可組網的智能配方管理稱量系統的設計與實現

陳達聾，洪永強，鄭文楷，馬向輝，何珊珊，陳勁夫，薛文東

（廈門大學物理與機電工程學院，福建廈門361005）

可組網的智能配方管理稱量系統的設計與實現

陳達聾，洪永強，鄭文楷，馬向輝，何珊珊，陳勁夫，薛文東*

（廈門大學物理與機電工程學院，福建廈門361005）

針對國內配料生產型企業中普遍存在的人工稱量低效能、生產數據管理分散等問題，綜合利用嵌入式系統、數據庫、計算機網絡通信，開發設計了一種可組網的智能配方管理稱量系統，該系統由稱量終端、監控終端、服務器端組成.稱量終端具有智能配方管理功能，可以進行準確的配料稱量及生產流程控制，確保產品質量.服務器端與稱量終端通過無線網絡連接，管理人員可遠程監控終端工作情況，并實時下發配方數據及工作計劃.系統通過組網實現配方和稱量數據遠程管理，提高企業生產效率及管理水平.

嵌入式系統；組網；配方管理；稱量系統

在一些配料生產型企業中，目前配料稱量仍處于依賴工人經驗進行生產的模式，容易受人為因素的影響，準確度和效率低，數據管理分散，影響產品質量監控［1］.大型工廠采用的自動投料生產線，如梅特勒-托利多公司的自動配料終端，其價格昂貴，一般企業難以承受.而一些較為廉價的配料稱量儀表，大多數是基于單片機和小型嵌入式系統，受限于處理速度和系統支持，無法提供完整的網絡和數據庫功能.本文基于嵌入式系統設計了一套低成本、可組網、可定制的智能配方管理稱量系統.該系統可貫穿企業管理、生產、監控、追溯全流程.管理者可遠程同步配方數據，實時監控稱量數據，實現了產品生產的遠程監控、遠程管理及質量管理信息化，應用前景廣泛.

1 智能配方管理稱量系統的設計方案

為了實現智能配方管理稱量系統的三大功能——組網、智能配方管理、配料稱量.本文所設計的系統按照結構分為3部分：稱量終端、生產監控終端、服務器端［1-2］.系統構成詳見圖1.

如圖1所示，稱量終端作為整套系統核心，分布于生產線各個環節上，用于顯示配方數據和進行配料稱量，并輔以掃描槍等外設，使用戶可以快速搜索配方配料，確保正確操作.稱量完成后生產數據保存在本機數據庫中，并通過無線網卡接入網絡，上傳至服務器端.此外，稱量終端還具有出入庫管理、條碼打印等功能.

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure

服務器端是實現系統組網及配方管理的重要組成部分.服務器端運行后可自動連接已開機的稱量終端，并自動同步各終端未同步數據.管理人員還可通過服務器端管理配方，并通過網絡直接下發配方及生產計劃.同時服務器端歷史數據查詢模塊可供管理人員更好地了解生產情況，制定科學的生產計劃.

生產監控終端既可以是個人電腦也可以是手機、平板電腦等移動設備.在系統中，其既可以與稱量終端直接通信，獲取稱量終端實時工作情況，也可以訪問服務器端數據庫，查詢歷史數據.

2 稱量終端的設計與實現

稱量終端在系統中提供配方稱量，配方顯示，數據臨時存儲等功能，其硬件由主控制模塊，人機交互模塊、電源模塊、數據采集模塊組成.其硬件結構圖如圖2所示.

圖2 稱量終端硬件結構圖Fig.2 Weighing terminal hardware structure

2.1 主控制模塊及人機交互模塊

主控制模塊用于實現終端控制系統的控制邏輯、數據處理分析、數據存儲、提供條碼打印機、U盤和網絡等外設接口，為人機交互模塊、數據采集模塊提供數據接口.

系統采用ARM11 CPU（S3C6410）作為主控制器，主頻為533 MHz，系統內存為256 MB，閃存NAND FLASH為256 MB用于存儲操作系統及用戶程序，系統設計有SD卡接口電路，SD卡用于存儲終端稱量的歷史數據.主控板設計有2個RS232串口，可用于連接熱敏打印機及PC機等，一個RS485串口，可用于外接自動投料設備和其他控制器.以太網口包括100 MB以太網口和無線網卡，使終端可以通過路由器或交換機連接到服務器端，進行組網和數據傳輸.3個USB2.0接口可用于連接鼠標、鍵盤、U盤等設備，可以在無網絡支持的情況下從U盤導入配方及導出稱量歷史數據.主控制模塊上還設計有聲卡電路和報警蜂鳴器，用于連接外置功放器、耳機或直接發出設備報警信號.

主控制模塊運行Linux嵌入式操作系統，界面程序通過驅動程序訪問數據采集模塊和網絡等其他外設實現配料稱量、數據同步等功能，并構建了適于嵌入式系統使用的SQLite數據庫以保存配方數據和歷史生產數據，利用Linux文件系統，使用XML文件保存系統設置等信息.

人機交互模塊硬件主要包括主要包含15.2 cm× 9.1 cm LCD顯示屏、電容屏、背光源控制電路以及相關的驅動和穩壓電路.軟件基于QT4編寫圖形化的人機界面，能夠直觀友好地實現人機交互.

2.2 數據采集及濾波模塊

數據采集模塊硬件主要由壓力傳感器、濾波電路和A/D轉換器組成.本文中的A/D轉換器與主控制模塊通過SPI串口通信.本文基于Linux SPI總線驅動編寫了驅動程序，實現稱量數據采集和后期數據處理.

終端采用的傳感器為電阻應變式傳感器.選用的傳感器系列靈敏度為2 m V/V，精度為0.02%.當采用5 V電源供電時，滿量程輸出為10 m V［3］.

終端采用的A/D轉換器CS5532-BSZ是Cirrus Logic公司的高精度雙通道24位串行A/D轉換器.其內部有一個極低噪聲的斬波穩定儀表放大器（6 n V/Hz＠0.1 Hz），7種增益可選.CS5532內部還有一個4階的ΔΣ調制器，其后跟隨一個數字濾波器，提供20種可供選擇的輸出字速率（MCLK=4.915 2 M Hz）.高動態范圍、可編程輸出字速率和靈活的電源配置選項等優點，使得CS5532成為用于稱量儀表和過程控制的理想產品.

對于稱量數據采集模塊，其稱量精度由A/D芯片分辨率和傳感器共同決定.

稱量精度=VSENSORFS/VADmin，（1）式（1）中，VSENSORFS為傳感器滿量程輸出電壓，VADmin為A/D芯片能分辨的最小電壓變化.

A/D芯片能分辨的最小電壓是有關A/D芯片滿量程輸入信號（VFS）和A/D芯片無噪聲分辨率的函數.

式（2）中，Bits為A/D芯片無噪聲分辨率，可由芯片手冊獲得.

CS5532的VFS由增益設定和VREF+、VREF￣之間的參考電壓決定.

式（3）中，G為放大器增益，CS5532有7種放大增益可選，A取決于配置寄存器中的電壓基準選擇位VRS，如果VRS設置為0，A的值為2，若VRS設置為1，則A的值為1.本文中VRS設置為0.

稱量數據采集模塊電路如圖3所示，為保證芯片供電穩定，數據采集模塊的5和3.3 V采取單獨供電的方式，并可由主控制模塊控制通斷（圖3中EN_5 V和EN_3.3 V），可在終端不處于稱量狀態時停止芯片工作，減小芯片發熱和系統功耗.為了避免參考電壓的精度、溫度漂移、輸出噪聲等因素引起轉換誤差，選用低噪聲、超低溫度漂移的2.5 V參考電壓芯片REF5025，以提高采樣精度［4］.設置芯片輸出字速率30 Hz，放大倍數64倍，該模式下芯片無噪聲分辨率為18位，由式（1）～（3）可得系統稱量分辨率為1/ 140 000.當傳感器量程為60 kg時，此時最高稱量精度可達0.42 g，用戶可根據實際需求設置分辨率，當分辨率設為1/60 000時，此時稱量精度為1 g，雖然精度降低了，但是系統稱量穩定性和抗干擾能力增強.

傳感器經CS5532轉化輸出的數值仍存在一定的噪聲，因此還需要通過數字濾波和線性轉化輸出稱量值顯示在稱量顯示界面.因此本文數據采集模塊驅動程序除了與CS5532的通信還加入了數字濾波和線性轉化.

數字濾波算法方面，靜態稱量時滑動均值濾波有更好的濾波效果，在動態稱量時，卡爾曼濾波有較好的動態響應，且其動態濾波效果比滑動均值濾波效果更好［5］.因為本文在靜態稱量和動態稱量時分別采用滑動均值濾波和卡爾曼濾波.

靜態稱量時本文采用自適應滑動均值濾波.首先，控制CS5532連續采樣N個數據，然后進行去極值平均濾波，抑制脈沖干擾［4］.隨后，將去極值平均濾波后的值放入長度為L的緩沖區，并對緩沖區中的L個數據進行均值移動處理，得到輸出值Zn.上述濾波方法雖然能有效降低隨機干擾的影響.但系統響應較慢，因此本文在上述濾波處理后加入自適應判別算法——將CS5532采樣值與上次濾波器Zn進行比較，當連續5次差值大于閡值時則認為稱上配料發生變化，則以這5次采樣均值快速更新滑動均值濾波緩沖區，提高系統響應速度.

經過上述濾波后，通過實驗測得滑動均值濾波后Zn無噪聲分辨率可達19位，稱量精度可達1/ 280 000.系統靜態濾波效果如圖4所示，圖4為靜態稱量過程中加載和卸載情況，從圖中可以看出，數字濾波后的數據比較穩定，同時由于采用了自適應的滑動均值濾波算法，在加載卸載瞬間，濾波結果都能準確地跟蹤CS5532輸出值.

圖3 稱量數據采集模塊電路圖Fig.3 Weighing data acquisition module circuit

當連續檢測到10次采樣值誤差大于閡值或用戶設定工作于動態工作模式時，進入動態稱量模式，此時系統采用卡爾曼濾波，并提高系統采用頻率至120 Hz，以提高系統響應速度.卡爾曼濾波基本原理在很多文獻中有詳細描述［5］，這里不再贅述，僅根據本文所述稱量系統進行建模，確定卡爾曼濾波方程·系統屬于單測量卡爾曼濾波，所以I=1，而根據經驗公式及查閱相關文獻［5-7］，設定A=1，系統無控制量，所以UK=0·系統測量值Y為相同系統傳感器稱量信號，所以H=1·因此本系統的卡爾曼濾波5個基本方程為：

圖4 靜態稱量數字濾波效果Fig.4 Static weighing digital filtering effect

式（5）、（6）中Q和R分別為過程和測量噪聲協方差，經過MATLAB仿真和實驗確定，本文計算中選定Q為0.001，R為0.1，設定P（0｜0）為1，并將上次傳感器采樣值作為卡爾曼濾波初始值X（0｜0）代入計算，提高系統響應速度.圖5為系統動態稱量濾波效果，圖5（a）所示為一個成人上稱，并在稱上做一定幅度動作，圖中靜態濾波曲線與原始值曲線基本重合，說明靜態濾波方法在此時濾波效果極差，而卡爾曼濾波效果更為平滑，從放大圖中可以看出，系統階躍響應時間約為300 ms.圖5（b）為連續投料時系統濾波效果圖，圖中可見在連續投料時卡爾曼濾波效果更好.

3 服務器端的設計與實現

智能配方管理稱量系統軟件結構如圖6所示，基于嵌入式Linux的稱量終端通過數據采集模塊，配方顯示模塊等實現配料顯示、配料稱量、生產數據保存.而服務器端通過網絡連接各稱量終端，獲取歷史生產數據，實時信息或者向稱量終端同步配方，并可通過交互界面管理配方，或從數據庫中查詢歷史數據.為了實現上述功能，系統服務器端基于C＃和SQLServer搭建，主要包含歷史數據模塊、用戶管理模塊、配方管理模塊等.服務器端與稱量終端數據交互由網絡通信模塊實現.本節主要介紹服務器端網絡通信模塊，并結合終端介紹系統智能配方管理功能的實現.

圖5 動態稱量數字濾波效果Fig.5 Dynamic weighing digital filtering effect

3.1 網絡通信模塊

網絡通信模塊將分布于生產線各環節的稱量終端與服務器端、監控端緊密聯系起來，構建一個可組網的智能配方管理稱量系統.其軟件流程圖如圖7所示，系統網絡通信基于TCP/IP Socket編程，采用TCP/IP客戶機/服務端模式［8］，端口1主要用于服務器主動向終端發送指令和信息，端口2主要用于終端主動發起的通信.

稱量終端開機后調用QT中QTcpServer類創建一個服務端，之后調用Start Listen（）綁定IP地址和端口1并開啟監聽客戶端連接請求，若有連接信號則調用ClientConnet（）槽函數接受用戶連接.服務器端開機后調用C＃中Socket（）創建一個套接字并綁定IP地址和端口1，隨后調用Connect（）嘗試與服務端建立套接字連接，若成功則表示終端已開機，將該套接字放入終端列表，連接失敗則表示終端未開機.隨后繼續調用Socket（）和Connect（）綁定網段內下一IP地址并嘗試連接［8］.完成遍尋終端后，用戶可從終端列表中選定終端，系統將調用相應終端套接字的Send（）發送命令和數據，并調用Receive（）等待終端返回響應數據.

圖6 系統軟件結構圖Fig.6 System software structure

為了使稱量終端可以主動向服務器端發送數據，稱量終端中還調用QTcpClient類創建一個客戶端并綁定端口2.服務器端調用Socket（）創建一個套接字并綁定端口2，隨后調用Listen（）和Accept（）監聽客戶端連接，當有客戶端連接時則調用Receive（）準備接受消息.當稱量終端主動向服務器發送數據時，首先判斷服務器端是否已連接至端口1，若已連接則表示服務器端已開機.調用Connect（）建立連接.連接成功后，調用Send（）發送數據.

服務器端終端管理界面如圖7所示，用戶可通過這個界面遠程同步終端歷史稱量數據和配方，也可以實時監控終端工作情況［9］，圖7所示界面中即通過服務器端實時獲取3臺終端工作情況.

3.2 智能配方管理功能設計

智能配方管理是整個配方管理稱量系統最重要的功能.由服務器端及稱量終端共同實現.

服務器端采用SQLServer數據庫保存配方數據和歷史數據.管理人員可以通過界面添加配料，新建或修改配方，并在終端管理界面選定稱量終端下傳配方和生產計劃.同時管理人員可在歷史數據查詢界面查詢所有終端的歷史生產數據，為管理人員制定生產計劃提供參考.為了更好的了解終端生產情況，服務器端還可以實時獲取各稱量終端當前稱量的配方及配料數據.

圖7 服務器端終端管理界面Fig.7 Terminal management interface of server

稱量終端方面，終端啟動且用戶登錄后，終端首先檢索數據庫獲取配方，并在主界面顯示相應圖標，若不存在配方也可以新建配方或等待服務器端傳送配方.選擇配方后進入配料稱量界面，稱量界面顯示配料、標準值和允許誤差等信息，并調用數據采集模塊獲取稱量信息.為確保生產流程準確規范，所有配料需符合標準方能完成當前配方稱量.終端還設計了掃描槍鎖定模式，即跳轉至新配料時，用戶需掃描相應配料條碼方能解鎖稱量模塊進行稱量.此外，用戶可以通過掃描槍快速搜索相應配方及配料，配方稱量完成后，終端自動保存數據至數據庫，并在接入服務器端后上傳至服務器端，并由用戶選擇是否打印條形碼.

4 系統測試結果

為了驗證稱量終端的精度，對稱量結果進行測試，結果表明，系統測量誤差在0.4%以內，可以滿足稱量系統的要求.

系統運行情況如圖8所示.經過樣機測試，系統性能指標如下：

稱量精度：提供2路傳感器接口，可選配不同量程、型號傳感器.每路傳感器稱量精度最高可達1/280 000.

動態稱量響應速度，階躍信號響應時間約為300 ms.

人機交互接口：LCD彩色屏幕及電容觸摸屏，開機及復位鍵各一個.

通信接口：串口（串口3個，其中RS232接口2個，RS485接口1個），USB接口（3個），以太網接口，無線網卡，耳機/麥克風接口.

圖8 系統工作圖Fig.8 System work

支持外設：條碼打印機，條碼掃描槍，U盤，SD卡，USB鍵盤/鼠標等.

5 結 論

本文設計和實現的智能配方管理稱量系統，具備配方顯示、配料稱量、數據保存、服務器端遠程管理和同步數據，能夠準確、可靠、方便地實現配方稱量過程.該系統應用在配料生產型企業，可以實現數字化稱量和稱量質量管理信息化，提高企業的生產效率和管理水平，應用前景廣泛.

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The Design and Realization of Networking Intelligent Proportioning Weighing System

CHEN Da-yun，HONG Yong-qiang，ZHENG Wen-kai，MA Xiang-hui，HE Shan-shan，CHEN Jin-fu，XUE Wen-dong*
（School of Physics and Mechanical＆Electrical Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，China）

To solve the problems of manual weighing inefficient，decentralized production data management，A Intelligent Proportioning weighing system was proposed based on the embedded system，database，and network communications.The solution was presented and realized，which consisted of weighing terminal，server and monitoring terminal.Weighing terminal was designed for accurate，reliable and easily proportioning weighing with Embedded System.Server can remotely monitor and manage the weighing terminal via wireless network.The system′s high precision，stable performance，adaptability can improve production efficiency and management level and make it to meet the requirements ofindustrial production.

embedded system；network communications；recipe management；weighing system

TP 274

A

0438-0479（2015）04-0569-06

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.04.023

2014-12-31 錄用日期：2015-01-30

福建省高端裝備制造協同中心項目

*通信作者：xwd＠xmu.edu.cn

陳達贇，洪永強，鄭文楷，等.可組網的智能配方管理稱量系統的設計與實現［J］.廈門大學學報：自然科學版，2015，54（4）：569-574.

：Chen Dayun，Hong Yongqiang，Zheng Wenkai，et al.The design and realization of networking intelligent proportioning weighing system［J］.Journal of Xiamen University：Natural Science，2015，54（4）：569-574.（in Chinese）