基于ZigBee和RFID技術(shù)的生產(chǎn)能耗采集

熊智超，陶 波，朱繼軒，毛 博

（華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的步伐不斷加快，制造業(yè)能源消耗已成為國家能源消耗中的主體部分，而面對新的市場競爭壓力，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)能耗已成為推動(dòng)企業(yè)發(fā)展的主要競爭力［1］。因此，在新的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對生產(chǎn)制造過程中所消耗的電力能源進(jìn)行采集、監(jiān)測和評估，對企業(yè)而言，將具有深遠(yuǎn)意義。基于以上考慮，經(jīng)過工廠實(shí)地調(diào)研和理論分析，提出了一種無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對能耗數(shù)據(jù)的采集和傳輸。無線網(wǎng)絡(luò)相比有線網(wǎng)絡(luò)而言，對工廠現(xiàn)有布局影響最小，維護(hù)更加容易。根據(jù)對數(shù)據(jù)的傳輸距離比較分析，提出了利用RFID讀寫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品從部件制造到裝配的全過程能耗采集；并采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，將能耗數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)能耗評估系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。評估系統(tǒng)根據(jù)既定的優(yōu)化策略以及加工過程中的實(shí)際能耗分布情況，給出相應(yīng)優(yōu)化方案，指導(dǎo)優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，從而達(dá)到降低制造能耗的目的，既而降低產(chǎn)品的制造成本。整套系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)采集傳輸和數(shù)據(jù)分析等幾大部分。

1 系統(tǒng)的組成和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

生產(chǎn)能耗采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對各工位能耗的采集，并將所有工位能耗信息傳輸?shù)浇K端能耗評估平臺。系統(tǒng)主要依靠RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)依靠ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的傳輸。從組件上劃分，主要包括標(biāo)簽托盤、工位讀寫器、終端讀寫器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。各組件的功能描述如下:

a.標(biāo)簽托盤。安裝在承載加工件的托盤內(nèi)，并且能夠被RFID讀寫器讀寫的標(biāo)簽。由于系統(tǒng)采用的是低頻讀寫，所以標(biāo)簽的頻率是125kHz。

b.工位讀寫器。安裝在加工或裝配線各工位上，能夠?qū)崿F(xiàn)對標(biāo)簽信息讀取的RFID裝置。裝置主要作用是機(jī)床在完成工位的加工任務(wù)后，將該工位的能耗信息值以非接觸方式寫入標(biāo)簽托盤。

c.終端讀寫器。安裝在加工或裝配線最后一個(gè)工位上，能夠?qū)崿F(xiàn)對標(biāo)簽信息讀取并具備ZigBee無線數(shù)據(jù)收發(fā)功能的裝置。該裝置作為系統(tǒng)的重要組件，主要負(fù)責(zé)能耗信息的采集和傳輸，以及接收從上位機(jī)能耗評估平臺發(fā)送過來的產(chǎn)品附加信息。

d.網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起方，并扮演ZigBee協(xié)調(diào)器的工作，完成與終端讀寫器間的數(shù)據(jù)收發(fā)以及與上位機(jī)能耗評估平臺的數(shù)據(jù)傳輸工作。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)形成網(wǎng)絡(luò)，在掃描可用信道后選擇一個(gè)合格信道以及一個(gè)擴(kuò)展PAN ID，網(wǎng)絡(luò)形成后，協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)樹的根，以及與其他網(wǎng)絡(luò)溝通的橋梁，是網(wǎng)絡(luò)中信息的匯聚點(diǎn)［2］。

1.2 工作流程

系統(tǒng)上電后由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并初始化網(wǎng)絡(luò)信息，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)PAN ID；終端讀寫器在搜尋到ZigBee網(wǎng)絡(luò)后請求加入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)所有終端讀寫器都加入網(wǎng)絡(luò)后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)即進(jìn)入正常工作狀態(tài)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)。當(dāng)生產(chǎn)線處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，標(biāo)簽托盤作為能耗信息的載體，按照設(shè)定的加工工藝流程在加工線或裝配線上各工位依次停留，生產(chǎn)線簡化模型如圖1所示。在起始工位位置安裝的終端讀寫器主要完成對標(biāo)簽托盤信息初始化的工作，將生產(chǎn)線代號、加工產(chǎn)品代號和產(chǎn)品批次代號寫入標(biāo)簽中，并將初始工位的能耗值寫入標(biāo)簽托盤。在完成后續(xù)相應(yīng)工位的加工任務(wù)后，該工位處安裝的工位讀寫器將會向標(biāo)簽中寫入能耗值，標(biāo)簽托盤隨傳送帶進(jìn)入下一工位。在進(jìn)入生產(chǎn)線的終端工位后，安裝在此處的終端讀寫器首先需要完成對標(biāo)簽初始化信息的驗(yàn)證工作，在確認(rèn)信息與設(shè)定值匹配后，向標(biāo)簽托盤中寫入該工位的能耗值并讀取之前所有工位對應(yīng)的能耗值，同時(shí)終端讀寫器作為ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將能耗信息發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在完成數(shù)據(jù)接收后，經(jīng)過處理，以串行方式發(fā)送至上位機(jī)能耗評估軟件；評估軟件完成對數(shù)據(jù)的最終分析和處理工作，給出能耗優(yōu)化策略和生產(chǎn)優(yōu)化建議。ZigBee網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

2 方案設(shè)計(jì)

能耗采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要組件包含工位讀寫器、終端讀寫器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。從功能上分析，終端讀寫器既具備工位讀寫器對RFID標(biāo)簽的讀寫功能，又具備網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，因此，針對采集傳輸系統(tǒng)的方案描述將以終端讀寫器為主體。

終端讀寫器主要將最后工位處的能耗值寫入標(biāo)簽托盤，并依次讀取標(biāo)簽托盤中存儲的所有工位的能耗值以及標(biāo)簽的地址信息。標(biāo)簽地址信息主要包括生產(chǎn)線代號、產(chǎn)品代號和批次代號等。在完成對標(biāo)簽的讀寫操作后，按照約定的數(shù)據(jù)格式將生產(chǎn)信息和能耗信息發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。其硬件組成主要包括電源穩(wěn)壓模塊、微處理器模塊、能耗采集接口模塊、時(shí)鐘模塊、狀態(tài)指示模塊、復(fù)位模塊、操作按鍵、外部通訊接口、RFID射頻模塊和ZigBee模塊。具體組成如圖3所示。狀態(tài)指示模塊為系統(tǒng)的工作狀態(tài)提供直觀的指示功能，當(dāng)系統(tǒng)工作正常時(shí)綠色指示燈間歇閃爍工作，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，紅色指示燈閃爍，并根據(jù)閃爍頻率的差異表明故障產(chǎn)生的原因。

圖3 終端讀寫器結(jié)構(gòu)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

由于讀寫距離近，同時(shí)為降低讀寫器間的相互干擾，終端讀寫器射頻模塊采用低頻125kHz設(shè)計(jì)方案，射頻器件采用EM Microelectronic公司的EM4095芯片。EM4095通過天線連續(xù)發(fā)射射頻載波信號，為電子標(biāo)簽提供能量，激活電子標(biāo)簽；在工作模式下主要實(shí)現(xiàn)對發(fā)射信號的調(diào)制，將數(shù)據(jù)通過天線傳送給電子標(biāo)簽；同時(shí)通過天線接收電子標(biāo)簽返回信號，并對接收的信號進(jìn)行解調(diào)，從而得到電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)［3］，傳送給微處理器進(jìn)一步處理。射頻收發(fā)電路原理如圖4所示。LA（天線電感值），C1，C2，C3，C4和C5組成LC串聯(lián)諧振天線，諧振頻率為f＝1／（2π），其中C0＝C1‖C2‖C3＋C4‖C5。天線的工作電流與諧振電路Q值有關(guān)，可在天線線圈LA上并聯(lián)一只電阻，調(diào)節(jié)Q值。

圖4 EM4095射頻收發(fā)模塊

ZigBee模塊的主控部分采用TI（德州儀器）公司最新的CC2530芯片。相比以前的CC2430產(chǎn)品，CC2530的RF性能更加優(yōu)越，在存儲空間上具有32kB／64kB／128kB／256kB的可編程 Flash和8 kB的RAM并且支持多種協(xié)議。CC2530芯片滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用，具有低成本、低功耗的特點(diǎn)。芯片內(nèi)部結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器，用于搭建功能健全、價(jià)格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)［4］。

在ZigBee收發(fā)模塊天線設(shè)計(jì)上采用PCB印刷天線和Whip天線2種方式。PCB印刷天線成本低、尺寸小，因此在系統(tǒng)調(diào)試過程中可直接采用PCB天線，但印刷天線通訊距離較近，達(dá)不到工業(yè)場合需求，實(shí)際運(yùn)行中采用外接 Whip天線。由于PCB天線設(shè)計(jì)工藝復(fù)雜，芯片提供商一般會給出參考設(shè)計(jì)。在此系統(tǒng)中，PCB天線按照芯片廠商給出的參考圖來設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 CC2530微帶Balun的PCB圖

2.2 程序設(shè)計(jì)

終端讀寫器主要任務(wù)包括:通過對標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀寫，獲取生產(chǎn)線上各工位加工或組裝的能耗信息；將獲取的能耗信息按照約定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。其中前一部分工作主要是對RFID射頻模塊的操作，后一部分工作主要是對ZigBee模塊的操作。系統(tǒng)上電后完成初始化工作，主要包括I／O端口初始化、時(shí)鐘初始化和通訊接口初始化。作為ZigBee節(jié)點(diǎn)首先需要搜尋網(wǎng)絡(luò)，尋找路由節(jié)點(diǎn)或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，在搜尋到網(wǎng)絡(luò)的存在后請求加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為其分配網(wǎng)絡(luò)ID，在收到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的應(yīng)答后將自身節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的端點(diǎn)號、簇號等信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器［5］。在加入網(wǎng)絡(luò)成功后終端讀寫器需要完成對標(biāo)簽的讀寫，若標(biāo)簽托盤尚未進(jìn)入最后工位，讀寫器則處于休眠模式，在檢測到標(biāo)簽托盤進(jìn)入最后工位并完成該工位的加工任務(wù)后，讀寫器首先對標(biāo)簽托盤進(jìn)行讀操作，驗(yàn)證標(biāo)簽地址信息，包括生產(chǎn)線代號、產(chǎn)品代號和批次代號，在確認(rèn)以上信息均正確的情況下進(jìn)行寫操作，將該工位的能耗值寫入對應(yīng)的標(biāo)簽地址中，并讀取該標(biāo)簽托盤中存儲的其他工位能耗信息。終端讀寫器根據(jù)約定的數(shù)據(jù)格式將所有的能耗信息通過ZigBee模塊發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。在收到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送的應(yīng)答信號后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一個(gè)標(biāo)簽托盤喚醒。終端讀寫器程序流程如圖6所示。

圖6 終端讀寫器程序流程

3 能耗分析

能耗數(shù)據(jù)采集工作主要是為能耗評估軟件提供參考數(shù)據(jù)，針對能耗數(shù)據(jù)的深度分析才能給出合理的優(yōu)化方案。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于PC平臺的能耗評估軟件。該評估軟件能夠記錄不同生產(chǎn)線不同工位的能耗信息，并以變化曲線的形式直觀表示能耗的變化過程。通過統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品的總能耗超標(biāo)率以及各工位能耗超標(biāo)率找出能耗較高的工位信息，并針對該工位的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到降低生產(chǎn)能耗的目的。

同時(shí)通過該評估軟件可實(shí)現(xiàn)對加工設(shè)備穩(wěn)定性進(jìn)行分析。如圖7所示，工位1超標(biāo)0.13kW·h，占總超標(biāo)的13.58%；工位2超標(biāo)0.45kW·h，占總超標(biāo)的47.02%；工位3超標(biāo)0.10kW·h，占總超標(biāo)的10.45%；工位4超標(biāo)0.107kW·h，占總超標(biāo)的11.18%；工位5超標(biāo)0.17kW·h，占總超標(biāo)的17.76%。可以看出，工位2超標(biāo)率最高，說明實(shí)際能耗值比理論能耗值高很多，應(yīng)對工位2處的加工設(shè)備進(jìn)行檢查，在設(shè)備故障沒有完全凸顯的時(shí)候及時(shí)維修，從而降低設(shè)備維護(hù)成本，延長設(shè)備使用壽命。

圖7 工位能耗超標(biāo)率

4 結(jié)束語

論述了RIFD技術(shù)和ZigBee技術(shù)在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)能耗采集監(jiān)測的具體方式，并對能耗評估系統(tǒng)中的信息采集傳輸部分工作流程作了詳細(xì)說明。同時(shí)對RFID讀寫器和ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析，并給出了程序流程圖。最后結(jié)合實(shí)際運(yùn)行過程中采集的能耗數(shù)據(jù)以及能耗評估軟件給出的能耗變化曲線，證明了采用此種數(shù)據(jù)交互的方式是有效的，并且其可靠性以及穩(wěn)定性也得到了一定的驗(yàn)證。

［1］陳佳貴，黃群慧，鐘宏武，等.中國工業(yè)化進(jìn)程報(bào)告［R］.北京:社會科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2008.

［2］沈建華，郝立平.STM32W無線射頻ZigBee單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［3］EM Microelectronic.Read／Write analog front end for 125kHz RFID basestation［Z］.2009.

［4］Texas Instruments.CC253xsystem－on－chip solution for 2.4GHz［Z］.2009.

［5］高守瑋，吳燦陽，楊 超，等.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.