光纜生產設備信息采集系統的設計與實現

蘇 濤，楊永杰，祁 楠

（南通大學 電子信息學院，南通 226019）

我國線纜企業經多年的技術改造和設備引進，生產自動化水平基本達到國際水平。在生產管理方面，已初步建立了以企業資源計劃系統ERP（enterprise resource planning）為核心的管理信息系統[1]。但由于我國多數光纜生產設備信息采集采用人工方式，效率低下[2]；部分生產廠家雖采用智能數據采集方法，但往往采集的數據種類單一，不能形成一套完整的數據采集系統；且由于車間設備多，需傳輸的信息量較大，導致數據傳輸不穩定。

本文提出了光纜生產設備信息采集系統的設計方案。其創新點在于基于Cortex-M3微處理器，借助WiFi技術、RFID技術和RS-485通信，將采集終端、客戶端和服務器由WiFi網絡共建于一體，組成一個功能完善的系統，實現對工人上下班信息和生產車間設備使用運行情況的自動采集、存儲與展示。同時軟件設計對傳輸的數據采用相關算法處理，有效避免了數據傳輸不穩定和易受干擾問題。由于數據采集終端與接收端以無線通信形式互聯，因此具有節省線路成本和終端布置靈活的特點。

1 系統框架結構的設計

該系統結構分為3層，如圖1所示。

圖1 系統整體結構框圖Fig.1 System overall structure diagram

數據采集層轉速采集終端使用LJ12A3型接近開關作為轉速傳感器實時獲取設備轉速，電表采集終端從電表上的RS485通訊接口實時讀取表中數據，考勤采集終端通過RFID讀取員工卡中信息，各個采集終端通過SD2405芯片獲取系統時間。

數據傳輸層采集終端獲取相應信息后，對信息進行分類組成發送數據幀，通過WiFi網絡將數據幀傳送至服務器，存儲于數據庫中，以供管理人員查詢分析。

數據管理層將采集終端、服務器和客戶端構建于一個局域網中，并為每個采集終端分配獨立的IP地址，IP地址與服務器在同一子網中。管理人員通過登錄客戶端收發模塊，實時監控各個設備的運行狀況和工人上下班信息，實現了數據采集系統的智能遠程監控。

2 系統硬件設計

系統采集終端包括轉速采集、電量采集、射頻識別（考勤采集），其主要功能：①可靠、準確地采集相關數據；②在預定時間點或接受相關指令時傳送數據；③檢查數據傳輸是否正常和設備是否正常工作，并及時以指示燈告警。

2.1 轉速采集終端

采集終端采用模塊化設計方法，且模塊間可任意組合。轉速采集模塊硬件部分主要包括：Cortex-M3微處理器模塊、LJ12A3型接近開關、USR-WIFI232無線收發模塊、SD2405時鐘芯片模塊、LCD液晶模塊等。其硬件具有數據傳輸可靠、性能穩定和自動化程度高等特點。硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 轉速采集模塊硬件結構圖Fig.2 Hardware structure diagram of speed acquisition module

2.1.1 核心芯片

基于成本、性能和功耗等方面考慮，本系統采集終端核心芯片選用意法半導體（ST）公司生產的STM32F103VET6微處理芯片，該MCU基于ARM Cortex-M3內核，具有高性能、低成本、低功耗特點，且擁有豐富的片上資源[3]，滿足各模塊的設計要求。

2.1.2 通信模塊

為了節省線路成本、增強終端布置的靈活性，數據終端和數據接收端以WiFi通信形式互聯。為保證數據的準確性，WiFi模塊與服務器端采用TCP方式通信。其配置通過網頁配置來實現：設置參數有無線網絡名稱、加密方式、密鑰、串口通信協議、客戶端和服務端，還需設置服務器的IP地址和端口號[4]。其中，串口通信協議的配置和主控芯片的串口配置要一致。配置完成后，即建立了采集終端與遠程服務器的TCP通信鏈路[5]。

2.1.3 傳感器選擇

選用LJ12A3型接近開關作為轉速傳感器，獲取設備的實時轉速。LJ12A3型接近開關具有功耗低、壽命長和穩定性強等特點。從頻譜分析理論可知，接近開關不受各種驅動系統、繼電開關、電磁閥等造成的電磁干擾影響，具有很好的抗干擾能力[6]。接近開關的響應頻率一般為幾百赫茲，在測量單齒轉速時，即n=1，以頻率f=300 Hz為例，則最高可測的轉速為

可滿足大多數旋轉機械設備的測速要求。供電電壓為3～30 V，可直接與嵌入式系統接口相連。

2.2 電量采集終端

該采集終端涉及電表數據輸出接口協議分析，多電表間的數據協調處理和多機通信機制等知識，其設計是繁瑣的，也是非常重要的。電量采集終端同樣采用STM32F103VET6為核心芯片，還包括USRWIFI232無線收發模塊、LCD液晶模塊等。廠區使用的PZ162L型數字電表集成了RS-485通信協議，因此設計中使用MAX485接口芯片作為通訊芯片。

通訊芯片選用低功耗、通訊距離遠、成本低廉的MAX485收發器。MAX485采用單一電源+5 V工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式，可實現最高2.5 Mb/s的傳輸速率。采用RS-485串行總線接口標準以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模干擾的能力[7]。且電路設計簡單，控制方便。

2.3 射頻識別終端

該采集終端包括Cortex-M3微處理器模塊、LCD模塊、WiFi模塊和第三方讀卡模塊TJDZRC522 RFID等。TJDZ-RC522 RFID模塊用于讀取員工卡中信息，選用MiFare one識別卡為員工卡，使用前需進行注冊，將員工相關信息寫入卡內。RFID讀卡模塊用于工人上下班刷卡使用，不僅作為考勤的參考，同時也保證了對采集終端操作的合法性。

其中TJDZ-RC522 RFID模塊采用先進的調制和解調技術，通信頻率為106 kb/s，可與兼容ISO 14443A/MIFARE的卡進行非接觸式通信，具有SPI、UART、I2C 3種接口方式[8]，本設計采用SPI方式。TJDZ-RC522 RFID模塊只有8個引腳，大大簡化了硬件接口設計。圖3為該模塊與主控芯片的連接圖。

圖3 TJDZ-RC522與主控芯片的連接圖Fig.3 Connection diagram of TJDZ-RC522 and master chip

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括信息采集終端軟件、監控中心服務器收發軟件和數據傳輸算法設計。

3.1 轉速采集終端

該采集終端的軟件功能為采集光纜設備實時轉速信息，同時獲取系統時間，并將相關數據組幀經WiFi網絡傳送至服務器端，整個數據采集終端軟件設計在uVision4開發環境下完成。其軟件主要設計流程如圖4所示。

圖4 轉速采集終端軟件流程圖Fig.4 Software flow chart of speed collection terminal

在定時中斷服務子程序流程中，每當時間累計到1 min時，先獲取當前時間T，再進行轉速的采集，對于單齒齒輪，轉速計算公式為

式中：r為轉速，r/min；N為接近開關每分鐘開關的累積次數。

對于多齒齒輪，假設齒輪一圈均勻分布n個齒，則轉速r為

LCD將實時顯示轉速r和時間T，以便維修人員查看。在轉速發送過程中，先將當前轉速r與前1 min的轉速rb比較，其差值須超過設定的偏差閾值才組幀發送。這樣可以在保證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。

3.2 電量采集終端

該模塊整體設計方案為系統初始化后，檢測電表的編號與個數（如需增加電表，只需重啟終端，就可檢測到新添加的電表的編號并重新統計電表個數，這使得設計具有一定的自動化功能），終端在指定時間間隔檢測電表電流值，若電流值未超過電流閾值，則指示燈告警，確保設備的正常運行。其軟件設計流程如圖5所示。

圖5 電量采集終端軟件流程Fig.5 Software flow chart of electricity collection terminal

3.3 考勤采集終端

軟件設計包括UART初始化、LCD初始化、SD2405初始化、數據轉換函數、數據組幀函數、WiFi模塊的配置等，由于與其它采集終端選用同樣的核心處理芯片，程序移植方便，減少了代碼維護的難度。當卡片進入讀卡器天線作用范圍時，卡片獲得能量以維持卡內部電路操作，主控芯片將控制讀卡器進行一系列“尋卡→防沖突→選卡→讀卡”操作[9]后，讀取到卡片上的工人信息；然后通過WiFi模塊將工人信息等組幀發送至服務器。具體設計流程如圖6所示。

圖6 考勤采集終端軟件設計流程Fig.6 Software flow chart of attendance collection terminal

3.4 服務器端軟件設計

服務器數據收發軟件的功能主要是監測TCP端口是否有采集終端送來的數據，并對數據進行分析正確后存入數據庫對應的數據表中，然后回送信息給發送端。軟件采用Visual Basic作為開發環境，為了能夠監測到多路數據，在界面設計中建立了Winsock控件[10]數組，以便根據網絡連接端口的變動靈活調整，而且增加了ADO組件有利于高效訪問SQL數據庫。當有新的連接請求時，就以控件數組形式自動添加Winsock控件來完成TCP方式的連接。當網絡連接成功后，有數據到來時就觸發Sock_DataArrival事件，將接收到的數據進行驗證和分類，判斷其是轉速信息、電量信息還是其它信息；再將不同類型數據存入對應的數據表中，并通過該網絡端口回送驗證信息。

3.5 數據傳輸算法設計

各個采集終端在傳輸數據時，為保證數據傳輸的穩定性和抗干擾能力，對數據進行分類組成發送數據幀，包括每幀數據的起始符和結束符，用于檢測數據傳輸的完整性，若接收不完整則進行二次發送和二次驗證，若仍未收到回送信息，則將數據存入暫存區，并以指示燈告警；同時采用校驗法，即在每幀數據結束符后加一位校驗位，在接收端檢測是否與發送端的校驗位一致，若不同則發送端得到相應指令重新發送數據。經上述算法處理，數據傳輸穩定性和抗干擾能力得到進一步加強。

4 測試結果

該系統已經在中天日立光纜有限公司進行了一系列現場測試和使用，其中轉速采集模塊共安裝22個，電量采集模塊共安裝3個，用于采集廠區所有生產線設備對應的18個電表信息，考勤采集模塊共安裝2個。圖7為服務器端收發模塊。

圖7 服務器端收發模塊Fig.7 Server-side transceiver module

為便于觀察，每種采集終端各測試5組數據，如圖7中消息顯示區所示。第1組數據中，“10.1.90.56”為采集終端的IP地址，每個采集終端都有獨立的IP地址，“2713”為端口號，端口號后面為采集終端傳輸至服務器的數據幀。數據幀格式為：*#<系統時間/12位>#<類型編碼/1位>#<數據1>*<數據 2>…*<數據 n>#&。 每幀數據中，“*”“&”分別為起始和終止符，用于判斷數據接收的完整性。數據類型用“#”隔開。類型編碼中，“C”代表轉速，“A”代表考勤，“D”代表電量。“201409010704”表示采集時間為2014年9月1日7點4分。“119”為設備轉速，單位：r/min。 第6組數據中，“001629”為員工工號，“100”中第一位數字表示上下工狀態（0表示下工，1表示上工），第二位數字表示早、中、晚班（0表示早班，1表示中班，2表示晚班），第三位數字表示上下工的狀態（0表示正常，1表示遲到，2表示早退）。第11組數據中，“03”為電表編號，即電表內部的 ID 號，“020933”為電量消耗，單位 k·Wh，需要除以10，即實際電量為2093.3 k·Wh。采集的數據與實際數據信息完全一致，其成功率、數據傳輸的穩定性和實時性都很好地達到了系統設計的最初要求。

5 結語

本文提出的光纜生產設備信息采集系統，采集終端各司其職，由WiFi網絡共建于一體，并與客戶端及服務器共同組成一個功能完善的系統，借助WiFi技術、RFID技術和RS-485通信技術，實現了信息采集的自動化，解決了目前光纜生產設備信息采集存在的不足。通過現場測試和中天日立光纜有限公司的使用情況得出結論：該系統穩定可靠，且具有成本低、布置靈活等特點，還具有數據傳輸穩定、抗干擾能力強的優勢。該系統不僅能夠為設備的及時維護提供保障，還可使管理者和維護者能夠及時準確掌握設備運行情況及工人上下班信息，有效地提高了企業生產管理水平。

[1]肖體梁.基于物聯網的線纜企業制造執行系統研究及設計[D].成都：電子科技大學，2011.

[2]孫棣華，宋瀟瀟，鄭林江.RFID與條碼融合的離散制造過程自動標識技術[J].計算機工程與應用，2010，46（7）：1-4.

[3]孫書鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應用[J].微計算機應用，2010，31（12）：59-63.

[4]Zhang Yongqiang，Li Liangliang，Zhang Yongjian.Research and design of location tracking system used in underground mine based on WiFi technology[C]//Computer Science Technology and Applications，2009.IFCSTA'09.International Forum on.IEEE，2009：417-419.

[5]盧靈，周賢軍.基于WiFi的嵌入式視頻監控系統設計[J].電視技術，2013，37（1）：157-160.

[6]鄧偉，張翔.接近開關的應用[J].可編程控制器與工程自動化，2012（3）：53-55.

[7]楊娟.RS-485總線通訊可靠性設計措施[J].大眾科技，2008（4）：45-46.

[8]陳保平，王月波，馬伯元.基于MF RC522的Mifare射頻卡讀寫模塊開發[J].微計算機信息，2007，23（11-2）：230-232.

[9]黃瑾，邵利群，趙展.基于ARM的RFID智慧型展示屏設計[J].電視技術，2013，37（11）：216-219.

[10]林國富，汪惠芬，劉婷婷，等.離散制造車間生產數據實時采集系統設計[J].機床與液壓，2011，39（19）：71-74.