基于光載無(wú)線交換機(jī)的智能機(jī)器人月餅自動(dòng)化包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)*

周曉芳 胡翔

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基于光載無(wú)線交換機(jī)的智能機(jī)器人月餅自動(dòng)化包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)*

周曉芳1胡翔2,3

（1.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2.重慶三峽學(xué)院 3.廣州飛瑞敖電子科技股份有限公司）

為實(shí)現(xiàn)月餅自動(dòng)化包裝過程的信息化管理，提出集有線通信和無(wú)線通信于一體、以光載無(wú)線交換機(jī)為網(wǎng)絡(luò)傳輸核心的智能機(jī)器人月餅自動(dòng)化包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)。介紹智能機(jī)器人月餅包裝線的工作流程以及數(shù)據(jù)通信平臺(tái)的搭建；并提出包括生產(chǎn)視頻監(jiān)控、物流信息管理、人員信息管理、車輛信息管理、倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品追朔管理和生產(chǎn)云服務(wù)等8大模塊的月餅自動(dòng)化包裝線功能結(jié)構(gòu)方案。

光載無(wú)線交換機(jī)；數(shù)據(jù)通信平臺(tái)；智能機(jī)器人月餅包裝線

0 引言

月餅是中華民族傳統(tǒng)小吃之一，也是中秋節(jié)的經(jīng)典文化食品，深受人們的喜愛。近年來(lái)隨著月餅市場(chǎng)需求量的增加，月餅生產(chǎn)制作迫切需要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化；同時(shí)，不易統(tǒng)一的原材料和產(chǎn)品規(guī)格的多樣性，極大地阻礙了月餅生產(chǎn)包裝環(huán)節(jié)的自動(dòng)化。為滿足月餅的市場(chǎng)需求量和更好地解決月餅包裝環(huán)節(jié)自動(dòng)化問題，東莞市李群自動(dòng)化技術(shù)有限公司提出一種柔性化的智能機(jī)器人解決方案，設(shè)計(jì)了我國(guó)首條智能機(jī)器人月餅包裝線，初步實(shí)現(xiàn)了月餅包裝過程的自動(dòng)化[1]。

我國(guó)首條智能機(jī)器人月餅包裝線已初步應(yīng)用，但對(duì)月餅自動(dòng)化包裝過程中涉及的數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)處理和生產(chǎn)過程優(yōu)化等內(nèi)容，目前尚無(wú)有效的研究成果；對(duì)月餅生產(chǎn)的原材料、生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品的質(zhì)量狀況也沒有較好的跟蹤方法、控制渠道和共享手段[2-5]。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代和工業(yè)4.0的到來(lái)，工業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的可追溯性已逐漸成為食品質(zhì)量安全和品質(zhì)保證的重要標(biāo)志。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)月餅生產(chǎn)包裝的自動(dòng)化、智能化和信息化管理，保障月餅質(zhì)量的安全，本文基于光載無(wú)線交換機(jī)建立集有線和無(wú)線通信于一體的月餅智能機(jī)器人包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)。通過對(duì)月餅包裝線區(qū)域大范圍的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)全覆蓋，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的月餅包裝智能信息化管理方案，從而更好地滿足月餅自動(dòng)化生產(chǎn)過程中ERP和MES的要求。

1　智能機(jī)器人月餅自動(dòng)化包裝線

我國(guó)首條智能機(jī)器人月餅自動(dòng)化包裝線[1]采用工業(yè)機(jī)器人、微電子、計(jì)算機(jī)智能算法和圖像傳感器等技術(shù)，通過多個(gè)工業(yè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，在流水線傳送帶的跟蹤管理和智能視覺處理系統(tǒng)的雙重配合下，實(shí)現(xiàn)月餅分揀、月餅盒方位調(diào)整、月餅裝盒、干燥劑裝盒、月餅合蓋、月餅裝箱與封箱等工藝，初步實(shí)現(xiàn)了智能機(jī)器人月餅自動(dòng)化包裝線的高速、自動(dòng)化和控制管理智能化。

智能機(jī)器人月餅自動(dòng)化包裝線根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)規(guī)模的需要，可以有若干個(gè)工作站和若干個(gè)工藝段，可包含多臺(tái)Apollo機(jī)器人和Artemis機(jī)器人。Apollo智能機(jī)器人是驅(qū)控一體化的并聯(lián)型機(jī)器人，主要應(yīng)用于高速分揀領(lǐng)域。Artemis智能機(jī)器人是擁有4個(gè)自由度的串聯(lián)機(jī)器人，其機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化搬運(yùn)、貨物裝配和機(jī)械焊接等場(chǎng)合。

2　月餅自動(dòng)化包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)大范圍的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)全覆蓋，本文構(gòu)建集有線通信和無(wú)線通信為一體的月餅自動(dòng)化包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。此系統(tǒng)平臺(tái)主要采用分布式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，可在控制中心區(qū)域建立中心數(shù)據(jù)庫(kù)，各分區(qū)域建立相應(yīng)的分支數(shù)據(jù)庫(kù)且實(shí)時(shí)與中心數(shù)據(jù)庫(kù)同步。采用局域網(wǎng)專線進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中管理和集中控制。系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備主要有傳感器、生產(chǎn)監(jiān)視器、生產(chǎn)信息顯示屏和手持終端等。系統(tǒng)平臺(tái)中加入視頻監(jiān)控和報(bào)警警戒功能模塊，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安防的功能。本系統(tǒng)平臺(tái)的通信核心為光載無(wú)線交換機(jī)，其主要采用模擬光纖的通信技術(shù)和射頻交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)WiFi信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸和控制，能夠較大范圍地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)生活中，相比傳統(tǒng)路由器而言，具有更加快速、穩(wěn)定和范圍廣等特點(diǎn)。

圖1 月餅自動(dòng)化包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)結(jié)構(gòu)

月餅自動(dòng)化生產(chǎn)時(shí)，大量的數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)傳輸與更新，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和大范圍高效傳輸將成為矛盾。為了大范圍傳輸，通常會(huì)在系統(tǒng)平臺(tái)中使用若干個(gè)“中繼器”設(shè)備，這樣不僅增加系統(tǒng)通信的復(fù)雜度，還使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅。光載無(wú)線交換機(jī)由于具有如下3個(gè)特性，很好地解決這一矛盾。

1）信號(hào)源的本地化特性[7-8]，光載無(wú)線交換機(jī)作為系統(tǒng)核心，WiFi信號(hào)源可通過本地中央管理機(jī)房產(chǎn)生，從而可在本地對(duì)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行集中管理。

2）通信信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)混合遠(yuǎn)距離傳輸控制[9-12]，常規(guī)的WiFi信號(hào)、2G信號(hào)和3G信號(hào)等可以混合進(jìn)行同步傳輸和控制，大大加快了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的搭建和部署，使包裝線上的多種傳感器信號(hào)混合傳輸變得簡(jiǎn)單快捷。

3）帶寬實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)的特性[13]，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，光載無(wú)線交換機(jī)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)配無(wú)線帶寬，從而解決網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。

月餅包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)的穩(wěn)定、高效和可靠，不僅取決于光載無(wú)線交換機(jī)的特性，還依賴于數(shù)據(jù)庫(kù)的可靠性。月餅自動(dòng)化包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)的數(shù)據(jù)量非常龐大，本文選擇oracle數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理的中心，并實(shí)時(shí)做好數(shù)據(jù)的共享和減少數(shù)據(jù)冗余，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理人員嚴(yán)格劃分等級(jí)和相應(yīng)權(quán)限，保證數(shù)據(jù)的完整性和唯一性。本平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)權(quán)限方案邏輯圖如圖2所示，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)中心管理員管理個(gè)分管，每個(gè)分管又可管理個(gè)下級(jí)分管，這種模式稱為1：：模式。通過這種模式，平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?qū)崿F(xiàn)以中心管理員為核心的星形數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，中心管理員的權(quán)限最高，分管權(quán)限次之，即從中心向外部的權(quán)限依次遞減。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)權(quán)限方案邏輯圖

光載無(wú)線交換機(jī)的使用和數(shù)據(jù)庫(kù)的可靠管理，實(shí)現(xiàn)了月餅自動(dòng)化包裝線的高度智能化，保證生產(chǎn)過程的高效與高品質(zhì)。

3 月餅自動(dòng)化包裝線系統(tǒng)

本文通過把生產(chǎn)視頻監(jiān)控、物流信息管理、人員信息管理、車輛信息管理、倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品追朔管理和生產(chǎn)云服務(wù)等功能集成于一體，設(shè)計(jì)了基于光載無(wú)線交換機(jī)的月餅自動(dòng)化包裝線系統(tǒng)，其功能框圖如圖3所示。

圖3 月餅自動(dòng)化包裝線系統(tǒng)功能框圖

1）生產(chǎn)視頻監(jiān)控

為監(jiān)控月餅自動(dòng)化包裝線全過程，需要在包裝線的每個(gè)環(huán)節(jié)安裝高清攝像頭。工業(yè)級(jí)攝像頭對(duì)視頻信息的傳輸通常分為有線、WiFi和ZigBee等傳輸方式[14]。由于使用光載無(wú)線交換機(jī)通信，信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)混合遠(yuǎn)距離傳輸控制，方便各種攝像頭接入包裝線系統(tǒng)。當(dāng)視頻數(shù)據(jù)占用一定的存儲(chǔ)空間后，將定期刪除，以保證視頻監(jiān)控功能的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2）物流信息管理

月餅生產(chǎn)包裝后，需要物流運(yùn)輸。采用RFID卡、二維碼和條形碼等方式記錄月餅進(jìn)出數(shù)量、物流地點(diǎn)和物流預(yù)計(jì)時(shí)間等數(shù)據(jù)，可保證物流信息的完整性、正確性。所有的物流信息通過月餅自動(dòng)化包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂坪笈_(tái)，后臺(tái)管理人員可實(shí)時(shí)管理這些物流信息[15]。

3）人員信息管理

為保證月餅自動(dòng)化包裝線系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要若干不同職責(zé)和級(jí)別的管理人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。本文將每個(gè)員工的身份信息（姓名、年齡、性別、工種、部門、職責(zé)、權(quán)限、上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、考勤等）作為管理依據(jù)。這些身份信息錄入到員工管理數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)員工佩戴身份信息識(shí)別卡。身份信息識(shí)別卡可以通過RFID卡、二維碼、人臉識(shí)別和指紋識(shí)別等方式實(shí)現(xiàn)，并把這些信息實(shí)時(shí)共享在光載無(wú)線系統(tǒng)中。

4）車輛信息管理

本文的車輛不僅是產(chǎn)品物流車輛，也可以是工廠的廠車、生產(chǎn)線的搬運(yùn)車、叉車等。根據(jù)包裝線的實(shí)際需求，把這些車輛分為若干類，不同類別有不同的標(biāo)識(shí)，并在這些車輛上安裝GPS定位系統(tǒng)，通過移動(dòng)運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)上報(bào)車輛的地理位置數(shù)據(jù)給包裝線的數(shù)據(jù)控制中心。本文采用GPS開發(fā)模塊編寫程序，可直接與月餅自動(dòng)化包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)對(duì)接，這樣就可通過車輛地理位置信息方便快捷地安排車輛路線，保證物流作業(yè)的順利、高效。

5）倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)管理

倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)管理的傳統(tǒng)方案有很多，本文采用自動(dòng)化貨物倉(cāng)儲(chǔ)管理方案[16]。自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)管理可實(shí)現(xiàn)貨架自動(dòng)識(shí)別倉(cāng)庫(kù)中的貨物種類和數(shù)量，并對(duì)不同種類的貨物提供不同的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境。本月餅自動(dòng)化包裝線主要用紅外反射傳感器、開關(guān)霍爾傳感器、RFID技術(shù)和重量檢測(cè)傳感器等，把檢測(cè)的信息通過數(shù)據(jù)融合處理，作為產(chǎn)品的種類和數(shù)量檢測(cè)手段。倉(cāng)庫(kù)管理人員把產(chǎn)品的種類和數(shù)量信息發(fā)布在月餅自動(dòng)化包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)上，進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤處理。

6）生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)

在月餅自動(dòng)化包裝過程中，需要實(shí)時(shí)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的主要數(shù)據(jù)有：生產(chǎn)安全性數(shù)據(jù)、食品衛(wèi)生條件數(shù)據(jù)、食品倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)等。本文通過光載無(wú)線交換機(jī)搭建集有線和無(wú)線為一體的多傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)線生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)據(jù)，多傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 多傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

7）產(chǎn)品追朔管理

產(chǎn)品追朔管理涉及到原材料追朔、半成品追朔和待銷售成品追朔等，其中原材料追朔最為復(fù)雜。原材料的品種較多，要對(duì)每種原材料進(jìn)行編號(hào)標(biāo)識(shí)，以便統(tǒng)一管理。將每一種進(jìn)貨原材料、半成品以及銷售成品的相關(guān)信息（原材料進(jìn)貨時(shí)間、進(jìn)貨批次、進(jìn)貨數(shù)量、審核員工號(hào)、半成品批次、銷售成品批次等）輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)，可通過數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)這些信息進(jìn)行查詢，從而方便分析問題的原因。

8）生產(chǎn)云服務(wù)

生產(chǎn)云服務(wù)可借助第三方云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，如通過機(jī)智云、阿里云等，使銷售渠道變得更寬。把月餅銷售信息直接推送到顧客手機(jī)上和超市管理員電腦上，可減少月餅銷售的中間環(huán)節(jié)。為快速構(gòu)造搭建云服務(wù)平臺(tái)，通過互聯(lián)網(wǎng)注冊(cè)申請(qǐng)“機(jī)智云”賬號(hào)而獲得云服務(wù)功能。

4　結(jié)語(yǔ)

基于光載無(wú)線交換機(jī)的月餅自動(dòng)化包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)的成功搭建，不僅給月餅包裝自動(dòng)化、智能化提供了一套完整的解決方案，還提高了包裝線無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和信息混合傳輸。其他工業(yè)生產(chǎn)線也可以參照本文的月餅自動(dòng)化包裝線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)和搭建，值得進(jìn)一步深入研究。

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Data Communication Platform for Intelligent Robot Moon CakeAutomatic Packaging Line Based on Optical Wireless Switch

Zhou Xiaofang1Hu Xiang2, 3

(1.Guangxi Vocationgal & Technical College 2. Chongqing Three Gorges University 3. Guangzhou FRO Electronic Technology Co., Ltd.)

In order to realize the information management of the automatic packaging process of moon cake, this paper proposes a intelligent robot moon cake packaging line data communication platform which integrates wired communication and wireless communication, and takes the core of optical wireless switch as the core of network transmission. This paper focuses on the analysis of the working flow of the intelligent robot mooncake packaging line and the construction of the data communication platform of the packaging line and the advantages of the optical switch in the information management platform. The paper introduces the production of video surveillance, logistics information management, personnel information management, vehicle information Management, storage data management, production environment monitoring, product management, production cloud service eight modules of the moon cake packaging line information platform functional structure program.

Optical Wireless Switch; Data Communication Platform; Intelligent Robot Moon Cake Packaging Line

周曉芳，女，1980年生，研究生在讀，講師，主要研究方向：軟件工程。E-mail: 285633680@qq.com

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015B090901060）