車間LoRa自組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李桐滿，丁文捷，史興龍，趙 楠，汪前進(jìn)

（寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

一些電纜電線企業(yè)在信息化生產(chǎn)改造過程中，雖然生產(chǎn)線上的測量儀表具備了線纜羅拉轉(zhuǎn)速、護(hù)套原料制備溫度、激光線徑檢測、交流火花檢測等參數(shù)，但沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的永久存儲；另外，從拉絲到框絞，再到護(hù)套的擠塑水冷卻成型，仍有諸多中間工藝環(huán)節(jié)的參數(shù)缺乏管理，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)品質(zhì)狀態(tài)信息也未納入監(jiān)管。此外，操作人員往往依靠自己的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定擠塑時(shí)的牽引轉(zhuǎn)速、擠出機(jī)轉(zhuǎn)速與溫度，技術(shù)參數(shù)之間缺乏數(shù)據(jù)聯(lián)動性，且工藝生產(chǎn)線上缺少數(shù)據(jù)的采集、存儲與監(jiān)管環(huán)節(jié)，實(shí)際生產(chǎn)仍然采用依賴人工經(jīng)驗(yàn)操作的方式。然而，這些企業(yè)最突出的問題是信息化與企業(yè)車間生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際鏈接問題，缺少工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)和信息化相互融合帶來的促進(jìn)生產(chǎn)的特殊效應(yīng)，這也是國內(nèi)中小型企業(yè)普遍存在的問題。

時(shí)運(yùn)來等[1]將柴油發(fā)動機(jī)車間生產(chǎn)線上的時(shí)間信息與空間信息無縫銜接，提高了車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)了車間5層總體框架，并且使用無線與有線通訊技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)層、控制層和設(shè)備層連接成為一體化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，解決了傳統(tǒng)車間存在的信息采集困難等問題。胡科幻等[2]利用Modbus總線協(xié)議解決了STM32單片機(jī)與直流調(diào)速器的信息通訊問題，給出了利用一個(gè)MCU連接多個(gè)直流調(diào)速器的方法，且系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了在交聯(lián)電纜生產(chǎn)線上精準(zhǔn)地控制多個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。丁文捷等[3]針對鋁再生車間的配料問題，提出了利用車間ZigBee物聯(lián)網(wǎng)，采集來自不同倉庫的叉車重量信息，并通過自動化配料方案和導(dǎo)航系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)以及物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)字模型的建立，實(shí)現(xiàn)了再生鋁的配料工藝自動化過程。國內(nèi)許多學(xué)者對車間的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了信息采集，但電線生產(chǎn)線仍然缺少數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)節(jié)，信息化的發(fā)展未能及時(shí)地與車間生產(chǎn)設(shè)備相結(jié)合。開展車間生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集研究對于車間信息化的升級轉(zhuǎn)型具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，針對數(shù)據(jù)永久存儲問題，本文進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并且利用上位機(jī)與生產(chǎn)設(shè)備的通訊，實(shí)現(xiàn)了將生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲至車間數(shù)據(jù)服務(wù)器。

1 車間構(gòu)建需求分析

1.1 車間生產(chǎn)主要工藝流程現(xiàn)狀分析

A廠電線電纜車間擠塑工藝生產(chǎn)線的設(shè)備生產(chǎn)流程如圖1所示。通過分析電線電纜擠塑工藝中線纜直徑的生產(chǎn)控制過程，可知擠塑工藝中需要人為控制擠出機(jī)構(gòu)的溫度、擠出速度、牽引機(jī)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，以保證包覆塑料均勻[4]，并且擠塑生產(chǎn)線上收線工位與擠出工位高度依賴人工控制，只有部分生產(chǎn)線上安裝了擠出機(jī)構(gòu)與牽引機(jī)構(gòu)協(xié)同工作的控制臺?？傮w而言，車間整體信息化水平較低，大部分的信息采集工作依靠手工記錄。因此，電線電纜車間有必要設(shè)計(jì)自動采集工藝參數(shù)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于后期監(jiān)控與品質(zhì)分析過程。

圖1 擠塑機(jī)組工藝流程

1.2 構(gòu)建車間數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)

車間數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)首先利用傳感器采集車間生產(chǎn)設(shè)備的工藝數(shù)據(jù)，然后通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，最后由上位機(jī)存儲系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分類保存至服務(wù)器。構(gòu)建該系統(tǒng)需要以下3個(gè)方面的技術(shù)支持。

（1）下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文選用STM32單片機(jī)作為采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，其與傳感器共同搭建了下位機(jī)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在車間任意地點(diǎn)采集生產(chǎn)設(shè)備的牽引轉(zhuǎn)速與線纜直徑數(shù)據(jù)，并根據(jù)車間設(shè)備自身任務(wù)和規(guī)劃特點(diǎn)編制信息采集軟件。

（2）車間LoRa物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)的信息橋梁，能夠滿足信息化建設(shè)要求，技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)品種類多，主要包括短距離通信（ZigBee，WiFi，Bluetooth等）和長距離通信（LoRa）。通過常見物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對比表（表略），最終選擇LoRa作為系統(tǒng)的無線通訊傳輸技術(shù)，其具有低帶寬、低功耗、低成本、傳輸范圍廣、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[5]。

（3）上位機(jī)存儲系統(tǒng)。搭建上位機(jī)存儲系統(tǒng)時(shí)，有多種技術(shù)方案可供選擇。編譯環(huán)境分為Visual Studio，pyCharm等，編程語言分為C語言，C#語言等。本文主要利用Visual Studio 2019軟件、C#語言編寫上位機(jī)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)程序，從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存儲。

2 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 直徑采集方案

2.1.1 直徑采集傳感器選型 在生產(chǎn)過程中，電線在牽引機(jī)的作用下快速移動，因此測量電線直徑時(shí)需要采用非接觸測量方法。本文選用由紹興鐳斯特光學(xué)儀器有限公司制造的外徑測量儀LST-25/JIB（以下簡稱測徑儀），其主要由操作面板、激光測量頭組成。該測徑儀的掃描系統(tǒng)產(chǎn)生的直徑信號值首先被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后經(jīng)過一系列的運(yùn)算、處理，最終得到實(shí)際的直徑值。

2.1.2 測徑儀數(shù)據(jù)采集方案 測徑儀采用標(biāo)準(zhǔn)異步通訊RS232接口，上位機(jī)通過該接口獲取實(shí)時(shí)直徑值。系統(tǒng)采用鐳斯特光學(xué)儀器有限公司自定義通訊格式，通訊應(yīng)答模式如下。

上位機(jī)發(fā)送：0x01 0x41（地址+讀取參數(shù)）

設(shè)備返回響應(yīng)：0x01 0x41 0xAA 0xBB 0xCC（地址+功能碼+響應(yīng)參數(shù)+CRC校驗(yàn)碼）

2.2 轉(zhuǎn)速采集方案

2.2.1 轉(zhuǎn)速采集模塊 本系統(tǒng)采用了E6B2-CWZ1X增量式編碼器，編碼器的速度由A，B兩相的脈沖數(shù)目決定。系統(tǒng)使用M測速法，設(shè)定編碼器主軸旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，選擇模式3進(jìn)行計(jì)數(shù)。系統(tǒng)記錄了A，B雙相作用下上升沿和下降沿的變化，編碼器1圈的脈沖數(shù)NUM1是單相脈沖所產(chǎn)生脈沖數(shù)的4倍，其1秒內(nèi)產(chǎn)生的總脈沖數(shù)為NUM2，轉(zhuǎn)速值即為NUM2與NUM1的比值。

2.2.2 轉(zhuǎn)速采集方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)將采集編碼器連接到單片機(jī)I/O端口上，A，B相端口分別連接單片機(jī)PF6，PF7端口，編碼器的電源和接地線與附加電源相連。系統(tǒng)利用GPIO接口的輸入捕獲功能檢測外部邊沿變化；定時(shí)器3檢測編碼器正交編碼模式的脈沖；定時(shí)器5每間隔0.05 s讀取1次定時(shí)器3的脈沖數(shù)，并記錄定時(shí)器3的溢出值和當(dāng)前脈沖數(shù)。隨后，系統(tǒng)計(jì)算總的脈沖數(shù)和轉(zhuǎn)速值，并將定時(shí)器5收到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)發(fā)送至RS485端口[6]，再由該端口發(fā)送至上位機(jī)，從而完成了轉(zhuǎn)速信息采集。轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化流程和軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

馬克思指出，人們的“需要即他們的本性”，“你自己的本質(zhì)即你的需要”。所以說，需要是工程師恪守工程倫理，進(jìn)行工程創(chuàng)新的動力，是他們實(shí)現(xiàn)全面發(fā)展的源泉。工程師從事工程活動不僅為了滿足自己生活資料的需要，而且也是為了滿足精神層面和社會層面的需要?；诖?，在工程倫理教育中，要偏重于精神的需要，培養(yǎng)工程師的“普世”情懷，讓他們在工程活動中心系“廣大民眾”，以民眾的最大福祉為工程活動的出發(fā)點(diǎn)。讓他們的心理需要和心理特征與大眾融合，讓他們的活動迎合社會的基本價(jià)值觀念，使工程活動在滿足人類需要的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)工程最大的“善”，即工程與人、自然、社會的和諧共生。這才是工程倫理教育最終的歸宿。

圖2 轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化流程和軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

3 LoRa通訊方案

3.1 搭建自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用了DTK中鼎泰克電子公司生產(chǎn)的RS485轉(zhuǎn)LoRa無線模塊以及透明傳輸+MAC地址傳輸方式。透明傳輸指發(fā)送方與接收方的數(shù)據(jù)完全一致。MAC地址具有全球唯一標(biāo)識性，共有8個(gè)字節(jié)提示數(shù)據(jù)來源。

LoRa自組網(wǎng)中將模塊分為協(xié)調(diào)器、終端與路由器3類[7]。其中，協(xié)調(diào)器匯集所有終端數(shù)據(jù)；路由器可自動充當(dāng)終端與協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸橋梁，增加協(xié)調(diào)器與終端之間的通訊距離；終端用來收集傳感器數(shù)據(jù)。自組網(wǎng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。LoRa模塊自組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示[8]，該布線結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是增加了備用路由器，當(dāng)某條自動路由的橋梁斷開時(shí)，模塊會自動尋找備用路由器作為新的路由路徑，由此保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖3 LoRa模塊自組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.2 LoRa模塊配置

系統(tǒng)通過LoRa模塊，設(shè)置了軟件配置協(xié)調(diào)器、終端、路由器等設(shè)備參數(shù)，見表1。

表1 設(shè)備配置參數(shù)

3.3 LoRa自組網(wǎng)硬件連接

上位機(jī)硬件連接時(shí)，需要配置USB轉(zhuǎn)RS485雙向半雙工串口轉(zhuǎn)換器[8]，該轉(zhuǎn)化器的參數(shù)和LoRa設(shè)備設(shè)置的傳輸參數(shù)相同。串口轉(zhuǎn)換器與協(xié)調(diào)器LoRa實(shí)物連接如圖4所示。激光測徑儀與LoRa終端之間采用RS232接口線進(jìn)行連接，其實(shí)物連接如圖5所示。編碼器，STM32和LoRa硬件連接實(shí)物如圖6所示。

圖4 LoRa協(xié)調(diào)器與上位機(jī)連接實(shí)物圖

圖5 激光測徑儀與LoRa硬件連接實(shí)物圖

圖6 編碼器，STM32和LoRa硬件連接實(shí)物圖

4 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集方案

4.1 MAC地址

依據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息流向和信息存儲要求，上位機(jī)連接的協(xié)調(diào)器模塊接收到生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)后，將接收的數(shù)據(jù)按照MAC地址進(jìn)行分類，完成數(shù)據(jù)進(jìn)制轉(zhuǎn)化后，將其存儲到車間服務(wù)器。MAC地址為LoRa終端設(shè)備連接的傳感器的位置信息，其中牽引轉(zhuǎn)速與直徑的MAC地址如表2所示。

表2 牽引轉(zhuǎn)速與直徑的MAC地址設(shè)計(jì)

4.2 上位機(jī)軟件

系統(tǒng)使用Visual Studio 2019軟件、基于NET Framework平臺和C#語言進(jìn)行了采集軟件的程序開發(fā)，并利用Windows窗體應(yīng)用程序中的控件加以實(shí)現(xiàn)。采集軟件主要包括串口通訊程序、傳感器信息顯示程序、存儲服務(wù)器程序。上位機(jī)數(shù)據(jù)處理的主要步驟如下，其流程如圖7所示。

圖7 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理流程圖

（2）上位機(jī)根據(jù)MAC地址碼文件區(qū)分傳感器；處理十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，截取8位字節(jié)MAC地址并判斷數(shù)據(jù)來源；牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速與線纜直徑數(shù)據(jù)經(jīng)進(jìn)制轉(zhuǎn)化，顯示于上位機(jī)界面。

（3）數(shù)據(jù)存儲至SQL Server服務(wù)器。

5 系統(tǒng)測試

經(jīng)測試，車間LoRa自組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)能夠完成主要工作，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。具體測試內(nèi)容如下。

（1）車間LoRa組網(wǎng)測試。主要測試協(xié)調(diào)器與路由器、終端之間的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過測試，模塊之間均能正常組網(wǎng)。數(shù)據(jù)通過車間LoRa自組網(wǎng)系統(tǒng)，可準(zhǔn)確上傳至串口。

（2）MAC地址傳輸方式測試。主要測試協(xié)調(diào)器接收到的終端數(shù)據(jù)是否按“數(shù)據(jù)+MAC地址”格式進(jìn)行傳輸。通過串口工具測試，協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)格式準(zhǔn)確。

（3）信息采集測試。主要測試激光測徑儀的自定義通訊格式數(shù)據(jù)是否正常通訊以及編碼器轉(zhuǎn)速采集是否按照4個(gè)字節(jié)進(jìn)行傳輸。通過串口工具測試，可知系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時(shí)。

（4）上位機(jī)測試。主要測試上位機(jī)是否正常接收數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速與直徑數(shù)據(jù)的顯示以及存儲服務(wù)器功能的實(shí)現(xiàn)。測試時(shí)，打開數(shù)據(jù)采集上位機(jī)軟件，單擊“基本設(shè)置”，完成COM端口配置，單擊“打開串口”，界面如圖8所示。隨后，上位機(jī)軟件開始數(shù)據(jù)采集，單擊“停止采集”后，打開SQL Server程序查看采集到的數(shù)據(jù)，如圖9所示。經(jīng)過測試，可知上位機(jī)能夠接收、顯示數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器。

圖8 上位機(jī)測試界面

圖9 SQL Server程序采集數(shù)據(jù)測試界面

6 結(jié)論

本文根據(jù)電線電纜車間信息化采集與存儲需求，對數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)整體架構(gòu)、硬件連接、通訊設(shè)備選型、軟件功能等方面進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。具體工作包括：利用單片機(jī)與傳感器創(chuàng)建了下位機(jī)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)，采用C語言設(shè)計(jì)了下位機(jī)軟件程序，其實(shí)現(xiàn)了傳感器信息數(shù)據(jù)的集中處理與整合，完成了電纜車間擠塑工藝設(shè)備的直徑與牽引轉(zhuǎn)速參數(shù)的采集；搭建了“加工設(shè)備采集系統(tǒng)—車間LoRa物聯(lián)網(wǎng)—車間服務(wù)器”一體化物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過終端、協(xié)調(diào)器、路由器、LoRa通訊設(shè)備實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，備用路由器的自動組網(wǎng)功能保證了數(shù)據(jù)可靠傳輸；利用Visual Studio 2019軟件編寫了上位機(jī)信息采集軟件，通過MAC地址實(shí)現(xiàn)了測徑儀、編碼器信息的顯示以及將數(shù)據(jù)存儲到車間SQL Server服務(wù)器。現(xiàn)場測試驗(yàn)證了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和高效性。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)達(dá)到了生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集的要求，為企業(yè)車間信息化改造提供了新的思路與方案。未來可對該系統(tǒng)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)開發(fā)，以便于適配更多傳感器的功能擴(kuò)展，完成與第三方軟件工具的對接，滿足工業(yè)級設(shè)備更高的數(shù)據(jù)采集需求。