基于WSN的車間數據智能采集與監控系統的設計與研究*

張 新 孫文磊 張建杰 徐楚橋

(新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

隨著先進制造技術的發展，我國大多數的制造業將迎來新的挑戰。一方面，全民生活質量的提高，從而提升了我們對產品的個性化、舒適度、多樣性等多種需求要求，市場產品的更新換代速度持續加快，所以制造企業必須要考慮縮短產品的生命周期。另一方面，制造商需優化升級制造車間體系，進一步優化生產方式，全面提高生產效率，降低制造成本，以至于在市場競爭中脫穎而出[1-4]。

物聯網是新型信息技術的重要組成部分，也是時代“信息化”的進一步發展[5]。利用網絡通訊技術把傳感器技術、機器設備、人員與物物等有機的鏈接，實現了數據信息化、遠程管理控制和智能化管理[6]。將物聯網的思想運用到生產車間中，制造物聯網將人員、機器以及通信數據等有機的聯系，使得管控系統分散化，生產信息聯系密集化[7]。對于傳統制造業的生產數據復雜、時效、異構等特點，采用工業以太網或車間現場總線等有線的傳輸方式[8]。此模式受車間物料多變、地點限制、外界加工環境的影響，滿足不了現階段大數據交流、實時響應的車間制造[9-13]。

本文將車間機床RS232、RS485串口通過串口服務器轉換為RJ45以太網口，然后接入到無線接入器轉換為無線網絡，接入到車間局域網或WIFI網絡，并利用ZigBee通信技術實現車間內數據采集與數據傳輸。

1 無線AP組網通信

1.1 AP組網

無線接入器也可稱為無線AP(如圖1)，它可認為是無線路由器的網絡信號增強設備，可有效擴展車間無線網絡的覆蓋區域。在生產加工車間中，事先只預留了一個有線網口，與較遠區域交換信息，若要進行網絡布線將會造成資源浪費，還有其他信息區域由于地形復雜多變，不可能實現有線網絡連接。由于以上情況，我們要監控的區域往往都超出了單個網絡接入點的有線區域，我們可以采用在車間設置多個無線接入點集成協作，可擴展無線網絡的有效范圍。AP接入點工作模式構建了以無線AP為核心的集成管控式網絡，車間數據通信都經過AP轉發，實現網絡信息的數據交換。

1.2 機床通信

車間機床通信通過機床RS232、RS485經串口經串口服務器轉換為RJ45以太網口，由無線AP接入器轉換成無線網絡。無線連接器采用“末端跨接法”(End-Span)供電方式，不需要設置獨立輸電的專用線，讓AP擺脫了電源接入點的限制。將無線接入器裝夾在車間機床床身上，然后通過無線接入器的AP client(AP 客戶端)模式下和其他AP連接，對車間內所有機床以及顯示PC分配IP地址，對AP統一管配，實現AP零配置使用。然后將固定IP和MAK地址與總無線AP相連，通過Ethernet(以太網)局域網把總AP連接服務器和PC終端上，達到車間機床和PC終端的無線聯網。

2 車間無線傳感網絡的設計

2.1 WSN需求分析

無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSN)是一種分布式傳感網絡，可以監測、控制外部設備。傳感器網絡實現了信息數據的獲取和處理功能[14-15]。以數據為中心的動態網絡，它與通信技術和計算機技術有機的聯系為感知外部世界提供了可能性。

在車間內建立無線傳感網絡(WSN)，一方面進行實時數據采集，對機床設備狀態參數進行信號檢測，如加工過程中機床的溫度、壓力、位移、速度以及加工產生的震動等信號作為數據檢測，以便保證工件的加工質量；另一方面監控物料的生產調度，由傳感網絡采集到的數據充分了解機床設備正在加工或閑置的狀態，智能進行物料調度，提高設備的利用率及減少生產時間。分析信號特征與狀態識別，描述機床使用中參數的運行規律，對非正常信號進行識別，避免機床出現重大故障問題，降低設備對人員的影響。

2.2 無線傳感網絡結構

無線傳感器網絡的結構體系如圖2所示，主要構成包括傳感器節點、匯聚節點和任務管理節點[16-17]。在被感知區域附近部署大量的微小傳感器節點，這些節點以自組織方式形成分布式的無線網絡區域，以多跳(multi-hop)的無線通信方式采集、處理節點區域中所需的數據信息，通過互聯網或衛星將檢測的數據傳輸到管控節點中心統一處理，從而可以采集、處理和分析車間區域任何機床的實時數據。

3 車間無線傳感網絡數據采集

在車間內部設計傳輸數據到網絡中心節點的最佳路由方案，并布置拓撲結構的傳感器網絡節點。由于拓撲式多分支結構都會配有接收數據的根節點，所以采集的數據以周期性的方式由子節點向上傳送到父節點，然后傳給根節點。由此構建車間無線傳感網絡(WSN)，具有較長的工作壽命以及減少數據轉換率，此過程中產生的網絡延遲一定程度上提高網絡的利用率。

3.1 WSN網絡節點

無線傳感網絡由許多個網絡節點組成，而每個網絡節點主要構成包括：數據采集模塊，無線通訊模塊，處理器模塊，感知模塊，能量供應模塊等。傳感網絡節點通過節點通信自組網，然后將采集的數據傳輸到任務管理節點處統一管理。如圖3所示無線傳感網絡節點結構，感知模塊采集自定義檢測區域中的待檢測物體的基本信息以及所需信息，并傳輸轉換采集到的數據信息，以便后續處理；處理器模塊通過格式轉換、信息識別處理由傳感器模塊傳輸的數據以及存儲、備份數據；無線通訊模塊將數據信息通過轉換器轉換為無線信號，與鄰居傳感器網絡節點進行數據交換。能量供應模塊(電源)為網絡節點供電保證正常工作。

3.2 車間WSN數據采集系統的設計與實現

在車間內部利用無線傳感網絡實現數據采集，需針對不同的具體應用來分別設計研究。由于考慮到車間機床通常位置固定，且使用率較高，在其區域分布大量密集固定的網絡節點。

由節點通訊產生了多跳的自組織網絡，與遠距離節點數據傳輸時需借助鄰居節點及中間節點的轉發。

采用ZigBee標準的ZigBee網絡、IEEE自定義協議網絡以及物理MAC網絡協同工作，系統安全性能較高、網絡通信功能較大、靈活的網絡結構，對用電功耗、網絡延遲和其他網絡沖突方面有較好的改進，如圖4所示。

對于以上各網絡節點供電以后，系統初始化，網絡接口與監控中心通信，實現無線傳輸。然后參數初始化，輸入信號經過數模轉換器(AD)轉換成需要的信號格式，再由相同頻率的輸出通道將從傳感器節點采集的數據信息傳給協調器，按照異步模式的接口通信方式流經處理器，存儲、處理后轉換為無線信號，接入到車間無線傳感器網絡，最終監控中心PC管控制造數據信息。無線傳感網絡數據采集流程如圖5所示。

4 應用案例

根據以上理論基礎和研究方法，本文用Java語言和SQL Server 2008數據庫為開發環境，設計開發了智能車間無線傳感網絡實驗平臺，并在新疆大學工程訓練中心進行了應用。

根據實際的業務流程，該平臺主要分為DNC、智能車間、跟蹤查詢、刀具管理和統計分析等模塊。

(1)智能模塊。主要向車間設備發送和接收NC代碼、工藝卡片、2D圖紙、3D模型等工藝文檔，如圖6所示。

(2)智能車間。主要實時提取各車間設備運行參數、運行狀態、當前加工工件、完成加工任務情況等詳細過程數據，并實時調整設備運行參數、監測設備健康狀態等，并據此進行按需配送生產任務、故障診斷、維護報警等行為，如圖7所示。

5 結語

在車間實行無線傳感網絡技術，不僅削弱了空間環境的影響，還提高網絡的利用率。本文對車間內采取AP組網拓撲構架，與車間機床無線通信。設計車間傳感網絡節點結構，模塊化的統一管理，進一步地優化了基于無線傳感網絡的制造車間數據采集。經過具體實際應用說明了車間無線傳感網絡結構具有一定的實用價值。

[1]王鑫,叢龍海,喬禎.空分車間二壓站6#機控制系統升級改造[J].化工自動化及儀表,2017,44(7):707-708.

[2]亓學鵬.基于局域網的遠程監控系統的研究與開發[D].濟南：山東大學,2009.

[3]Chen Guangzhu,Meng Qingchun,Zhang Lei.Chain-type wireless sensor network node scheduling strategy[J].Journal of Systems Engineering and Electronics,2014，25(2):203-210.

[4]屈青.成品車間汽車裝油臺計量裝車系統升級改造[J].科技與企業,2014(12):350.

[5]劉君.物聯網技術的認識論研究[D].上海：東華大學,2015.

[6]耿紅生.云制造下網絡協同和人機交互融合的關鍵技術研究[D].沈陽：東北大學,2014.

[7]周正貴.基于物聯網技術的車間管理系統設計[J].長江大學學報：自然科學版,2013,10(22):73-74.

[8]王蔚.基于現場總線的車間監控和管理集成[D].沈陽：東北大學,2009.

[9]聶志,冷晟,葉文華,等.基于物聯網技術的數字化車間制造數據采集與管理[J].機械制造與自動化,2015,44(4):98-101.

[10]Li Bin,Wang Wenjie,Yin Qinge.An energy-efficient geographic routing based on cooperative transmission in wireless sensor networks[J].Science China (Information Sciences),2013,56(7):42-51.

[11]Melchizedek Alipio, Nestor Michael Tiglao, Antonio Grilo,et al.Cache-based transport protocols in wireless sensor networks: A survey and future directions[J].Journal of Network and Computer Applications,2017,88:29-49.

[12]王驥,林杰華,謝仕義.基于無線傳感網絡的環境監測系統[J].傳感技術學報,2015,28(11):1732-1740.

[13]郭劍嵐,陳俞強,劉怡俊.感知策略下的無線傳感網絡保密容量問題研究[J].電子測量與儀器學報,2015,29(8):1151-1156.

[14]周益.基于ZigBee技術的無線傳感網絡拓撲設計與實現[D].蘇州：蘇州大學,2009.

[15]雷陽,尚鳳軍,任宇森.無線傳感網絡路由協議現狀研究[J].通信技術,2009,42(3):117-120.

[16]吳鍵.智能無線傳感網絡節點的設計和研究[D].南京：南京航空航天大學,2006.

[17]牟連佳,牟連泳.無線傳感網絡及其在工業領域應用研究[J].工業控制計算機,2005(1):3-5.