基于物聯網的異構機織設備數據采集系統關鍵技術研究

李 慧，蔡昭權

(1.惠州學院計算機科學系，廣東惠州 516007；2.華南理工大學計算機科學與工程學院，廣州 510006)

?

基于物聯網的異構機織設備數據采集系統關鍵技術研究

李 慧1，2，蔡昭權1

(1.惠州學院計算機科學系，廣東惠州 516007；2.華南理工大學計算機科學與工程學院，廣州 510006)

針對目前機織設備在織造企業中的應用呈現出品牌多、型號差異較大、技術不統一等問題，提出通用化的機織設備數據采集方法。基于該方法，研發異構機織設備數據采集系統，實現對機織設備行業現場數字信息的實時采集和監控，解決了對異構機織設備實時織造數據進行信息化的難題，使客戶端能夠快速、準確地了解最新的設備織造情況。最后文章提出的關鍵技術和具體的實現策略，為機織設備物聯網提供了有益的借鑒。

異構機織設備；數據采集；物聯網；接口植入技術；Web平臺

紡織業是中國十大支柱性產業之一，如何應用新興技術提升傳統紡織業的技術水平，是該行業領域目前亟待解決的重要課題。國內外紡織企業的信息化管理程度存在顯著差距，如何對設備進行有效的信息化管理，是紡織業技術革新中的一個新興熱點研究方向。

要解決設備的信息化管理，必須解決設備數據采集，特別是織造數據的網絡化，從而實現設備的物聯網，在這方面企業存在比較大的困難[1]。因為一套機織設備由提花機和織機及相關附屬設備組成，而且每一個企業實際使用的織機品牌、型號各異，所以實現織機的織造數據采集存在著天然的障礙。

為了解決這一問題，國內外已有專家、學者進行相關研究，主要針對織機進行產量、停車時間、效率等數據的采集。可歸納分類如下。

傳統的技術解決方案是通過使用研發的采集器與織機內部電路連接，實現生產數據的獲取。其中，劉清波[2]利用數據采集點獲取織機數據，通過CAN和RS422將數據傳遞到上位機；王春紅等[3-4]基于DSP設計了硬件，并以此作為織機監控網絡的基礎；邵景鋒等[5]基于80C51設計了稱為“監測器”的硬件，與織機內部電路連接，實現對停車、打緯等信號的獲取；王玥等[6]、陳金廣等[7]在此基礎上描述了監測系統的實現；Xiao等[8-9]、馬麗麗等[10]描述了如何在一個“監測器”的基礎上實現一個完整的信息化平臺。但上述文獻對如何使用研發的采集器硬件來獲取織機織造數據介紹得非常少，缺乏技術的實質性內容。高其濤等[11]提出了面向不同類型織機實現采集器的方案，并以此實現信息管理系統，但對如何適應織機的差異性，沒有做出明確的闡述。與傳統解決方案相比，另一種技術解決方案是使用織機自帶的數據采集功能，在此基礎上實現織機設備的信息化管理[12]。該方向的研究相對較少，目前大都在歐洲、日本等發達國家紡織行業中進行采用，因為該區域的織機已經提供了相應的軟件和硬件來實現織機信息化管理[13]。

從原理和實際的應用情況分析，傳統方法最大的問題是通用性差，設計實現的采集電路只能應用在特定型號織機上，應用推廣受到局限；另一方面，該設計方案對織機的內部電路產生干擾，影響織機的正常工作。結合國內紡織行業現狀，本文提出利用織機與提花機的接口進行實時數據采集的方法。該方法具有良好的通用性和推廣價值，不會對提花機和織機產生不良干擾。具體實現方面，通過數據緩沖和WEB架構，構建數據管理的系統框架，從而實現異構機織設備信息一體化。

1 系統架構關鍵技術

整個系統架構從體系結構上來說，分為采集和管理兩個部分。采集部分完成數據采集到存入數據庫的過程，管理部分則針對數據庫內數據進行再處理，同時，也提供接口允許其他信息管理系統訪問。

采集部分架構如圖1所示。采集卡通過RS485組成總線型的網絡，數據通過總線經串口服務器轉換為TCP/IP協議包后，被緩沖程序接收。緩沖程序采用點名的方式對每一塊采集卡請求數據，采集卡則響應請求，將當前狀態發送給緩沖程序。緩沖程序僅在織機狀態變化后，才將狀態提交數據庫，并通知采集卡可以更新下一狀態。緩沖程序采用這種方式的目的：一是解決采集卡與數據庫直接通訊存在困難的問題，二是避免大量的客戶端(即采集卡)之間因為通訊的碰撞問題而導致通訊效率低下。

圖1 采集部分架構

管理部分是一個標準的B/S架構，分為業務表示層、業務邏輯層和數據訪問層，如圖2所示。整個管理部分采用業務與界面分離的代碼實現機制。在業務表示層，采用標準的HTML語言實現業務的展示，從而使WEB服務能夠在各種瀏覽器平臺上得到一致的瀏覽效果，包括Internet Explorer、Firefox、Safari等，也便于基于Windows、Linux、IOS等操作系統的用戶客戶端平臺的使用。

圖2 管理部分架構

業務邏輯層采用.NET架構，使用C#編程實現。由于C#完全的面向對象特性，使得在這個層次中，封裝了與系統關聯的各種應用，包括織機監控、生產管理、統計分析等。需要注意到，該層的所有代碼是與數據庫無關的，也與業務表示無關，具備了模塊化和高度可重用性的特點，具有很強的靈活性和擴展性，有利于系統的維護和升級。

2 數據采集關鍵技術

機織設備數據采集最主要的目的就是采集織造設備實時生產數據，特別是在其他的信息系統內難以獲取的數據，這些數據主要是織機產量、停車時間(包括不同的停車類型)。由于織機的產量可以通過累計的打緯數(織機織造的緯紗數量)與緯密的乘積來得到，因此，采集的最主要的數據組成就是：打緯數、停車數(經停、緯停、邊停、其他停)和停車時間(經停時間、緯停時間、邊停時間、其他停時間)。

文章使用自制的采集卡來獲取上述數據。如前所述，直接織機電路接入有通用性差和易干擾織機內部電路的問題，而自制的采集卡使用接口植入的方法，避免出現上述兩個問題。因為所有電子提花機與織機之間存在實現數據交互的數據傳輸接口，所以接口植入是在電子提花機與織機的接口之間，進行采集電路的植入。

在這種數據交互中，提花機發送給織機選緯控制信號，這個信號每織造一緯，都會發送一次，因此可以獲取該信號來獲得打緯數；停車信號是織機反饋給提花機的，因此可以通過獲取該信號來獲得停車數據。雖然織機與提花機之間的接口并不統一，但是可以劃分為兩類：并行線路和現場總線(一般是RS422和CAN)。并行線路是一排導線，每一條導線上使用一個電平信號，高電平代表1，低電平代表0，從而傳遞1位數據；現場總線方式是通過通訊協議進行數據傳輸，利用現場總線可掛接多個站點的特點，將采集卡作為一個從站點(只接收不發送)接入現場總線，通過解析協議數據來得到實時織造數據。

圖3是針對并行電路設計的植入電路圖，可以采集經停、緯停、用戶停、以及每緯一次的打緯信號(圖3中的Speed Sensor)。圖4是在Somet Super Excel織機上接口植入的實例圖。另外，可能有些織機并不提供打緯信號向提花機的反饋，在這種情況下，可以植入到提花機的選針器觸發(稱為OE信號)接口，采集與打緯信號一一對應的OE信號。

為了簡化嵌入程序設計，采集卡使用CSM100 CAN接口轉換器，使用該轉換器器可以過濾不必要的CAN通訊包，降低采集卡MCU的負擔，如圖5所示，因此可以使用低成本MCU來實現各種功能。

MCU選型使用STC51系列單片機。MCU管腳的電路圖如圖6所示。

圖3 并行接口植入電路

圖4 Somet織機并行接口植入實例

圖5 CAN植入電路與CSM100連接

圖6 MCU管腳電路

為了降低采集與服務器之間的數據流量，采集卡采用狀態轉換存儲的策略，只有當織機從一個狀態轉換到另一個狀態時，才記錄一條數據。例如，當織機從正常織造狀態轉換到經停狀態時，才保存正常狀態織造的一條數據，內容包括織造的時長、狀態值等，同時將狀態轉換到另一個狀態。這一機制流程圖如圖7所示。

圖7 狀態轉換存儲流程

工業現場電源是不穩定的，采集狀態轉換策略必須保證當前狀態在斷電情況下得到有效的保存。采集采用鐵電存儲器，在斷電后，利用電容內的電量，將當前狀態數據寫入存儲器。

MCU內嵌入軟件設計中，各個外部信號都以中斷的形式進行獲取，中斷函數不直接對中斷進行處理，只是簡單地置位相應的狀態變量，而在主程序中進行狀態的處理，整個程序的邏輯架構如圖8所示。

圖8 嵌入軟件邏輯架構

3 系統測試結果分析

該系統投入到某紡織企業進行測試，反饋效果良好。從數據庫表中截取部分機織設備數據的實時采集結果，如表1所示。表內的每一行，表示1min內，對織機狀態的數據統計。IP是織機的IP；經停為1表示1min內出現過經停狀態，為0則表示未出現經停狀態。經停時間，表示在1min內，有多少次經停；一次5s，若該字段值為2，表示1min內，停了10s。緯停為1表示1min內出現過緯停狀態，為0則表示未出現緯停狀態。緯停時間，表示在1min內，有多少次緯停；一次5s，若該字段值為2，表示1min內，停了10s。用戶停，為1表示1min內出現過用戶停狀態，為0則表示未出現用戶停狀態。用戶停時間，表示在1min內，有多少次用戶停；一次5s，若該字段值為2，表示1min內，停了10s。狀態，當前狀態，0表示正常織造，1表示經停，2表示緯停，3表示用戶停。速度，表示在1min內，織機織造了多少緯。

表1 機織設備數據實時采集結果分析

時間IP經停經停時間/次緯停緯停時間/次用戶停用戶停時間/次狀態速度(緯)17:24:05192.168.17.17000000026817:24:13192.168.17.9000014315317:24:24192.168.17.1800001123017:24:31192.168.17.16130000118817:24:34192.168.17.1300001123017:24:43192.168.17.6000000027117:24:48192.168.17.71814001017:24:52192.168.17.15000000027117:24:55192.168.17.4000000027817:25:05192.168.17.17000000026817:25:13192.168.17.9000012322517:25:24192.168.17.1800001123017:25:31192.168.17.16000000026717:25:34192.168.17.1300001123017:25:43192.168.17.6000000027217:25:48192.168.17.71517002017:25:52192.168.17.15000000027117:25:55192.168.17.40000000278

從表1中的結果，可以方便地分析這個企業的每一臺設備在一定時間內的織造情況，從而能夠把握整個企業的生產狀況。

4 結 語

本文研究了基于物聯網的異構機織設備數據采集系統關鍵技術，針對織造設備中織機必須與電子提花機進行數據交互的特點，采用了接口植入技術，利用接口相對統一的特性，解決了不同織機技術實現的兼容性，使不同型號的機織裝備實現了生產數據的實時獲取。在此基礎上，應用現場總線技術匯總采集的數據，從而實現能夠具備產業化應用的物聯網基礎設施。本文的方案從根本上解決了國內機織設備信息化的基礎性問題，具有良好的適用性，能夠為基于生產數據的進一步應用，如數據挖掘等打下良好的基礎。

[1] 趙妍，蘇玉召.基于物聯網的棉紡織企業數據采集方案[J].上海紡織科技，2014,42(2):62-64.

[2] 劉清波.基于CAN總線的劍桿織機監控網絡系統的研究與開發[D].杭州：浙江大學，2004:1-20.

[3] WANG C H, WU C Y. Study on loom's monitor system based on DSP and CAN bus[C]//Computer Engineering and Technology (ICCET), 2010 2nd International Conference on. IEEE, 2010,4:591-594.

[4] 王春紅,武春英.基于DSP和CAN總線的織機監測管理系統研究[J].河北科技大學學報，2010,31(2):124-127.

[5] 邵景鋒,秦蘭雙.基于CS模式的織機監測系統設計[J].紡織學報，2006,27(7):75-78.

[6] 王玥,張森林.織機監控系統在企業內部網中的應用[J].工業控制計算機，2007，20(10):34-35.

[7] 陳金廣,馬麗麗,李建成.織機監測信息系統的分析與設計[J].紡織導報，2010(2):49-52.

[8] XIAO W B, MEI S Q. Study on Information Management System of Rapier Loom[C]//Computational Intelligence and Design, 2009. ISCID'09. Second International Symposium on. IEEE, 2009,2:150-152.

[9] XIAO W B. Tensile force control of electronic weft insertion on the separated slay type flexible rapier loom[J]. Journal of Textile Research, 2007(7):27.

[10] 馬麗麗,陳金廣.織機在線監測系統關鍵技術研究[J].紡織導報，2011(3):66-68.

[11] 高其濤,沈煒,盧小杰.異構織機數據采集系統設計[J].工業控制計算機，2013(2):43-44.

[12] 堵俊,吳曉,章國安.基于無線傳感器網絡的織機監測管理系統[J].紡織學報，2009,30(8):134-137.

[13] YE J, LIU M, WANG Y. Research and implementation of the interface a data collection management[C]//Consumer Electronics, Communications and Networks (CECNet), 2012 2nd International Conference on. IEEE, 2012:1996-1999.

(責任編輯：陳和榜)

Research on Key Technology of Data Acquisition System of Heterogeneous Weaving Equipment Based on Internet of Things

LIHui1,2,CAIZhaoquan1

(1.Department of Computing, Huizhou University, Huizhou 516007, China; 2.School of Computer Science & Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

The application of weaving equipment presents the problems of many brands, large model difference and technology disunity. For these problems, the paper puts forward universal weaving equipment data acquisition method. Based on this method, this paper researches and develops heterogeneous weaving equipment data acquisition system, realizes the real-time acquisition and monitoring of on-site digital information in weaving equipment industry and solves the difficulty in informationizing real-time weaving data of heterogeneous weaving equipment. Thus, the clients can get the latest equipment weaving condition correctly and conveniently. The key technology and the concrete implementation strategy proposed in this paper provide the beneficial reference for the Internet of things of weaving equipment.

heterogeneous weaving equipment; data acquisition; internet of things；interface embedding technology; Web platform

2015-10-28

國家自然科學基金項目(61370185，61170193)；廣東省自然科學基金項目(s2013010013432)；廣東省自然科學基金重點項目(s2012020011081)；廣東省教育廳科研項目(2013KJCX0174)；惠州市科技計劃項目(2014-3)；惠州學院校級科研項目(hzuxl201410)

李 慧(1978-)，女，浙江臺州人，講師，主要從事計算機應用方面的研究。

TS103.7

A

1009-265X(2016)06-0037-06