基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的注塑機控制系統(tǒng)的設(shè)計

周文輝，黎 萍，何瑞彬

（電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，中山 528402）

塑料注射成型機能一次成型外形復(fù)雜、尺寸精確或帶有金屬嵌件的質(zhì)地密致的塑料制品，被廣泛應(yīng)用于國防、交通運輸，以及人們?nèi)粘Ｉ罡鱾€領(lǐng)域。目前，注塑生產(chǎn)企業(yè)的注塑機普遍采用單機設(shè)定、單機工作模式，缺乏統(tǒng)一有效的管理。管理者對每臺注塑機不能進行更具體和快速的考核，生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題也不能直觀及時地反映出來。這種生產(chǎn)管理模式?jīng)Q定了注塑機的生產(chǎn)效率普遍不高。政府大力推進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級以來，注塑企業(yè)正由勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)“高效、低耗、優(yōu)質(zhì)”的注塑生產(chǎn)管理模式是每個注塑企業(yè)的目標(biāo)。

注塑機普遍處于溫度高、噪音大的生產(chǎn)環(huán)境中，以往調(diào)整機器參數(shù)需要工人進入車間逐臺調(diào)整，不僅人力資源成本高，生產(chǎn)效率低，而且對工人健康產(chǎn)生一定影響。因此，引入Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把注塑機連接起來，形成一個控制群，實現(xiàn)系統(tǒng)集中管理、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)能管理等[1]，能夠有效降低人力資源消耗，提高生產(chǎn)效率，降低設(shè)備維護成本。

1 總體設(shè)計

基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的注塑機控制系統(tǒng)主要包括注塑機控制器、控制面板、Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊和上位機監(jiān)控端，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。典型的Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒ㄐ切巍湫魏途W(wǎng)狀3種。針對系統(tǒng)只有一個控制終端，各控制器處于平行關(guān)系的控制特點，選擇星形拓?fù)洹igbee的網(wǎng)絡(luò)角色包括協(xié)調(diào)器、路由、終端3個角色。Zigbee協(xié)調(diào)器用于啟動整個無線網(wǎng)絡(luò)，處于控制中心。在啟動網(wǎng)絡(luò)后就由其他2個角色加入網(wǎng)絡(luò)。路由能提供節(jié)點路由功能，同時能夠擴張網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。終端是Zigbee網(wǎng)絡(luò)的最邊緣節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載最小，通常在終端上連接各種傳感器和控制設(shè)備。各個Zigbee節(jié)點與Zigbee協(xié)調(diào)器在IEEE 802.15.4無線協(xié)議下進行控制命令以及數(shù)據(jù)的傳輸。注塑機控制器和Zigbee終端節(jié)點，上位機監(jiān)控端和Zigbee協(xié)調(diào)器均使用串口進行通信，達(dá)到數(shù)據(jù)交換的功能[2-3]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of the overall system structure

2 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件包括注塑機控制器、Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊、控制面板。注塑機控制器是系統(tǒng)的核心部件，主要功能是通過對機器狀態(tài)信息的采集，并根據(jù)設(shè)定的參數(shù)和工作模式，以及機器本身的控制要求，進行數(shù)據(jù)處理，輸出控制信號，完成對注塑機的運行控制，同時把注塑機的各種狀態(tài)信息傳送到控制面板。Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊用于無線通信，以及管理主機與外部的通信，主機控制權(quán)限的管理。控制面板用于現(xiàn)場設(shè)定機器工作模式和參數(shù)，顯示機器狀態(tài)信息。

2.1 注塑機控制器

注塑機控制器采用TI公司的TMS320F2812，具有豐富的外設(shè)接口，系統(tǒng)時鐘可達(dá)150 MHz，系統(tǒng)運行速度高，滿足控制器對多任務(wù)、實時性的要求。外設(shè)A/D采樣、D/A輸出、I/O模塊、串口通訊[4]。A/D采樣模塊實現(xiàn)注塑機上壓力、速度、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等傳感檢測的處理、放大；利用對外界傳感器或監(jiān)測裝置訪問的方式，對慢變信號采用輪詢方式按周期T采集，對快變信號采用中斷的方式；對采集到的信號按一定的通信協(xié)議傳輸。D/A輸出模塊主要是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出，用于控制液壓系統(tǒng)的比例閥和流量閥。I/O模塊主要用來驅(qū)動繼電器、電磁閥等，同時檢測限位開關(guān)以及其他開關(guān)量信號，以此來判斷當(dāng)前注塑機的工作狀態(tài)。

2.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊

Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊使用Jennic公司的JN5139R1芯片，片上擁有2.4 GHz無線收發(fā)器的32位高性能低功率單片機，支持Zigbee協(xié)議技術(shù)規(guī)范，具有中繼、自動路由、自組網(wǎng)的功能，實現(xiàn)近距離無線通訊的目的。Zigbee終端節(jié)點處于注塑機控制器和控制面板之間，用于轉(zhuǎn)發(fā)兩者的通信數(shù)據(jù)。對注塑機控制器既可以通過無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，也可以通過控制面板現(xiàn)場控制。Zigbee路由功能用于網(wǎng)絡(luò)擴展以及無線消息的傳遞。Zigbee協(xié)調(diào)器處于監(jiān)控位置，所有Zigbee終端都向協(xié)調(diào)器收發(fā)消息，通過串口與上位機監(jiān)控端連接。

2.3 控制面板

控制面板需要設(shè)計良好的人機界面，方便修改并存儲注塑成型所用信息，如各段料筒溫度設(shè)置、開鎖模、射膠、熔膠等的位置、時間參數(shù)、注塑機的運行歷史數(shù)據(jù)等。這些信息也可以通過USB接口保存至U盤，或者通過網(wǎng)絡(luò)上傳至中央控制室，便于進行數(shù)據(jù)分析。本系統(tǒng)的控制面板采用SAMSUNG2410作為微處理器，主頻高達(dá)203 MHz，配備大容量的SDRAM、NAND FLASH，采用底板與核心板分離的設(shè)計架構(gòu)，便于擴展外圍設(shè)備。底板集成了所需外圍接口，包含串口、LCD接口、音頻接口、USB接口等，鍵盤采用C51控制。

3 軟件設(shè)計

3.1 控制面板與控制器軟件設(shè)計

控制面板軟件包含顯示和通信模塊，程序流程如圖 2所示。 系統(tǒng)軟件在 Linux 2.6.31內(nèi)核和YAFFS2文件系統(tǒng)上開發(fā)，程序采用C++編寫，通過MinGWStudio進行代碼編譯，利用QT/E進行人機界面開發(fā)。

圖2 控制面板程序流程Fig.2 Program flow chart of control panel

控制器是以DSP為核心的控制系統(tǒng)，其主要任務(wù)是A/D采樣、D/A輸出、I/O掃描、接受上位機指令并做出相應(yīng)的處理，控制注塑機的工序動作。控制器軟件包括通信模塊、溫度檢測控制模塊、比例閥控制模塊、位移檢測模塊、工藝流程控制模塊等，控制器主程序流程如圖3所示，主程序采用單任務(wù)循環(huán)處理的程序結(jié)構(gòu)，可以提高系統(tǒng)響應(yīng)中斷的實時性。

圖3 控制器主程序流程圖Fig.3 Main program flow chart of controller

3.2 Zigbee節(jié)點軟件設(shè)計

JN5139芯片上電后由AppColdStart函數(shù)啟動，在AppColdStart函數(shù)中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)，如：PAN的channel，PANID。只有網(wǎng)絡(luò)的 channel和PANID相同，才能加入同個網(wǎng)絡(luò)。通過bBosRun函數(shù)啟動BOS基本任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，此后進行初始化操作。接著調(diào)用JZS_u32initsystem初始化Zigbee協(xié)議棧，如果協(xié)議棧初始化成功，協(xié)議棧則調(diào)用JZA_boappstart函數(shù)。JZS_vstartstack函數(shù)用以啟動Zigbee協(xié)議棧。如果在初始化中沒有指定手動組網(wǎng)，那么信道掃描、能量掃描、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、嘗試加入網(wǎng)絡(luò)等將由協(xié)議棧自動完成。當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)事件時，協(xié)議棧便會調(diào)用JZA_vStackEvent函數(shù)通知用戶發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)事件。如果在協(xié)調(diào)器發(fā)生JZS_EVENT_NWK_STARTED表示啟動網(wǎng)絡(luò)成功，其他網(wǎng)絡(luò)角色發(fā)生JZS_EVENT_NWK_JOINED_AS_ROUTER或者JZS_EVENT_NWK_JOINED_AS_END-DEVICE表示加入網(wǎng)絡(luò)成功。其中協(xié)調(diào)器的啟動流程如圖4所示，其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的啟動過程類似，只是判斷的網(wǎng)絡(luò)事件不一樣而已[5]。

圖4 Zigbee協(xié)議棧啟動流程Fig.4 Startup process of Zigbee protocol stack

Zigbee協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)啟動成功后由BOS定時調(diào)用loop中斷定時程序，在loop中斷定時程序中完成各個節(jié)點發(fā)送回來的數(shù)據(jù)整合，并把數(shù)據(jù)通過串口回傳給上位機監(jiān)控端。Zigbee協(xié)議棧管理網(wǎng)絡(luò)事件、啟動網(wǎng)絡(luò)，檢測網(wǎng)絡(luò)事件的發(fā)生，包括節(jié)點加入、數(shù)據(jù)發(fā)送接收，串口中斷檢測是否有指令下達(dá)，繼而完成指令的執(zhí)行與反饋。路由節(jié)點具有網(wǎng)絡(luò)路由功能，它維護一個節(jié)點連接列表，有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)經(jīng)過路由時，通過查找連接列表，如果節(jié)點在連接列表中則路由數(shù)據(jù)到連接節(jié)點，否則將路由到下一個路由器。Zigbee終端在BOS定時中斷中采集相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給Zigbee協(xié)調(diào)器，由Zigbee協(xié)調(diào)器進行下一步的處理。當(dāng)節(jié)點啟動網(wǎng)絡(luò)成功或者加入網(wǎng)絡(luò)成功后，就由BOS管理資源。協(xié)調(diào)器、路由器、終端的主要邏輯就在硬件中斷、協(xié)議中斷或者BOS中斷上，其處理中斷的邏輯如圖5所示。

3.3 上位機監(jiān)控終端軟件設(shè)計

上位機監(jiān)控端軟件設(shè)計運行在Windows系統(tǒng)，并且使用 MFC（microsoft foundation classes）構(gòu)架，監(jiān)控界面如圖6所示。設(shè)計了注塑機狀態(tài)、無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、產(chǎn)能管理、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)設(shè)定等5個功能模塊。通過注塑機狀態(tài)頁面能實時監(jiān)測注塑機的聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)以及工作狀態(tài)；無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)頁面用于配置無線組網(wǎng)，添加刪除網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，觀察節(jié)點數(shù)據(jù)情況；產(chǎn)能管理頁面管理注塑機的產(chǎn)能，生成生產(chǎn)報表；遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定用于遠(yuǎn)程設(shè)定注塑機參數(shù)；系統(tǒng)設(shè)定頁面提供軟件系統(tǒng)的全局設(shè)置。將各功能封裝成DLL（dynamic linkable library）動態(tài)鏈接庫，DLL為進程提供了一種可以調(diào)用不屬于其可執(zhí)行代碼范圍內(nèi)的函數(shù)。系統(tǒng)中DLL為各個模塊提供服務(wù)，有利于資源共享，提高代碼利用率，同時也方便軟件的維護[6]。各DLL實現(xiàn)的功能如下。

圖5 Zigbee軟件的邏輯框架Fig.5 Logical framework of Zigbee software

圖6 上位機監(jiān)控界面Fig.6 Monitor interface of host computer

（1）ZigbeeStack.dll 定義上位機和主控芯片的通信協(xié)議棧，對串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行協(xié)議分析處理。

（2）Uart.dll 管理串口連接，掃描串口、連接串口、串口驗證、接收、發(fā)送數(shù)據(jù)。

（3）LogMark.dll 記錄系統(tǒng)日志，保存歷史，讀取配置文件、寫入配置文件。

（4）DBServer.dll SQL 服務(wù)，寫入、讀取記錄。

（5）NetServer.dll管理網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，接受連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 系統(tǒng)組網(wǎng)測試

系統(tǒng)測試需要首先驗證Zigbee模塊組網(wǎng)的功能。通過串口連接Zigbee協(xié)調(diào)器與上位機，啟動Zigbee協(xié)調(diào)器，等待網(wǎng)絡(luò)啟動成功，啟動Zigbee路由節(jié)點，再啟動Zigbee終端節(jié)點。通過串口可以將Zigbee組網(wǎng)狀態(tài)打印出來，包括節(jié)點的短地址和MAC地址等節(jié)點信息。Zigbee組網(wǎng)測試正常后將Zigbee終端節(jié)點安裝到注塑控制器上，連接好必要的線路，與注塑控制器進行通信，繼而實現(xiàn)對控制器的檢測和控制。線路連接正確后運行上位機軟件，選擇正確的串口后上位機將連接上Zigbee協(xié)調(diào)器，通過上位機監(jiān)控界面可以查看各注塑機的狀態(tài)，包括查看各個節(jié)點的通信是否正常，發(fā)回的注塑機狀態(tài)信息是否完整、正確等。點擊任一注塑機節(jié)點進入設(shè)置界面，通過發(fā)送測試參數(shù)可驗證對應(yīng)的注塑機控制器是否能正確接收。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點無遮擋可靠通信距離是80 m左右，如遇遮擋物則會出現(xiàn)信號快速衰減。因此對于車間內(nèi)距離超過80 m或有墻壁阻隔的注塑機之間，需加裝Zigbee路由節(jié)點以擴大網(wǎng)絡(luò)傳輸范圍，保證通信的有效性和可靠性。

5 結(jié)語

Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到注塑機控制系統(tǒng)中，不僅避免了復(fù)雜的現(xiàn)場布線施工，而且Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)具有自組織、低成本、低功耗，可靠性高等特點。通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)對注塑機控制器進行遠(yuǎn)程操控，實現(xiàn)了注塑車間多臺注塑機的參數(shù)設(shè)置、運行調(diào)試和產(chǎn)量控制。系統(tǒng)的投入使用將大大降低注塑生產(chǎn)對人力資源的依賴程度，進一步提高生產(chǎn)效率。

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