織機無線監(jiān)控管理系統(tǒng)的研發(fā)

劉 望，常 波

(西安工程大學 計算機科學學院，陜西 西安 710048)

織機無線監(jiān)控管理系統(tǒng)的研發(fā)

劉 望，常 波

(西安工程大學 計算機科學學院，陜西 西安 710048)

針對紡織企業(yè)生產信息化、數字化和網絡化發(fā)展需要，為實現對織機的實時監(jiān)控管理，采用單片機、無線通訊和數據庫技術研發(fā)了用于各種劍桿織機的、集監(jiān)控和管理為一體的實時信息監(jiān)控管理系統(tǒng)。通過數據采集終端和無線發(fā)射模塊對織機的信息進行實時采集和傳輸，服務器端實現對織機的狀態(tài)、產量、效率等信息的統(tǒng)計分析，在監(jiān)控中心進行人機界面展示。闡述了系統(tǒng)結構、數據采集終端硬件和軟件的設計實現，系統(tǒng)功能模塊、數據庫設計等；實現了對織機生產信息的實時跟蹤和統(tǒng)計分析，可提高紡織企業(yè)的生產效率和管理水平，為企業(yè)生產計劃提供科學指導。

劍桿織機；無線通訊；監(jiān)控管理；系統(tǒng)研發(fā)

紡織廠有不少工序是設備多、人員多，由人工抄表、制表，人工統(tǒng)計和匯總，管理水平較落后[1]。這不僅效率低下、容易出錯，還浪費人力資源，難以實現設備的整體管理。為解決紡織企業(yè)生產管理問題和提高企業(yè)數字化、信息化水平，有研究提出了基于C/S模式的織機監(jiān)測系統(tǒng)設計，此系統(tǒng)采用RS485總線作為上位機和下位機之間的通信方式，由于采用有線方式連接，靈活性差，不易于擴展和維護[2]；而提出基于CAN總線的噴氣織機監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現，成功地實現了對噴氣織機生產數據的采集、處理、分析和應用[3]；對采用無線網絡技術及傳感器技術，設計的一種基于ZigBee技術的分布式織機在線監(jiān)控系統(tǒng)，實現了織機運行參數和故障的實時監(jiān)控[4]，但也存在著數據通信速率較低,無法直接接入有線網絡,系統(tǒng)擴展困難,使用范圍較小等缺點。為此本文采用無線通訊技術研發(fā)了劍桿織機監(jiān)控管理系統(tǒng)，相比織機的有線監(jiān)控系統(tǒng)無需耗時長、費用高的布線施工，解決了現場布線困難問題[5]；并且無線監(jiān)控系統(tǒng)安裝簡單，容易調試，維護方便，從而降低了企業(yè)使用成本，提高了企業(yè)的市場競爭力和數字化、信息化管理水平[6]。

1 系統(tǒng)整體方案設計

1.1 系統(tǒng)總體結構

整個織機無線監(jiān)控管理系統(tǒng)的總體結構由數據采集終端、數據庫服務器、監(jiān)控中心等組成，如圖1所示。數據采集終端主要包括各種傳感器、單片機和無線發(fā)射模塊；數據庫服務器主要包括SQLServer2005數據庫和監(jiān)控系統(tǒng)；監(jiān)控中心主要包括人機界面等。

1.2 無線監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

數據采集終端集成的ATK-RM04模塊采用串口(RS232/LVTTL)與MCU(或其他串口設備)通信，內置TCP/IP協(xié)議棧，具有TCP/IP數據傳輸功能，能夠實現用戶串口、以太網、無線網(WIFI)3個接口之間的轉換。通過ATK-RM04無線模塊，實現串口數據與TCP數據相互轉換，并通過WIFI進行實時數據雙向傳輸。

織機無線監(jiān)控過程實質上是ATK-RM04模塊和監(jiān)控系統(tǒng)的通訊過程。監(jiān)控系統(tǒng)和數據采集終端采用的是主從式輪詢方式進行訪問，由監(jiān)控系統(tǒng)按一定時間周期輪詢來對各個采集終端進行主動請求連接。若連接成功，數據采集終端即可向監(jiān)控系統(tǒng)傳輸數據，并一直保持通訊連接；如果出現連接失敗或中斷，監(jiān)控系統(tǒng)將在一定時間間隔內重新與數據采集終端握手。數據采集終端將采集到的數據通過串口傳輸到ATK-RM04模塊，該模塊將串口數據封裝成TCP包格式，通過WIFI和Internet透明傳輸到監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)對收到的數據進行解析和存儲；反之，當數據采集終端收到監(jiān)控系統(tǒng)傳輸過來的TCP包時，ATK-RM04模塊將TCP數據轉換為串口數據，對其串口數據進行解析并取出數據內容，再執(zhí)行相應的命令操作。無線監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

2 數據采集終端設計與實現

2.1 硬件設計與實現

2.1.1 硬件電路設計與實現

根據無線監(jiān)控系統(tǒng)的結構和工作原理，設計硬件電路接口如圖3所示。數據采集終端的主要硬件包括單片機、傳感器、轉換器、電源、RS485接口、ATK-RM04無線模塊等。為了滿足織造車間現場的復雜環(huán)境和實現對織機信號的實時采集、數據傳輸與通訊等多方面的要求，本數據采集終端的核心處理器采用了STM32F407ZGT6芯片。該芯片由ST公司生產，采用ARM Cortex-M4內核為核心，帶有FPU的ARM32位Cortex-M4 CPU、在Flash存儲器中實現零等待狀態(tài)運行性能的自適應實時加速器(ART加速器)，主頻高達168 MHz，具有DSP指令集；較之STM32F1/F2等Cortex-M3產品，STM32F4最大的優(yōu)勢，就是新增了硬件FPU單元及DSP指令，同時具有多達140個具有中斷功能的I/O端口和15個通信接口，擁有低功耗、超強抗干擾功能，可應用與工業(yè)控制、強干擾場合等。

2.1.2 數據采集電路設計與實現

整個開發(fā)板的電路設計是按照模塊化進行設計實現的，數據采集終端包括電源模塊、輸入信號模塊、高速通道采集模塊、電壓轉換模塊、接口模塊、AD轉換模塊等。輸入信號模塊用來連接織機的電信號，通過8根數據線連接織機的打緯信號、打緯地信號、經停信號、緯停信號、其他停信號、緯停地信號、經停地信號、其他停地信號。輸入接口主要用于完成獲取織機運行狀態(tài)和開/停信號。

A/D轉換模塊采用的是AD574轉換器，該轉換器是AD公司的產品，屬12位逐位逼近式帶三態(tài)輸出緩沖器的A/D轉換器，可直接與微機總線連接，采用28腳雙列直插式封裝[7]。A/D轉換器主要用于實現將采集到的織機模擬信號轉換為數字信號。

2.2 軟件設計與實現

數據采集終端采用中斷方式獲取織機電平信號的變化，中斷使用GPIO外部中斷方式來實現；由于每一個電信號都是一個脈沖信號，在程序設計上采用了下降沿中斷，即脈沖信號下降時產生中斷，有利于對織造信號的計數[8]。實現GPIO中斷的過程如下：

(1)GPIO設置，初始化配置GPIO，主要代碼如下所示：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;

GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);

GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOD, GPIO_PinSource3);

(2)中斷初始化

EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOD, GPIO_PinSource4);

(3)編寫中斷處理函數

voidGPIO_Port_ISR(void)

{

GPIOPinIntClear(GPIO_PORTB_BASE．KEY4);

Loom_info．run_count++;

GPIOPinWrite(GPIO_PORTA_BASE，LED3，～LED3);

}

為了保證能實時準確地采集到織機電平信號，程序中采用了定時器中斷，定時器中斷的代碼如下：

void Timer0A_ISR(void)

{

TimerIntClear(TIMER0_BASE，TIMER_TIMA_TIMEOUT);

TimerEnable(TIMER0_BASE，TIMER_A);

loom_info.speed=loom_info．run_count+12;

rst=tcp_send(TcpPcb，tcp_bf);

if(rst)

loom_info.run_count=O;

}

3 監(jiān)控管理系統(tǒng)設計與實現

3.1 系統(tǒng)功能模塊設計

根據系統(tǒng)整體功能需求分析，其功能模塊主要包括系統(tǒng)管理、基礎信息管理、實時監(jiān)控跟蹤、數據統(tǒng)計分析、異常狀態(tài)挖掘分析等模塊。

(1)系統(tǒng)管理 系統(tǒng)管理模塊又包括一些子模塊如參數設置、用戶管理、權限管理、日志管理、系統(tǒng)退出等，通過設置用戶權限，能有效保證系統(tǒng)的安全性和數據的完整性、一致性和安全性，從而保證系統(tǒng)的正常運行。

(2)基礎信息管理 基礎信息管理模塊主要包括品種信息、織機信息、班次及輪班信息、員工信息、合同訂單信息管理等子模塊，這些模塊確保了系統(tǒng)的信息完整性和統(tǒng)計信息的關聯(lián)性。

(3)實時監(jiān)控跟蹤 這主要包括織機的實時狀態(tài)、實時數據、產量、生產效率等跟蹤子模塊，主要實現對織機執(zhí)行狀態(tài)和進度狀態(tài)進行實時跟蹤，對織機實時數據如車速、效率進行曲線圖形式顯示；統(tǒng)計車間織機開臺數，便于從整體上了解車間開臺情況和對織機的生產調度。

(4)統(tǒng)計分析 實現對實時采集的運行狀態(tài)數據進行表層數據處理，一方面提供查詢、統(tǒng)計匯總、制表、趨勢分析和對比分析等，另一方面為上層管理者提供決策依據。

(5)異常生產狀態(tài)分析 主要包括異常生產狀態(tài)分析和停車時間分析等子模塊，主要實現對織機生產過程中出現的異常狀態(tài)結合“人、機、環(huán)、法、料”五因素進行全方位綜合分析；對織機停車時間進行分析，便于找出停車時間長的機臺，分析原因及時維修。

3.2 數據庫關鍵技術

在無線監(jiān)控管理系統(tǒng)中，數據庫管理系統(tǒng)采用的是SQL Server2005，無線監(jiān)控管理程序開發(fā)工具采用的是VS2013。

3.2.1 數據庫設計

根據對山東某紡織廠的現場調研和系統(tǒng)需求分析，表明系統(tǒng)涉及的數據類型、表結構關聯(lián)復雜[9]，必須通過織機、品種等實體進行關聯(lián)。其最主要的是織機實體，其中組崗劃分、產量及效率統(tǒng)計、監(jiān)控等都與織機相關。受篇幅所限，直接給出織機實體與其他實體的關聯(lián)關系如圖4所示。

3.2.2 數據庫訪問技術

無線監(jiān)控管理系統(tǒng)采用ADO技術對數據庫服務器進行訪問，在MFC應用程序中有兩種方法采用ADO對數據庫操作，一種是使用ActiveX控件，另一種是使用ADO對象。由于使用ActiveX控件操作數據庫存在效率低、開發(fā)人員對程序控制較弱的不足[10]，因此采用了ADO對象對數據庫操作，其操作步驟如下：

(1)在建立的無線監(jiān)控管理系統(tǒng)項目stdafx.h頭文件中引入ADO；通過#import指令導入msado15.dll文件來定義ADO庫。

(2)在數據庫操作類的頭文件中聲明如下3個對象：_ConnectionPtr和_RecordSetPtr和_CommandPtr。Connection對象表示了到數據庫的連接，它管理應用程序和數據庫之間的通信；RecordSet對象表示執(zhí)行SQL命令的返回結果集；Command對象被用來處理重復執(zhí)行的查詢，或處理需要檢查在存儲過程調用中的輸出或返回參數值的查詢。

(3)編寫實際操作完成對數據庫的訪問。

(4)操作數據庫完成后，關閉連接并釋放對象。

4 結語

利用STM32F407ZGT6芯片和ATK-RM04無線發(fā)射模塊等，實現了對織機電平信號的實時采集與傳輸；采用無線通信技術和數據庫技術等對采集的大量數據信息進行傳輸和存儲，實現了不同型號織機的智能監(jiān)控與統(tǒng)一管理，為提高紡織企業(yè)的數字化、信息化水平奠定了基礎。下一步的工作就是充分挖掘、分析采集的大量數據信息，找出關聯(lián)規(guī)則，解決企業(yè)“數據豐富，知識匱乏”問題，為企業(yè)生產、決策、調度提供充足依據。

[1] 陳金廣，馬麗麗，李建成.織機監(jiān)測信息系統(tǒng)的分析與設計[J].紡織導報，2010，(2)：49-52.

[2] 邵景峰.基于C/S模式的織機監(jiān)測與管理系統(tǒng)[J].紡織機械，2007，(5)：27-28.

[3] 李 娜.噴氣織機數據采集及管理系統(tǒng)[D].天津：天津工業(yè)大學，2006.

[4] 董方武.基于ZigBee的分布式織機運行監(jiān)控系統(tǒng)[J].紡織學報，2009，30(9)：115-118.

[5] 吳小艷，肖衛(wèi)兵.基于無線通訊技術的劍桿織機監(jiān)控系統(tǒng)[J].紡織科技進展，2012，(3)：37-39.

[6] 郭朋飛，陳 波，韓 祥.基于MODBUS協(xié)議的新型無線織機自動化監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].國際紡織導報，2014，(11)：16-23.

[7] 張慰兮.微型計算機原理、接口及應用[M].南京：南京大學出版社，2005.

[8] 羅東升.織機實時織造信息管理系統(tǒng)的研發(fā)與應用[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2014.

[9] 馬麗麗，陳金廣.織機在線監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術研究[J].紡織導報，2011，(3)：66-68.

[10]李 磊.基于TCP/IP的提花毛皮編織監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].南昌：南昌航空大學，2012.

Research and Development of Loom Wireless Monitored and Management System

LIU Wang, CHANG Bo

(School of Computer Science, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China)

According to the need of manufacturing informatization, digitalization and network development in textile enterprises, and in order to realize the real-time monitoring and management on the loom, one of the real-time monitoring and management information systems using micro-controller technology, wireless communication technology and database technology was developed. By data acquisition terminal and a radio transmitter module, the real time looms information collection and transmission was obtained concluding loom state, productivity and efficiency. The system structure, the design and implementation of data acquisition terminal hardware and software, system function modules and database design were detailed. Real time tracking and statistical analysis of production information of loom was realized. It improved production efficiency and management of textile enterprises, and provided scientific instruction for the production plan of enterprises.

rapier loom; wireless communication；monitoring and management; system development

2016-06-14

劉 望(1991-)，男，湖南邵陽人，在讀碩士研究生，研究方向：智能信息處理和紡織企業(yè)生產信息系統(tǒng)設計，E-mail:497473255@qq.com。

TS103.12

B

1673-0356(2016)09-0011-04