基于物聯網的服裝吊掛生產線的設計與實現

趙 勇，黃 東，張天開，齊秀娟，張夢洋

（青島理工大學 自動化學院，青島 266033）

人們的生活日新月異，這促使了人們在服裝的消費方式和消費結構上都有了很大的改變。個性體現和追求時尚在消費者心中的地位越來越高，同時消費者越來越注重衣服的質量和樣式，這種消費觀念的改變直接影響了傳統服裝生產行業的變革。因此，開發一種提升服裝加工生產規模和生產能力的生產線變成一個越來越值得研究的方向。

傳感器技術、RFID標簽和嵌入式系統技術是物聯網的3項關鍵技術[1]，基于此，提出一種基于物聯網技術，多個加工工作站與上位機信息管理系統相結合的服裝吊掛生產線系統的設計方案。

1 總體設計

1.1 服裝生產工藝流程

服裝生產基本工藝流程包括驗布、裁剪、印繡花、縫制、整燙、磨練、包裝7個過程[2]。生產線主要是完成7個過程中的縫制工藝。縫制工藝把服裝的縫制過程拆解成多個工序，并將工序按照加工順序編號分給相應的工作站。同一個工序可由多個工作站加工，一個工作站可以加工不同的工序。工作站都有一個ZigBee節點，各個工作站ZigBee節點和ZigBee協調器構成自組織網絡，加工過程中，工作站通過無線網絡將加工過程的相關信息匯總到ZigBee協調器，ZigBee協調器利用串口通信上傳到生產線管理系統，具體實現過程如圖1所示。

圖1 服裝生產工藝流程圖Fig.1 Flow chart of garment production process

文中涉及到的吊架代表一件服裝的加工過程，吊架上掛滿單件服裝加工需要的裁剪布料。每個吊架都貼有一個125 kHz低頻RFID標簽，RFID閱讀器讀到的標簽ID號即為吊架ID。工作站的數量根據需要自由設定，工作站可以設置成準備站、加工站、管理站、結束站4種屬性，一條流水線必須有一個準備站和結束站，加工過程中加工站和管理站可以相互切換。

1.2 工作站工作原理

工作站控制系統原理如圖2所示。設計將控制系統分成進站、加工、出站3個過程，圖中虛線框表示3個過程。進站各有一個閱讀器R1、繼電器J1和光電開關S1。吊架在環形的軌道行進時，R1讀取經過吊架的ID，如果吊架此時需要加工的工序與工作站設定加工工序匹配，J1動作，氣動閥V1打開，吊架進入工作站待加工區，S1感應后，記錄待加工區內吊架的數量，待加工區內吊架累計數量超過設定上限，吊架將不再進入此工作站。吊架處于加工過程時，操作工人完成此吊架加工后，按下按鈕B，繼電器J2和J3同時動作，氣動閥V2和氣動閥V3打開，待加工區一個吊架進入加工區，加工完畢的吊架經過提升機進入待出站區，光電開關S2感應，工作站中吊架總數減少一個。如果光電開關S3檢測經過吊架推頭為空位，那么繼電器J4動作，氣動閥V4打開，吊架重新進入軌道，閱讀器R2讀取吊架的ID。隨著出站過程的結束，吊架進入下一個工序的加工過程，如圖中虛線箭頭所示。其中，觸摸屏作為人機交互界面用來設置工作站，同時，工作站通過ZigBee構成的無線網絡與生產線管理系統通信。

圖2 工作站控制系統原理Fig.2 Principle of the workstation control system

2 工作站設計

2.1 系統硬件

工作站的硬件設計主要包括工作站控制核心、工作站ZigBee節點和ZigBee協調器3部分。其中ARM微處理器STM32F103VET6作為工作站的主控制器，ZigBee部分采用無線射頻收發芯片CC2530。

2.1.1 工作站控制核心

STM32采用ARM最新的Cortex-M3內核，處理速度最高可達72 MHz，RSIC指令結構減少了開發難度。STM32具有豐富的外設資源：滴答時鐘Systick、FSMC 液晶屏接口、3 路 USART、2路 SPI等[3]。依靠STM32強大的硬件資源，設計很方便地在其外圍電路中擴展了顯示模塊、通信模塊、普通I/O輸入輸出模塊。

根據工作站的功能與工作原理，完成如下所示電路設計。

（1）顯示模塊：STM32中 FSMC接口管腳與液晶控制芯片SSD1963相連，對液晶進行續寫操作；SPI1總線實現對觸摸芯片ADS7843的控制。

（2）通信模塊：STM32的 PA2和 PA3與 ZigBee的P0_2和P0_3直接相連實現串口通信；RFID閱讀器讀寫是通過485總線產生的，所以USART1首先要經過MAX485芯片將TTL邏輯電平轉換成RS-485邏輯電平，同時，USART1和閱讀器是一對三的關系，USART1依次對3個閱讀器進行讀寫。

2.1.2 CC2530電路

CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SOC）解決方案，同時，CC2530結合了德州儀器在業界領先的黃金單元ZigBee協議棧（Z-StackTM），提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案[4]。本系統中射頻電路都是由TI官方提供，ZigBee協調器與管理系統通信都是通過串口產生的，所以采用MAX232CE進行串口電平轉換。協議棧默認配置P0_2作為RX端，P0_3作為TX端。

2.2 軟件設計

2.2.1 基于μC/OS-II的軟件實現

μC/OS-II[5]是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的搶占式實時多任務操作系統，絕大部分代碼是用C語言編寫的，包含小部分匯編代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。基于STM32的μC/OSII操作系統的內部架構從底層到上層依次為硬件層、驅動程序層、嵌入式操作系統層和應用程序層，如圖3所示。

圖3 工作站系統內部架構Fig.3 Inner architecture of the workstation

μC/OS-II系統初始化是通過調用OSInit（）實現的。OSInit（）初始化μC/OS-II所有的數據結構和所有變量，建立空閑任務OS_TaskIdle（）。通過調用OSStart（）啟動μC/OS-II操作系統，創建任務函數體，分配任務棧。傳遞任務地址、堆棧地址和優先級，在main（）中完成啟動流程和任務運行前的STM32外部硬件初始化和用于實現任務間通信的事件控制塊的初始化。

該工作站的軟件體系基于STM32硬件平臺，首先進入Bootloader程序，上電后首先運行Bootloader，實現硬件設備初始化，為調用操作系統內核做好準備，引導程序使用vboot。然后初始化μC/OS-II操作系統，調用應用程序。應用層程序主要有：顯示任務、數據通信任務、普通I/O輸入輸出任務等。軟件結構框圖如圖4所示。

圖4 工作站軟件結構框圖Fig.4 Structure diagram of workstation software

μC/OS-II是按照系統中一個CPU設計的，在這種系統中，只能有一個任務在具體時刻會占用CPU運行，而其他任務只能進入睡眠狀態、就緒狀態、等待掛起狀態或被中斷狀態。在操作系統的管理下，一個任務可以在這5個狀態之間相互轉換。以顯示任務為例，其轉換過程如圖5所示。

圖5 顯示任務的轉化過程圖Fig.5 Transformation process diagram of the display task

嵌入式系統CPU競爭有時間片輪詢和搶占式2種，μC/OS-II采用搶占式。μC/OS-II最多可以創建64個任務，所以優先級有64級，用0～63表示，數字越小，優先級級別越高，不建議使用優先級最高4個和最低4個，所以用戶可以有56個自己的任務。系統的各個任務優先級分配與任務說明如表1所示。2.2.2 ZigBee軟件編寫

表1 系統任務優先級分配與說明Tab.1 Distribution and instructions of system task priority

圖6為協調器和工作站的ZigBee節點軟件實現流程圖[6]。

圖6 ZigBee軟件設計Fig.6 Design of the ZigBee software

（1）在無線網絡中只有一個協調器節點。協調器上電后，首先完成初始化。網絡建立成功后，工作站ZigBee節點發送入網請求，協調器認證后允許節點加入，至此整個無線網絡創建成功。協調器Zig-Bee按照100 ms周期接收PC下傳數據幀，按照數據幀中工作站編號將數據發送給相應站點的Zig-Bee節點，同時讀取工作站ZigBee節點傳來的數據幀，最后將數據幀上傳到PC。

（2）工作站ZigBee加入網絡后，按周期接收協調器發送的數據幀，STM32只有接收到PC數據幀后才會將產生的數據幀通過ZigBee網絡上傳到PC。

3 生產線管理系統設計

3.1 數據庫后臺

數據庫使用微軟公司的SQL Server 2008開發，SQL Server 2008是一個關系數據庫管理系統。根據流水線需求，建立數據庫Cloth。Cloth中主要包含3類表：員工信息、生產任務、生產統計。

表T_ShelfDynamic主要負責連接員工信息、生產任務、生產統計3類表。生產過程中，吊架加工過程動態更新數據都會通過T_ShelfDynamic更新到相應的數據庫表中，T_ShelfDynamic如表2所示。

表2 T_ShelfDynamic表Tab.2 T_ShelfDynamic table

3.2 前臺界面

C#作為前臺界面開發語言，結合ASP.NET技術，采用C/S軟件體系構建3層架構，開發工具為微軟公司的Visual Studio 2010。DbHelperSQL類是由代碼生成軟件生成的，封裝了一些對數據庫數據的讀取、查詢等方法，主要體現一種3層架構的思想。項目中的MangerSystem、MangerSystem.BLL和MangerSystem.DAL分別對應3層架構中的表現層、業務邏輯層和數據訪問層。根據服裝加工工藝的需要，前臺界面包括系統、設置、監測、統計和日志5個一級菜單，前臺界面構成如圖7所示。

4 結語

圖7 前臺界面結構框圖Fig.7 Structure diagram of foreground interface

基于物聯網設計的服裝生產線，結合ZigBee技術、服裝加工技術和數據庫技術，實現了服裝加工縫制工藝的全過程，采用無線傳輸數據的方法，使數據傳輸變得更加方便。同時，以工作站作為獨立單元，配合PC管理軟件，組成一條生產線，結構簡單，可根據需要任意調整工作站的數量，具有良好的推廣價值。此外，本方案還可以進行二次開發，增加手持設備客戶端，企業管理者和用戶通過手機、iPad等設備遠程訪問數據庫，了解加工信息。

[1] 王保云.物聯網技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報，2009，23（12）：1-7.

[2] 陳霞.服裝生產工藝與流程[M].北京：中國紡織出版社，2011.

[3] 劉同法，肖志剛，彭繼衛.ARM Cortex-M3內核微控制器快速入門與應用[M].北京：北京航空航天大學出社，2009.

[4] TI.CC253x User’s Guide[Z]，2010.

[5] Jean J.Labrosse.嵌入式實時操作系統μC/OS-II[M].2版.邵貝貝，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[6] 張玉杰，張文龍.ZigBee在油田遠程監控系統中的應用[J].自動化與儀表，2013，28（4）：21-25.■