線纜拉絲數據采集系統的設計與實現

祁 楠 陳 培 包志華 楊永杰 許 鵬

(南通大學電子信息學院，江蘇 南通 226019)

線纜拉絲數據采集系統的設計與實現

祁 楠 陳 培 包志華 楊永杰 許 鵬

(南通大學電子信息學院，江蘇 南通 226019)

針對線纜廠鋁線拉絲工藝過程中實時采集現場數據的要求，設計并實現了一種基于嵌入式系統的拉絲數據采集系統。數據采集終端以ARM Cortex-M3型微處理器作為核心，將射頻識別(RFID)、條碼掃描、串行通信等多種技術融于一體，實時采集鋁線拉絲生產過程中的各種數據信息，并通過WiFi技術與服務器進行數據交換。經中天鋁線拉絲生產線現場測試表明，該系統數據采集準確、傳輸實時，能很好地滿足管理者對拉絲生產情況的掌握，具有一定的推廣使用價值。

拉絲工藝 數據采集 ARM RFID WiFi

0 引言

我國線纜企業經過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，已經初步建立了以企業資源計劃系統[1](enterprise resource planning，ERP)為核心的管理信息系統，但由于得不到車間生產過程實時信息的支持，所以并不能幫助和指導工廠進行產品分析和生產管理。大多數線纜企業生產車間的數據采集仍然采用傳統的手工記錄方式，這種方法效率低下、出錯率高[2]，同時也無法實現數據與上層管理信息系統的實時交換，這使得企業生產管理嚴重滯后。因此，建立和完善自動數據采集系統已成為線纜企業信息化建設的重點。目前，國內外針對線纜生產數據采集管理系統暫時沒有提出一套完整的方案。本文根據某線纜拉絲企業的實際要求，研究設計了一種基于嵌入式系統的鋁線拉絲數據采集管理系統，結合條碼技術與RFID技術各自的優點，基于RFID、條碼和WiFi等技術的綜合運用，對拉絲工序流程的實際運行和生產情況及時完整上報，實現企業生產制造的可視化和管理的數字化[3]。

1 系統總體架構

線纜拉絲數據采集系統是一種基于RFID和條碼融合技術實時采集拉絲車間現場各種數據信息，并通過無線局域網進行數據傳輸，實現對車間智能化、數字化管理的采集系統。

1.1 系統功能設計

拉絲工藝的主要功能是將鋁桿按工藝要求拉細成鋁線并繞在鐵盤上。根據拉絲車間數據采集管理的需求，本系統主要有以下5點功能要求。

① 訂單管理。采集終端實時將訂單上的合同編號發送至監控中心，并從服務器獲取訂單信息。

② 原材料管理。采集終端實時將桿材編號發送至監控中心查詢原材料信息，綜合原材料信息和訂單信息驗證原材料選擇是否正確。

③ 人員考核。采集工人的上下班時間，實現工人上下班簽到。

④ 物料鐵盤的跟蹤管理。識別鐵盤上的標簽號，同時自動生成盤號，將鐵盤標簽號與鐵盤盤號的關聯信息及鐵盤上的鋁線長度一起送服務器，實現對鐵盤的跟蹤管理。

⑤ 現場故障報修。當車間現場固件出現故障時，工人通過采集終端向監控中心發出警報信息，將具體故障部位和問題上報。

1.2 系統總體結構

整個采集系統由數據采集終端、WiFi網絡和上位機三部分組成。其系統總體框架如圖1示。

圖1 系統總體結構框圖

采集終端作為面向工人的智能操作終端設備，通過人工輸入或設備接口自動采集獲取相關數據[4]，并通過WiFi網絡上傳給服務器以供服務器端進行分析處理。監控中心服務器接收采集終端發來的數據幀，解析、存儲到數據庫，同時回送相應的信息給采集終端。采集終端將服務器下達的數據、命令處理之后進行顯示、存儲等操作。

2 系統硬件設計

采集終端硬件結構如圖2所示。

圖2 采集終端硬件結構框圖

采集系統的硬件主要由采集終端和服務器端組成，本文主要設計了采集終端。該終端負責對生產數據的采集、處理和傳輸，其硬件由采集模塊、信息處理模塊以及通信模塊組成。采集模塊采集各類數據信息，并輸出至信息處理模塊。信息處理模塊對數據進行處理、存儲并通過通信模塊發送至監控中心服務器。

2.1 采集模塊

采集部分由UHF RFID讀寫器模塊、激光條碼掃描模塊、RC522 RFID讀卡模塊和鍵盤輸入模塊組成。

2.1.1 UHF RFID超高頻讀寫器模塊

超高頻自動識別技術(UHF RFID)是RFID技術在超高頻段的一種應用[5]。它不僅識別距離遠，而且可以識別高速運動的物體。該UHF讀寫模塊選用的是廣東恒睿電子科技公司生產的RMU900+超高頻讀寫模塊，工作頻率在840～960 MHz之間，可以遠距離自動識別電子標簽，識別距離理論上達到1 m左右。超高頻抗金屬電子標簽固定在繞線鐵盤上，每個電子標簽都有唯一的ID號。主控芯片采用RS-232方式[6]和RMU900+模塊通信，使用主芯片串口1資源，通信波特率為57 600 bit/s。

2.1.2 條形碼掃描模塊

為了采集訂單號和桿材編號，本文使用FM100型嵌入式激光條碼掃描模塊掃描相應的一維條形碼來獲取。激光條碼掃描模塊因具有掃描速度高、掃描范圍寬等優點而被廣泛應用。它提供了TTL電平的串口與主芯片進行通信，設計中采用的是主芯片的串口2資源，波特率為9 600 bit/s。在設計條形碼掃描電路時，考慮到激光條碼掃描模塊處于常開狀態易損壞激光頭，所以在硬件電路中加入了條碼掃描模塊的供電控制電路。其供電控制電路如圖3所示。

圖3 條形碼掃描模塊供電控制硬件電路圖

該電路采用三極管配合繼電器的設計思路。三極管起到開關作用，當三極管be結導通，繼電器U7吸合，條形碼開始工作，否則條形碼不工作。為了避免系統終端數字器件和模擬器件(三極管、繼電器)之間相互干擾，電路前端使用光耦器件PC817和反相器74HC04能起到很好的隔離作用。控制端CTR與主芯片的通用接口PB0相連。

2.1.3 RFID讀卡模塊

RFID讀卡模塊選用的是MFRC522高度集成的非接觸式(13.56 MHz)讀寫卡芯片，可以與兼容ISO 14443A/MIFARE[7]的卡進行非接觸式通信，通信距離達到5 cm。每位工人配備一張MiFare one識別卡并事先將工人基本信息寫入卡內。RC522 RFID模塊與微控制器之間采用SPI方式進行通信，微控制器將卡內信息通過無線模塊發送至監控中心。RFID讀卡模塊用于工人上下班刷卡使用，不僅可以作為考勤的參考，同時也保證了采集終端操作的合法性。

2.2 信息處理模塊

信息處理模塊中，選用意法半導體公司生產的32位ARM Cortex-M3內核微控制器STM32F103ZET6作為MCU，選用MD070SD 7英寸(1英寸=25.4 mm)總線型TFT模塊作為顯示模塊，選用SD卡作為存儲模塊，用于從主芯片內置的RTC時鐘獲取系統時間。

STM32F103ZET6是STM32F103系列里面配置較高的，工作頻率最高可達72 MHz，工作電壓為3.3 V，內含512 kB Flash、64 kB SRAM、3個SPI、5個串口、1個FSMC接口以及112個通用I/O口等資源，滿足系統處理的要求。

2.3 通信模塊

本設計選用濟南有人公司開發的USR-WIFI232-X。該模塊是以UART接口為基礎的一種嵌入式模塊，符合WiFi無線網絡標準。它可以實現用戶串口數據與無線網絡之間的轉換，全面支持串口透明數據傳輸模式[8]。主芯片和WiFi模塊通過串口3相連，然后通過串口或網頁配置[9]WiFi模塊的工作方式和參數，即可正常工作。采集終端將數據組幀以串行通信方式發送至WiFi模塊，波特率為57 600 bit/s，WiFi模塊再將數據以網絡終端的形式發送到服務器。

3 系統軟件設計

系統軟件主要由數據采集終端軟件、監控中心服務器收發軟件2個部分組成。

3.1 數據采集終端軟件設計

整個數據采集終端軟件是在uVision4開發環境下，采用C語言編寫。采集終端軟件設計總體流程圖如圖4所示，它展示了整個系統的工作過程。采集終端有4幅采集顯示界面，分別采集合同信息、桿材信息、拉絲信息和故障報修信息等。采集到的多路數據經分析處理后發送給上位機。當網絡發生故障導致發送不成功時，將待發送的數據進行本地暫存，待網絡暢通之后上傳暫存數據。引入數據暫存方式能夠很好地解決由于通信鏈路不暢而造成采集數據丟失的問題，提高了系統傳輸的可靠性。

圖4 采集終端主程序設計流程圖

采集終端軟件設計主要包括3部分，分別是數據采集部分、數據分析處理部分、數據傳輸部分。本文具體介紹這3部分的軟件設計方案。

3.1.1 數據采集部分

數據采集模塊主要包括條碼掃描模塊、RC522 RFID讀卡模塊、UHF RFID超高頻讀寫模塊3個部分。其中條碼掃描模塊和UHF RFID讀寫模塊都是通過UART串口來實現數據采集的。條碼掃描模塊使用串口2中斷來接收數據，軟件設計比較簡單,即將條碼供電控制端CTR置0給條形碼模塊上電，然后開串口2中斷接收數據，接收完數據后將CTR置1，條形碼模塊斷電。

UHF RFID讀寫模塊RMU900+與主芯片是通過串口1以RS-232方式進行通信的。模塊RMU900+內部具備詳細的串口通信協議，STM32F103ZET6需要按照規定數據格式往RMU900+發送命令并接收RMU900+返回的信息。具體工作流程如圖5所示。

圖5 采集終端讀標簽工作流程圖

RC522讀寫器節點流程如圖6所示。

圖6 RC522讀寫器節點程序流程圖

工人刷卡啟動/退出數據采集終端是通過RC522 RFID讀卡模塊實現的。當保存有工人基本信息的IC卡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。微控制器將控制讀卡器進行一系列“尋卡→防沖突→選卡→讀卡”操作后，讀取卡片上的工人信息。然后通過WiFi無線模塊將工人信息等組幀發送至上位機服務器。

3.1.2 數據分析處理部分

對采集模塊采集的數據先封裝成相應的數據包格式，通過按鍵檢測實時發送給WiFi無線通信模塊，再由通信模塊傳送至監控中心。采集的數據信息位數根據實際情況而定。采集終端將采集的各類數據組幀，所有發送數據都由對應的回送信息來反饋，發送和返回的數據幀格式如表1所示。工人刷卡信息幀中，狀態值“1”表示上班，“0”表示下班。

表1 串行通信數據幀格式

3.1.3 傳輸部分

數據傳輸部分由采集終端的WiFi模塊向監控中心服務器發送采集數據和采集終端接收監控中心回送的生產指令兩部分組成。為保證數據的準確性，WiFi模塊與服務器端采用TCP方式建立連接來傳輸數據。WiFi模塊上電，進入透明傳輸模式，采集終端將打包好的數據幀經串口3發送給WiFi模塊，WiFi模塊則以網絡終端形式再將數據轉送至服務器。上位機有數據回送，采集終端解析回送的數據或指令，根據數據內容，顯示拉絲生產進度、提示工人原材料選擇是否正確等。

3.2 監控中心服務器收發軟件設計

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。此外，還增加了ADO組件有利于高效地訪問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，判斷其是合同信息、拉絲信息還是其他信息；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。

4 系統測試

該數據采集系統已在上海中天鋁線有限公司進行了一系列的現場測試，采集終端安裝于拉絲操作機臺上，與其有線連接的RMU900+超高頻讀寫器模塊(包括陶瓷天線部分)安裝于拉絲生產線左側，靠近生產線鐵盤經過的位置。現進行一系列測試，驗證系統預期的設計目的。

① RMU900+超高頻讀寫器模塊識別RFID電子標簽。測試RFID電子標簽放置的距離對讀寫的影響。當工人推送鐵盤滾過感應區時，UHF讀寫器就能通過射頻天線讀取鐵盤上的電子標簽信息。經實測，識別距離最大可以達到80 cm。

② 采集終端與監控中心服務器收發軟件的網絡通信。測試時，工人刷卡啟動采集終端，進入采集界面，先在合同界面采集合同編號并上傳，再在桿材界面采集桿材編號并上傳，綜合原材料和合同信息，驗證原材料選擇正確，然后在拉絲界面采集拉絲信息上傳。限于篇幅，在此僅以采集終端拉絲界面為例。工人輸入單盤鋁線長度5 030，獲取鐵盤標簽號之后按“#”鍵，以一定的幀格式上傳數據，服務器返回已生產盤數、總盤數、拉絲進度等相關信息，并在終端拉絲信息界面顯示。由界面可以看到，合同總盤數為200，已生產盤數為60，拉絲生產進度為30%，并顯示“手動上傳成功！”的提示信息。

此時服務器端收發軟件收到的從采集終端送過來的拉絲信息如下：#2K#201408051427*200001*L01*24/58886-1*35264771-60*5030*3010333333330000000000000020#。其中，“2”為單位編碼，“K”為類型編碼，“201408051427”為采集時間(年月日時分)，“200001”為工人工號，“L01”為拉絲機臺號，“24/58886-1”為合同編號，“35264771-60”為鋁桿編號+盤號，“5030”為鋁線長度，鐵盤電子標簽號為“3010333333330000000000000020”。

現場測試表明，RFID識別率與讀寫距離都很理想，采集終端能實時采集現場多路數據，并且通過WiFi網絡通信，成功完成終端數據與遠程服務器信息的同步。系統在拉絲生產線上能夠滿足系統應用的要求。

5 結束語

本文結合RFID技術、條碼技術和WiFi無線通信技術，設計并實現了一種基于嵌入式系統的拉絲數據采集系統，并給出了采集系統軟硬件設計的具體方法。采集終端充分利用RFID電子標簽的遠距離自動標志能力、信息存儲量大等特點，并結合條碼技術應用范圍廣、成本低廉的優勢，將多種采集技術融為一體，既實現了生產過程中多路數據的自動采集，又最大程度地降低了企業的運營成本。系統利用廠區車間覆蓋的WiFi網絡傳輸數據，具有布點靈活、節省成本的特點；服務器數據庫存儲的大量生產數據也為企業智能化管理和建設數字化工廠提供了可靠的保證。該系統實施后有效地提高了企業綜合管理能力，在線纜生產以及整個工業生產信息化方面都具有普遍的應用推廣意義。

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Design and Implementation of the Data Acquisition System for Cable Wire Drawing Process

In accordance with the requirement of collecting field data in real time for Aluminum wire drawing process in cable factory, the wire drawing data acquisition system based on embedded system has been designed and implemented. In the acquisition terminal of the system, the ARM Cortex-M3 micro processor is used as the core, multiple technologies such as radio frequency identification (RFID), barcode scanning and serial communication are integrated to collect various data information of Aluminum wire drawing process in real time; and data exchange with the server is conducted via WiFi technology. The field test in Zhong-Tian Aluminum wire drawing production line shows that the data collection is accurate, transmission in real time, the system well satisfy managers to grasp the production situation of wire drawing. So it has a certain value of promoting the use.

Wire drawing process Data acquisition ARM RFID WiFi

江蘇省產學研聯合創新資金資助項目(編號：BY2014081-08)。

祁楠(1990-)，女，現為南通大學通信與信息系統專業在讀碩士研究生；主要從事無線通信、數據采集與傳輸的研究。

TP274

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505007

修改稿收到日期：2014-12-06。