光纜生產(chǎn)設(shè)備信息采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

蘇 濤，楊永杰，祁 楠

（南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，南通 226019）

我國線纜企業(yè)經(jīng)多年的技術(shù)改造和設(shè)備引進，生產(chǎn)自動化水平基本達到國際水平。在生產(chǎn)管理方面，已初步建立了以企業(yè)資源計劃系統(tǒng)ERP（enterprise resource planning）為核心的管理信息系統(tǒng)[1]。但由于我國多數(shù)光纜生產(chǎn)設(shè)備信息采集采用人工方式，效率低下[2]；部分生產(chǎn)廠家雖采用智能數(shù)據(jù)采集方法，但往往采集的數(shù)據(jù)種類單一，不能形成一套完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；且由于車間設(shè)備多，需傳輸?shù)男畔⒘枯^大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。

本文提出了光纜生產(chǎn)設(shè)備信息采集系統(tǒng)的設(shè)計方案。其創(chuàng)新點在于基于Cortex-M3微處理器，借助WiFi技術(shù)、RFID技術(shù)和RS-485通信，將采集終端、客戶端和服務(wù)器由WiFi網(wǎng)絡(luò)共建于一體，組成一個功能完善的系統(tǒng)，實現(xiàn)對工人上下班信息和生產(chǎn)車間設(shè)備使用運行情況的自動采集、存儲與展示。同時軟件設(shè)計對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用相關(guān)算法處理，有效避免了數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定和易受干擾問題。由于數(shù)據(jù)采集終端與接收端以無線通信形式互聯(lián)，因此具有節(jié)省線路成本和終端布置靈活的特點。

1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System overall structure diagram

數(shù)據(jù)采集層轉(zhuǎn)速采集終端使用LJ12A3型接近開關(guān)作為轉(zhuǎn)速傳感器實時獲取設(shè)備轉(zhuǎn)速，電表采集終端從電表上的RS485通訊接口實時讀取表中數(shù)據(jù)，考勤采集終端通過RFID讀取員工卡中信息，各個采集終端通過SD2405芯片獲取系統(tǒng)時間。

數(shù)據(jù)傳輸層采集終端獲取相應(yīng)信息后，對信息進行分類組成發(fā)送數(shù)據(jù)幀，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)幀傳送至服務(wù)器，存儲于數(shù)據(jù)庫中，以供管理人員查詢分析。

數(shù)據(jù)管理層將采集終端、服務(wù)器和客戶端構(gòu)建于一個局域網(wǎng)中，并為每個采集終端分配獨立的IP地址，IP地址與服務(wù)器在同一子網(wǎng)中。管理人員通過登錄客戶端收發(fā)模塊，實時監(jiān)控各個設(shè)備的運行狀況和工人上下班信息，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的智能遠程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采集終端包括轉(zhuǎn)速采集、電量采集、射頻識別（考勤采集），其主要功能：①可靠、準(zhǔn)確地采集相關(guān)數(shù)據(jù)；②在預(yù)定時間點或接受相關(guān)指令時傳送數(shù)據(jù)；③檢查數(shù)據(jù)傳輸是否正常和設(shè)備是否正常工作，并及時以指示燈告警。

2.1 轉(zhuǎn)速采集終端

采集終端采用模塊化設(shè)計方法，且模塊間可任意組合。轉(zhuǎn)速采集模塊硬件部分主要包括：Cortex-M3微處理器模塊、LJ12A3型接近開關(guān)、USR-WIFI232無線收發(fā)模塊、SD2405時鐘芯片模塊、LCD液晶模塊等。其硬件具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、性能穩(wěn)定和自動化程度高等特點。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速采集模塊硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram of speed acquisition module

2.1.1 核心芯片

基于成本、性能和功耗等方面考慮，本系統(tǒng)采集終端核心芯片選用意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的STM32F103VET6微處理芯片，該MCU基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功耗特點，且擁有豐富的片上資源[3]，滿足各模塊的設(shè)計要求。

2.1.2 通信模塊

為了節(jié)省線路成本、增強終端布置的靈活性，數(shù)據(jù)終端和數(shù)據(jù)接收端以WiFi通信形式互聯(lián)。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，WiFi模塊與服務(wù)器端采用TCP方式通信。其配置通過網(wǎng)頁配置來實現(xiàn)：設(shè)置參數(shù)有無線網(wǎng)絡(luò)名稱、加密方式、密鑰、串口通信協(xié)議、客戶端和服務(wù)端，還需設(shè)置服務(wù)器的IP地址和端口號[4]。其中，串口通信協(xié)議的配置和主控芯片的串口配置要一致。配置完成后，即建立了采集終端與遠程服務(wù)器的TCP通信鏈路[5]。

2.1.3 傳感器選擇

選用LJ12A3型接近開關(guān)作為轉(zhuǎn)速傳感器，獲取設(shè)備的實時轉(zhuǎn)速。LJ12A3型接近開關(guān)具有功耗低、壽命長和穩(wěn)定性強等特點。從頻譜分析理論可知，接近開關(guān)不受各種驅(qū)動系統(tǒng)、繼電開關(guān)、電磁閥等造成的電磁干擾影響，具有很好的抗干擾能力[6]。接近開關(guān)的響應(yīng)頻率一般為幾百赫茲，在測量單齒轉(zhuǎn)速時，即n=1，以頻率f=300 Hz為例，則最高可測的轉(zhuǎn)速為

可滿足大多數(shù)旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的測速要求。供電電壓為3～30 V，可直接與嵌入式系統(tǒng)接口相連。

2.2 電量采集終端

該采集終端涉及電表數(shù)據(jù)輸出接口協(xié)議分析，多電表間的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)處理和多機通信機制等知識，其設(shè)計是繁瑣的，也是非常重要的。電量采集終端同樣采用STM32F103VET6為核心芯片，還包括USRWIFI232無線收發(fā)模塊、LCD液晶模塊等。廠區(qū)使用的PZ162L型數(shù)字電表集成了RS-485通信協(xié)議，因此設(shè)計中使用MAX485接口芯片作為通訊芯片。

通訊芯片選用低功耗、通訊距離遠、成本低廉的MAX485收發(fā)器。MAX485采用單一電源+5 V工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式，可實現(xiàn)最高2.5 Mb/s的傳輸速率。采用RS-485串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模干擾的能力[7]。且電路設(shè)計簡單，控制方便。

2.3 射頻識別終端

該采集終端包括Cortex-M3微處理器模塊、LCD模塊、WiFi模塊和第三方讀卡模塊TJDZRC522 RFID等。TJDZ-RC522 RFID模塊用于讀取員工卡中信息，選用MiFare one識別卡為員工卡，使用前需進行注冊，將員工相關(guān)信息寫入卡內(nèi)。RFID讀卡模塊用于工人上下班刷卡使用，不僅作為考勤的參考，同時也保證了對采集終端操作的合法性。

其中TJDZ-RC522 RFID模塊采用先進的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，通信頻率為106 kb/s，可與兼容ISO 14443A/MIFARE的卡進行非接觸式通信，具有SPI、UART、I2C 3種接口方式[8]，本設(shè)計采用SPI方式。TJDZ-RC522 RFID模塊只有8個引腳，大大簡化了硬件接口設(shè)計。圖3為該模塊與主控芯片的連接圖。

圖3 TJDZ-RC522與主控芯片的連接圖Fig.3 Connection diagram of TJDZ-RC522 and master chip

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括信息采集終端軟件、監(jiān)控中心服務(wù)器收發(fā)軟件和數(shù)據(jù)傳輸算法設(shè)計。

3.1 轉(zhuǎn)速采集終端

該采集終端的軟件功能為采集光纜設(shè)備實時轉(zhuǎn)速信息，同時獲取系統(tǒng)時間，并將相關(guān)數(shù)據(jù)組幀經(jīng)WiFi網(wǎng)絡(luò)傳送至服務(wù)器端，整個數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計在uVision4開發(fā)環(huán)境下完成。其軟件主要設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速采集終端軟件流程圖Fig.4 Software flow chart of speed collection terminal

在定時中斷服務(wù)子程序流程中，每當(dāng)時間累計到1 min時，先獲取當(dāng)前時間T，再進行轉(zhuǎn)速的采集，對于單齒齒輪，轉(zhuǎn)速計算公式為

式中：r為轉(zhuǎn)速，r/min；N為接近開關(guān)每分鐘開關(guān)的累積次數(shù)。

對于多齒齒輪，假設(shè)齒輪一圈均勻分布n個齒，則轉(zhuǎn)速r為

LCD將實時顯示轉(zhuǎn)速r和時間T，以便維修人員查看。在轉(zhuǎn)速發(fā)送過程中，先將當(dāng)前轉(zhuǎn)速r與前1 min的轉(zhuǎn)速rb比較，其差值須超過設(shè)定的偏差閾值才組幀發(fā)送。這樣可以在保證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。

3.2 電量采集終端

該模塊整體設(shè)計方案為系統(tǒng)初始化后，檢測電表的編號與個數(shù)（如需增加電表，只需重啟終端，就可檢測到新添加的電表的編號并重新統(tǒng)計電表個數(shù)，這使得設(shè)計具有一定的自動化功能），終端在指定時間間隔檢測電表電流值，若電流值未超過電流閾值，則指示燈告警，確保設(shè)備的正常運行。其軟件設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 電量采集終端軟件流程Fig.5 Software flow chart of electricity collection terminal

3.3 考勤采集終端

軟件設(shè)計包括UART初始化、LCD初始化、SD2405初始化、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)、數(shù)據(jù)組幀函數(shù)、WiFi模塊的配置等，由于與其它采集終端選用同樣的核心處理芯片，程序移植方便，減少了代碼維護的難度。當(dāng)卡片進入讀卡器天線作用范圍時，卡片獲得能量以維持卡內(nèi)部電路操作，主控芯片將控制讀卡器進行一系列“尋卡→防沖突→選卡→讀卡”操作[9]后，讀取到卡片上的工人信息；然后通過WiFi模塊將工人信息等組幀發(fā)送至服務(wù)器。具體設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 考勤采集終端軟件設(shè)計流程Fig.6 Software flow chart of attendance collection terminal

3.4 服務(wù)器端軟件設(shè)計

服務(wù)器數(shù)據(jù)收發(fā)軟件的功能主要是監(jiān)測TCP端口是否有采集終端送來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析正確后存入數(shù)據(jù)庫對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，然后回送信息給發(fā)送端。軟件采用Visual Basic作為開發(fā)環(huán)境，為了能夠監(jiān)測到多路數(shù)據(jù)，在界面設(shè)計中建立了Winsock控件[10]數(shù)組，以便根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接端口的變動靈活調(diào)整，而且增加了ADO組件有利于高效訪問SQL數(shù)據(jù)庫。當(dāng)有新的連接請求時，就以控件數(shù)組形式自動添加Winsock控件來完成TCP方式的連接。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接成功后，有數(shù)據(jù)到來時就觸發(fā)Sock_DataArrival事件，將接收到的數(shù)據(jù)進行驗證和分類，判斷其是轉(zhuǎn)速信息、電量信息還是其它信息；再將不同類型數(shù)據(jù)存入對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，并通過該網(wǎng)絡(luò)端口回送驗證信息。

3.5 數(shù)據(jù)傳輸算法設(shè)計

各個采集終端在傳輸數(shù)據(jù)時，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和抗干擾能力，對數(shù)據(jù)進行分類組成發(fā)送數(shù)據(jù)幀，包括每幀數(shù)據(jù)的起始符和結(jié)束符，用于檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，若接收不完整則進行二次發(fā)送和二次驗證，若仍未收到回送信息，則將數(shù)據(jù)存入暫存區(qū)，并以指示燈告警；同時采用校驗法，即在每幀數(shù)據(jù)結(jié)束符后加一位校驗位，在接收端檢測是否與發(fā)送端的校驗位一致，若不同則發(fā)送端得到相應(yīng)指令重新發(fā)送數(shù)據(jù)。經(jīng)上述算法處理，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和抗干擾能力得到進一步加強。

4 測試結(jié)果

該系統(tǒng)已經(jīng)在中天日立光纜有限公司進行了一系列現(xiàn)場測試和使用，其中轉(zhuǎn)速采集模塊共安裝22個，電量采集模塊共安裝3個，用于采集廠區(qū)所有生產(chǎn)線設(shè)備對應(yīng)的18個電表信息，考勤采集模塊共安裝2個。圖7為服務(wù)器端收發(fā)模塊。

圖7 服務(wù)器端收發(fā)模塊Fig.7 Server-side transceiver module

為便于觀察，每種采集終端各測試5組數(shù)據(jù)，如圖7中消息顯示區(qū)所示。第1組數(shù)據(jù)中，“10.1.90.56”為采集終端的IP地址，每個采集終端都有獨立的IP地址，“2713”為端口號，端口號后面為采集終端傳輸至服務(wù)器的數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀格式為：*#<系統(tǒng)時間/12位>#<類型編碼/1位>#<數(shù)據(jù)1>*<數(shù)據(jù) 2>…*<數(shù)據(jù) n>#&。 每幀數(shù)據(jù)中，“*”“&”分別為起始和終止符，用于判斷數(shù)據(jù)接收的完整性。數(shù)據(jù)類型用“#”隔開。類型編碼中，“C”代表轉(zhuǎn)速，“A”代表考勤，“D”代表電量。“201409010704”表示采集時間為2014年9月1日7點4分。“119”為設(shè)備轉(zhuǎn)速，單位：r/min。 第6組數(shù)據(jù)中，“001629”為員工工號，“100”中第一位數(shù)字表示上下工狀態(tài)（0表示下工，1表示上工），第二位數(shù)字表示早、中、晚班（0表示早班，1表示中班，2表示晚班），第三位數(shù)字表示上下工的狀態(tài)（0表示正常，1表示遲到，2表示早退）。第11組數(shù)據(jù)中，“03”為電表編號，即電表內(nèi)部的 ID 號，“020933”為電量消耗，單位 k·Wh，需要除以10，即實際電量為2093.3 k·Wh。采集的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)信息完全一致，其成功率、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實時性都很好地達到了系統(tǒng)設(shè)計的最初要求。

5 結(jié)語

本文提出的光纜生產(chǎn)設(shè)備信息采集系統(tǒng)，采集終端各司其職，由WiFi網(wǎng)絡(luò)共建于一體，并與客戶端及服務(wù)器共同組成一個功能完善的系統(tǒng)，借助WiFi技術(shù)、RFID技術(shù)和RS-485通信技術(shù)，實現(xiàn)了信息采集的自動化，解決了目前光纜生產(chǎn)設(shè)備信息采集存在的不足。通過現(xiàn)場測試和中天日立光纜有限公司的使用情況得出結(jié)論：該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，且具有成本低、布置靈活等特點，還具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強的優(yōu)勢。該系統(tǒng)不僅能夠為設(shè)備的及時維護提供保障，還可使管理者和維護者能夠及時準(zhǔn)確掌握設(shè)備運行情況及工人上下班信息，有效地提高了企業(yè)生產(chǎn)管理水平。

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