、設(shè)置、監(jiān)測、統(tǒng)計和日志5個一級菜單，前臺界面構(gòu)成如圖7所示。

4 結(jié)語

圖7 前臺界面結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Structure diagram of foreground interface

基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的服裝生產(chǎn)線，結(jié)合ZigBee技術(shù)、服裝加工技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實現(xiàn)了服裝加工縫制工藝的全過程，采用無線傳輸數(shù)據(jù)的方法，使數(shù)據(jù)傳輸變得更加方便。同時，以工作站作為獨(dú)立單元，配合PC管理軟件，組成一條生產(chǎn)線，結(jié)構(gòu)簡單，可根據(jù)需要任意調(diào)整工作站的數(shù)量，具有良好的推廣價值。此外，本方案還可以進(jìn)行二次開發(fā)，增加手持設(shè)備客戶端，企業(yè)管理者和用戶通過手機(jī)、iPad等設(shè)備遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)庫，了解加工信息。

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