成纜設備速度信息無線采集系統的設計

許 鵬，蘇 濤，陳 培，楊永杰

（南通大學電子信息學院，江蘇南通,226019）

0 引言

目前，隨著國際國內產業競爭壓力的增大，中國許多工業企業迫切需要及時獲取生產一線數據信息，提高企業管理控制水平。然而由于國內企業的設備往往是分批購進，其設備工業數據接口不統一，導致直接從設備配套的控制系統中獲取數據十分困難。此外在生產車間中進行二次鋪設采集數據的線纜，也有一定的困難。本論文根據某線纜企業的實際需求，同時考慮到車間已被WIFI網絡覆蓋的情況，設計了一種針對成纜設備速度信息的無線采集系統，實時采集各車間成纜設備的轉速信息，通過WIFI網絡傳送數據，最終在服務器端自動生成設備線速度波動曲線圖。該系統的實施可以使企業管理者直觀的了解線纜生產情況，及時發現生產問題，也為工人工作考核提供了十分準確的依據。

1 系統的整體設計方案

對于線纜企業而言，設備制成纜繩的線速度是衡量生產工作情況的一個重要指標。通常線速度應該穩定在某個范圍內，線速度過慢說明工人的工作熟練程度不高或者有消極怠工的情況，而線速度過快又會對設備造成一定的機械損傷。系統的終端采集模塊以嵌入式系統作為核心，使用轉速傳感器獲取設備關鍵部件的實時轉速，使用系統時鐘芯片獲取采集時間，借助WIFI網絡發送至服務器。系統的數據收發軟件運行在服務器上，實現將網絡接收的轉速信息存入數據庫的功能。此外服務器還運行有設備速度顯示軟件，負責從數據庫提取轉速信息，根據不同設備換算系數折算出對應的線速度，生成曲線圖，并具有異常告警信息的功能。

2 終端采集模塊的設計與選型

圖1 系統終端采集模塊的硬件組成結構圖

系統終端采集模塊主要用于采集設備轉速，其微處理器選用了ARM Cortex-M4型微控制器，轉速傳感器選用了LJ12A3型接近開關，而采集時間通過SD2405芯片來獲取。模塊最終將采集時間和轉速信息組成的數據幀以串行方式通過USRWIFI232-X模塊從WIFI網絡傳送至服務器。其硬件組成結構圖如圖1所示。

2.1 微處理器核心的選型

微處理器核心選用的Cortex-M4型Stellaris? LM4F系列微控制器，是目前嵌入式系統中最前沿的一種系統架構，是TI公司最新推出了一款ARM MCU芯片。該微控制器結合了最新的ARM Cortex -M4F內核和德州儀器公司完美的設計及工藝技術，其具備了更高的處理性能、能更有效地使用每個時鐘周期；內部集成的混合信號電路可以與傳統獨立組件電路相媲美；具有低功耗、低成本和易于使用的優勢。

本模塊使用的微處理器具體型號為LM4F120H5QR，其通用I/O接口功能設計如下：轉速傳感器接PF0，系統時鐘芯片接PB2（SCL）和PB3（SDA），LCD屏的數據口接在PD0～PD7，LCD屏的控制口接在PE0～PE2，WIFI模塊接PA0（RXD）和PA1（TXD），兩個按鍵接PF1和PF2，兩個指示燈接PF3和PF4。

2.2 系統時鐘芯片的選型

系統時鐘芯片SD2405是一種內置晶振、充電電池、具有標準IIC接口的實時時鐘芯片，可通過5位地址尋址來讀寫片內32字節寄存器的數據。該芯片可保證時鐘精度為±5ppm（在25℃±1℃下），即年誤差小于2.5分鐘；內置充電電池及充電電路，在電池滿充的情況下可保證內部時鐘走時超過半年時間，累計電池電量超過550mAH；電池使用壽命為5至8年時間；內部具備電源切換電路，當芯片檢測到主電源VDD掉到充電電池電壓以下，芯片會自動轉為由充電電池供電。系統通過該芯片獲取采集轉速的時間，并顯示在LCD屏上，同時作為采集數據的一部分由WIFI網絡傳輸給服務器。

2.3 其他主要部件的選型

在生產線上，設備的線速度通常由帶接近開關的電子計米器來記錄的。接近開關又稱為無觸點行程開關，它除了可以完成行程控制和限位保護以外，還是非接觸型檢測裝置，可以用作檢測零件尺寸和測速等，在航天、航空領域以及工業生產中都有著廣泛的應用。本系統則以常用計米器中的LJ12A3型接近開關作為轉速傳感器，獲取相應的轉速，并由換算系數折算出實際的線速度。該型號的接近開關供電電壓為24V。

WIFI模塊采用第三方提供的串口與WIFI數據包的雙向透明轉發模塊，型號為USR-WIFI232-X，終端采集模塊將數據組幀以串行方式送至WIFI模塊，WIFI模塊則以網絡終端形式再將數據轉送至服務器。為保證數據的準確性，WIFI模塊與服務器采用TCP方式建立連接以傳輸數據。

由于模塊只需顯示系統時鐘和相應的轉速信息，且不需顯示中文字符，因此選用了1602A型LCD屏。該屏可以顯示16×2個英文字符，具有工作穩定、價格低廉的特點。

3 終端采集模塊的軟件設計

終端采集模塊的軟件功能為采集成纜設備實時轉速信息，同時獲取系統時間，并將轉速與時間組幀經WIFI模塊傳送至服務器端，并檢測回送信息以判斷是否正常接收數據。當檢測到異常狀況則實時告警。另外模塊中還增加了實時報修功能。其軟件主要設計流程如圖2所示。

在主程序流程中，系統上電自動復位后先完成系統初始化，包括數據初始化、定時器初始化及串行通信的初始化；接著檢測按鍵，當按下“手動傳送”按鍵時，將發送暫存區的轉速信息，該功能用于手動發送前期未能成功發送而存儲于暫存區的轉速信息；當按下“報修申請”按鍵時，發送設備報修狀態，便于車間機修工人能夠及時收到信息并前往維修；指示燈用于異常告警和報修狀態的提示。

在定時中斷服務子程序流程中，每當時間累計到一分鐘時，先獲取當前時間，再進行轉速的采集，即統計接近開關的開關累積次數，計算出每分鐘的旋轉圈數，并將轉速和時間顯示在LCD屏上。在轉速發送過程中，先將當前轉速信息與前一分鐘的轉速比較，其差值須超過設定的偏差閾值才組幀發送。這樣可以在采集精度允許的情況下盡可能避免冗余數據的發送，從而減輕了網絡傳輸數據的壓力。轉速驗證過程用于檢測是否有正常回送信息，有則認為已正常接收，若未收到則延時一段時間后，進行二次發送和二次驗證，若仍未收到回送信息，則將本次采集轉速和采集時間存入暫存區，并以指示燈告警。

圖2 系統終端采集模塊軟件設計流程圖

4 服務器相關軟件的設計

4.1 數據收發軟件設計

服務器數據收發軟件的功能主要是監聽TCP端口是否有終端采集模塊送來的數據，并對數據進行分析，無誤后存入數據庫相應的數據表中，并回送相應信息給發送方。軟件使用Visual Basic設計完成，為了能夠監控多路的數據，在界面設計中建立了Winsock控件數組以便于根據網絡連接端口的變動而靈活調整；還添加了ADO組件以便于高效地訪問SQL數據庫。該軟件運行時，先輸入數據庫登錄的用戶名、密碼以及訪問的數據庫名，點擊“正在監聽”按鈕后，連接數據庫，并將有連接的網絡終端信息顯示在“客戶端列表”中，接收到的數據在存入數據庫的同時，顯示在“消息顯示區”中，相關端口的操作信息則顯示在“日志紀錄區”中，操作界面如圖3所示。

該軟件的主要設計流程如圖4所示：首先通過ADO組件與SQL Server數據庫建立連接，然后監聽網絡端口。當有新的連接請求時，則以控件數組形式自動新增Winsock控件，完成TCP方式的連接。網絡連接完成后，當有數據到來時，將觸發Sock_ DataArrival事件。在該事件過程中，將接收到的數據進行驗證和分類，判斷其是轉速信息、報修信息還是其它信息；再根據不同類型數據分別存入對應的數據表中，將驗證信息通過該網絡端口回送；最后將接收和發送信息都存入日志文件中，以記錄系統運行的詳細情況。另外為了節約網絡端口資源，當某個網絡連接長時間無數據傳送時，則認為其為無效連接，程序將自動斷開該連接，空出對應的網絡接口。

圖3 系統數據收發軟件運行界面

圖4 系統數據收發軟件設計流程圖

4.2 設備速度顯示軟件設計

服務器設備速度顯示軟件是以C/S方式設計開發的，并已嵌入企業信息化管理平臺中。該軟件的服務器端部分主要完成對SQL Server數據庫的操作以及轉速與線速度換算的功能，而用戶則通過軟件的客戶端部分來查詢歷史數據或實時數據，并顯示曲線圖。其中日設備速度波動曲線圖如圖5所示，某設備的正常線速度為14～16米/分鐘，可以從圖中看出在一天中共停機6次，超上限速度1次，低下限速度1次。由于停機原因只有設備故障或材料更換兩種，因此可通過參照系統報修記錄，直接判斷各次停機原因。這些數據既可以很直觀的了解設備運行情況，也為工人生產工作考核提供了重要的事實依據。

圖5 系統日線速度波動曲線圖

5 系統的測試與運行

該系統于2013年6月在某線纜企業開始測試與運行，為其廠區17條生產線共安裝了22個終端采集模塊，每天發送近萬條數據至服務器。經過多次調整和完善后，目前各采集終端及服務器端軟件都已經正常工作。從系統運行情況來看，企業生產部門和管理部門能夠及時地掌握各生產線的生產運行情況，也為工人工作考核提供了重要參考，達到了預期的效果。系統充分利用了廠區覆蓋的WIFI網絡傳送數據，具有布點靈活、節省成本的特點；數據傳輸時采用超偏差閾值才發送的方式減輕了網絡數據傳輸壓力，采用數據回送驗證和發送失敗數據暫存的方式避免了因異常導致數據漏傳的情況；終端采集的大量生產數據也將為企業智能化管理和進一步深入分析提供給了豐富的數據資料，系統實施后改變了企業管理滯后的現狀，有效的提高了企業綜合管理能力，在線纜生產的信息化方面都具有較普遍的推廣意義。

[1] http://www.ti.com/lsds/ti/microcontroller/overview. page

[2] 深圳市興威帆電子技術有限公司.IIC串行接口的實時時鐘-SD2405ALPI設計開發手冊，2011

[3] 劉波峰.傳感器原理與工程應用[M].北京：電子工業出版社，2013

[4] 濟南有人物聯網技術有限公司.USR-WIFI232-X型嵌入式模組使用說明，2012

[5] 明日科技.Visual Basic從入門到精通（第3版）[M].北京：清華大學出版社，2012