基于單片機(jī)的繭質(zhì)智能測試控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任強(qiáng)勝,劉季平,黎 鋼,段春穩(wěn),陳伍彪

(1.四川省絲綢科學(xué)研究院,四川 成都610031;2.四川省絲綢工程技術(shù)研究中心,四川 成都610031)

現(xiàn)有“SR繭質(zhì)智能測試機(jī)”是四川省絲綢科學(xué)研究院(原四川省絲綢工業(yè)研究所)于2005年研制開發(fā)的智能型測試機(jī)[1]。該機(jī)通過專用電纜連接到智能裝置主機(jī),采用有線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸。通過專業(yè)定制的主機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的鍵盤錄入、處理及打印報(bào)告功能,其攜帶、操作、維護(hù)不便,無法對測試到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性的歸納、綜合分析。便攜式智能化無線信息傳輸設(shè)備已經(jīng)在各行業(yè)廣泛應(yīng)用,因此利用智能手機(jī)APP技術(shù)及無線傳輸技術(shù),對SR繭質(zhì)智能測試機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造,才能適應(yīng)信息技術(shù)發(fā)展需要,更好地為繅絲企業(yè)服務(wù)。

現(xiàn)今便攜式智能設(shè)備向著信息化、智能化方面發(fā)展,無紙化數(shù)據(jù)存儲及無線傳輸成為主要的工作方式。有線傳輸將被無線方式所取代,無線數(shù)據(jù)傳輸有著成本低、可靠性高、維護(hù)方便、應(yīng)用靈活等一系列有線傳輸無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)將交互技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)繅絲企業(yè),提升了操作過程可視化及易用性,降低操作復(fù)雜度。

升級改造繭質(zhì)智能測試機(jī)控制系統(tǒng),將智能手機(jī)APP技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)企業(yè),利用無線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)云備份與查詢可長期保存繅絲廠測試數(shù)據(jù),具有隨身易帶、易用,便于操作、穩(wěn)定,工作效率高,參數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。對繭質(zhì)測試進(jìn)行數(shù)據(jù)分類、歸檔、存儲,改變現(xiàn)有設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲方式,將有助于提高繭質(zhì)測試的管理水平和質(zhì)量保證能力,對推動(dòng)繭質(zhì)測試技術(shù)進(jìn)步具有非常積極的意義。

1 系統(tǒng)功能

測試機(jī)的控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析等功能。數(shù)據(jù)采集通過傳感器采集測試機(jī)上各種數(shù)據(jù)狀態(tài),再進(jìn)行數(shù)據(jù)初步計(jì)算,最后將計(jì)算后的數(shù)據(jù)以無線方式傳輸?shù)街悄茉O(shè)備,智能設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析,完成對蠶繭質(zhì)量的測試。

根據(jù)測試機(jī)功能需求,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了硬件數(shù)據(jù)采集部件和智能手機(jī)應(yīng)用軟件兩部分。其中數(shù)據(jù)采集部件完成數(shù)據(jù)采集、存儲、發(fā)送等功能,通過傳感器采集數(shù)據(jù),再將實(shí)時(shí)采集及計(jì)算完成的數(shù)據(jù)保存于SRA M中,防止在測試過程中由于電力故障或者操作失誤導(dǎo)致設(shè)備中途突然斷電造成的數(shù)據(jù)丟失。在測試結(jié)束后,智能手機(jī)應(yīng)用軟件接收數(shù)據(jù)采集部件所發(fā)出的數(shù)據(jù),在手機(jī)中輸入繭站名稱、樣號、類別、定粒數(shù)、供繭粒數(shù)、上車?yán)O、樣繭、供試?yán)O重量等其他數(shù)據(jù)生成最終報(bào)告。

應(yīng)用軟件是基于安卓手機(jī)平臺,采用JAVA語言開發(fā)適合于繭質(zhì)測試的專用軟件,可對生成的最終報(bào)告進(jìn)行分析,得出樣繭的各項(xiàng)指標(biāo),為后期的繅絲生產(chǎn)提供重要的質(zhì)量測試報(bào)告。

1.1 總體構(gòu)架

SR繭質(zhì)智能測試機(jī)智能控制系統(tǒng)由硬件數(shù)據(jù)采集部件和手機(jī)APP兩部分構(gòu)成。傳感器采集數(shù)據(jù)至ST M32單片機(jī)。硬件數(shù)據(jù)采集部件與智能手機(jī)終端通過GSM/GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收(圖1)。

1.2 系統(tǒng)工作流程

安裝在繭質(zhì)智能測試機(jī)上的傳感器采集測試數(shù)據(jù),控制系統(tǒng)對所采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步運(yùn)算處理后,發(fā)送給智能手機(jī)。智能手機(jī)APP接收數(shù)據(jù)采集部件所發(fā)送的所測蠶繭試樣相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算分析。同時(shí)繭質(zhì)智能測試機(jī)數(shù)據(jù)采集部件具備保證意外停電時(shí),采集的數(shù)據(jù)不丟失。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架

測試人員啟動(dòng)智能手機(jī)上的繭質(zhì)測試APP軟件,通過輸入相關(guān)數(shù)據(jù)處理,同時(shí)形成的檢測報(bào)告可保存在本地手機(jī)和云端上,可在手機(jī)APP上采用多種方式查詢檢測報(bào)告。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件(數(shù)據(jù)采集與發(fā)射)

系統(tǒng)硬件主要由電源模塊、CPU模塊、Flash存儲模塊、通信GSM/GPRS模塊、I/O接口和液晶顯示模塊等組成。主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與發(fā)射,系統(tǒng)的各模塊控制電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊控制電路

(1)電源模塊采用NR25直流電源模塊將輸入220 V交流電轉(zhuǎn)換成直流24 V,再通過DC-DC降壓電源芯片MP2303給GSM/GPRS模塊等供4 V電源。同時(shí)在電路中加入7805穩(wěn)壓電路輸出12、5、3.3 V直流電,供其他模塊使用。

(2)系統(tǒng)采用ARM公司的ST M32F103RBT6型單片機(jī)為CPU控制核心。ST M32是高性能、低功耗的32位ARM微控制器,工作頻率可達(dá)16 MHz,具有512 K字節(jié)系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash,多達(dá)16個(gè)輸入通道,能保證同時(shí)多路傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理。

(3)存儲芯片選用的是W25 Q Flash芯片,該芯片是一種低功耗的可編程存儲器,擦寫周期多達(dá)10萬次,可將采集數(shù)據(jù)保存達(dá)20年之久。支持2.7～3.6 V的電壓,支持標(biāo)準(zhǔn)的SPI,還支持雙輸出/四輸出的SPI。能很好實(shí)現(xiàn)ST M32與該芯片的數(shù)據(jù)存儲,保證斷電數(shù)據(jù)不丟失。

(4)通信GSM/GPRS模塊使用安信可科技公司最新推出的GSM-A6透傳模塊。該模塊是一款GPRS數(shù)據(jù)傳輸核心模塊[2],只要有移動(dòng)3G/4G信號的地方,就能通過GSM-A6模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,測試操作者按照操作步驟完成繭質(zhì)數(shù)據(jù)測試。其操作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

圖3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

通過管理員授權(quán)GSM-A6的3G/4G網(wǎng)絡(luò)向智能手機(jī)終端繭質(zhì)測試APP軟件傳輸數(shù)據(jù),繭質(zhì)測試APP軟件自動(dòng)抓取信息數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場測試完后,運(yùn)行繭質(zhì)測試APP軟件就能接收到測試結(jié)果。

2.2 軟件設(shè)計(jì)(數(shù)據(jù)處理與分析)

2.2.1 開發(fā)環(huán)境選擇

測試機(jī)APP軟件主要運(yùn)行于Android平臺,通過Java語言實(shí)現(xiàn)各種功能。開發(fā)軟件主要采用andr oid studio 2.3版本作為開發(fā)工具,構(gòu)建URI的統(tǒng)一視圖,運(yùn)行按鈕提供更直觀和可靠地實(shí)現(xiàn)UI控件、數(shù)據(jù)庫等之間統(tǒng)一協(xié)調(diào)[3]。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

Android Studio SQLite數(shù)據(jù)庫SQLite是一款輕量級的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,運(yùn)行速度很快,占用資源少[4]。本系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫采用SQLite作為數(shù)據(jù)存儲,主要建立用戶信息表、數(shù)據(jù)錄入1表(繭站編號、樣號、季別、干鮮繭類別、粒繭絲長、解舒絲長、解舒率、上車?yán)O率)等數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)錄入2表(生絲干量、吊糙次數(shù)、長吐干量、蛹衣干量、全繭量、繭層量、剝蛹襯粒數(shù))等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)主要通過用戶錄入后生成數(shù)據(jù)報(bào)告“干繭出絲率、毛繭出絲率、光折、毛折、繭絲長、繭絲纖度(旦)、繭絲纖度(分特)”等重要數(shù)據(jù)。生成的數(shù)據(jù)報(bào)告存儲于手機(jī)或云端方便后期的查詢、分析工作。

2.2.3 用戶界面(UI)設(shè)計(jì)

繭質(zhì)測試APP軟件主要包括用戶登錄界面、服務(wù)界面、錄入界面、錄入2界面、查詢界面組成。能清晰直觀地顯示不同時(shí)間、批次的詳細(xì)測試數(shù)據(jù)報(bào)告。

當(dāng)測試操作者開啟軟件時(shí)程序首先去sqlite庫中查詢是否已經(jīng)保存有使用過的User ID號,如果存就直接進(jìn)入繭質(zhì)測試界面,反之則彈出用戶登錄提示,也可在服務(wù)界面修改密碼,更換手機(jī)號和服務(wù)號。用戶登錄與服務(wù)界面如圖4所示。

圖4 用戶登錄與服務(wù)界面

數(shù)據(jù)錄入分為2次數(shù)據(jù)錄入,即生絲烘干前和烘干后的相關(guān)數(shù)據(jù)。錄入模塊主要接收來自數(shù)據(jù)采集部件的GSM/GPRS模塊所發(fā)送的各種數(shù)據(jù),同時(shí)手工錄入其他數(shù)據(jù),如繭站名稱、樣號、定粒數(shù)、上車?yán)O重量等。由于每次測試完畢,生絲還需要烘干、稱重、第二次數(shù)據(jù)錄入。錄入完成后,通過計(jì)算生成最終測試報(bào)告,如圖5所示。

2.2.4 軟件功能

首次啟動(dòng)設(shè)備,設(shè)備控制面板的LED數(shù)碼管會(huì)全9顯示用作提示用戶,此時(shí)用管理員手機(jī)給設(shè)備發(fā)送相關(guān)指令進(jìn)行注冊。授權(quán)管理員和普通用戶,可實(shí)現(xiàn)管理員與普通用戶之間的添加、刪除讀取、繼承的操作。

圖5 錄入模塊及查詢

通過繭質(zhì)測試APP軟件系統(tǒng)可以計(jì)算出繭絲總長、解舒率、干/鮮毛繭出絲率、萬米吊糙、解舒光折、預(yù)計(jì)(實(shí)繅)光折等數(shù)據(jù)[5]。

測試報(bào)告可以導(dǎo)出后直接打印或者以“備份時(shí)間+數(shù)據(jù)”形式導(dǎo)出到EXCEL數(shù)據(jù)表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,同時(shí)也可保存到云端存儲或分享給管理者。

2.3 軟件與硬件數(shù)據(jù)交換及意外故障處理

系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程控制功能。管理員可以在任何地方通過手機(jī)APP發(fā)送指令就可以調(diào)取存放于數(shù)據(jù)采集板上的歷史數(shù)據(jù),同時(shí)也可以通過指令獲取系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)。

繭質(zhì)智能測試機(jī)意外停電時(shí),數(shù)據(jù)采集部件具有斷電保護(hù)功能,保證采集的數(shù)據(jù)斷電不丟失,來電時(shí)可以繼續(xù)當(dāng)前測試。

系統(tǒng)具備管理員手機(jī)出現(xiàn)故障或離開生產(chǎn)企業(yè),系統(tǒng)有復(fù)位清零功能,可以重啟測試機(jī)數(shù)據(jù),采集發(fā)射部件清空先前全部管理數(shù)據(jù);管理人員變動(dòng)時(shí),手機(jī)APP向測試機(jī)數(shù)據(jù)采集發(fā)射部件發(fā)送指令,變換管理員手機(jī)號。

網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí),手機(jī)APP向測試機(jī)數(shù)據(jù)采集發(fā)射部件發(fā)送指令,要求重新發(fā)送指定數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

將無線通信方式、手機(jī)繭質(zhì)測試應(yīng)用軟件融入到SR繭質(zhì)智能測試機(jī),使設(shè)備的功能得到提升。手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)操作簡便,查詢存儲更加方便。

[1] 陳祥平,姚代芬,劉季平,等.SR型繭質(zhì)智能測試機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].四川絲綢,2006,(1):16-18.

[2] 伍連明,陳世元.基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,(3):25-28.

[3] 沈愛濤,程 濤.基于Android平臺的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境研究[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng),2013,(7):247.

[4] 馬獲蕾,湯海鳳.Android系統(tǒng)中SQLite數(shù)據(jù)庫的研究[J].電腦知識與技術(shù),2013,(28):6 243-6 245.

[5] 成都紡織工業(yè)學(xué)校.制絲工藝學(xué)[M].北京:紡織工業(yè)出版社,1986.