智能工廠數據解析服務器終端的研制

尤祉棋，沈旭東

（嘉興職業技術學院，浙江嘉興，314000）

0 概述

國內LTCC技術在開發及產業化方面比發達國家晚，LTCC生產水平仍處于手工、半自動的階段，因此產品質量、批量化生產的一致性與國外水平仍有一定差距[1]。LTCC智能生產線的出現能夠緩解這一局面。本文結合LTTC智能產線的改造，對LTCC智能工廠數據解析服務器終端進行研究，其作為物聯網典型應用，采用通信技術將LTCC生產過程中的數據信息匯集到數據中心，進行數據挖掘分析，從而做出最佳的生產安排決策。

LTCC智慧化工廠整個系統由現場設備、數據解析處理器、數據組網傳輸、數據融合和數據分析服務器和MES服務五大部分組成[2]，如圖1所示。本文研究的LTCC智能工廠數據解析服務器終端是LTCC智慧化工廠實現的中間環節，用于采集現場生產設備的運行信息、工藝數據及控制信號等數據，再將數據通過數據組網傳輸技術發送到數據融合服務器并進行大數據分析的過程。

圖1 LTCC智慧化工廠整體結構圖

圖2 系統總體設計圖

1 硬件系統設計

■1.1 總體設計

數據解析服務器終端系統以STM32F103ZET6為核心控制器[3]，本地配置電源模塊和LCD液晶屏控制模塊，系統通過RS485總線采集LTCC智能產線工業現場傳感器數據[4]，對采集的數據進行處理后，通過AIR724UG CAT1模塊將數據傳輸到遠程人工智能服務器進行數據挖掘處理[5-6]，同時根據采集的數據和遠程控制服務器平臺對本地工作設備進行控制，以達到最優化的控制效果。

■1.2 電源模塊

根據控制電路要求，整個系統采用24V直流電為系統電源，為滿足整個系統的控制要求，需要將24V電源轉換為5V、4V、3.3V三種電源，其中5V電源給外部傳感器供電，4V電源給CAT1模塊供電，3.3V為整個系統控制電源，負責單片機系統和其他控制電路的供電。5V電源系統采用MP1584芯片進行轉換，電路圖如圖3所示，可以通過調節R60的電阻值來調節輸出電壓，Vout=0.8V＊（210k+40.2k）/40.2k=4.979V，D15在電路中起到防止電源正負反接導致電路損壞，D16防止電源輸入浪涌沖擊，MP1584封裝有8引腳SMD，工作電壓為4.5～28V，工作頻率為1.5MHz，輸出電流為3A。

圖3 5V供電系統電路

4V電源系統采用JW5027進行輸出，輸入范圍為3.8V～24V，可提供2A的連續輸出電流和兩個集成的N溝道MOSFET。在輕負載時，穩壓器以低頻工作，以保持和低輸出紋波。電路如圖4所示。

圖4 4V供電系統電路

3.3V供電系統采用RS1117 LDO芯片進行供電，RS1117是一款常用的低壓差穩壓器件，其工作壓差典型值為0.7V，最大輸出電流為0.8A，電路如圖5所示。

圖5 3.3V供電系統電路

圖6 RS485通信電路

■1.3 RS485總線控制電路

RS-485采用平衡式發送和差分接收方式實現通信，由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分輸入，所以有極強的抗共模干擾能力，RS485采用半雙工工作方式，支持多點數據通信。總線網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，即一條總線將各個節點串接起來，不支持環形或星型網絡，如果需要使用星型結構就必須適用485中繼器或485集線器。RS-485總線一般支持32個節點，如果特質的485芯片可以達到128或256個節點最大支持400個節點。利用RS 485總線進行組網，各個傳感器數據經不同采集終端后通過ModBus RTU通信協議封裝流入總線，最后傳輸至監測主機。本設計采用SP3485進行設計，滿足RS-485標準。空載時輸出電壓的大小為0V～+3.3V。即使在差分輸出連接了負載的條件下，驅動器仍可保證輸出電壓大于1.5V。SP3485有一根使能控制線（高電平有效）。DE上的邏輯高電平將使能驅動器的差分輸出。如果DE為低，則驅動器輸出呈現三態。

■1.4 LCD液晶屏電路

LCD液晶屏采用串口屏進行設計，選用陶晶馳X5系列屏幕，串口屏設備封裝好了底層功能以后，通過串口與用戶MCU進行交互。MCU可以隨時通過USART發指令通知設備，切換某個頁面或者改變某個組件的屬性。設備也可以隨時通過USART通知用戶MCU操作者，目前觸摸了頁面上的某個組件或者設備當前進入了某個頁面，電路圖如圖7所示。

圖7 串口屏接口電路

■1.5 CAT1數據傳輸控制電路

4G輸出傳輸采用合宙AIR740UG模塊進行設計，該模塊是一款基于UIS8910DM芯片組的物聯網通訊模塊。模塊通訊性能優越，符合Cat1通訊標準。具有全功能音頻輸入輸出接口，LCD接口，Camera接口，內存卡接口，矩陣鍵盤接口，ADC接口，外設齊全。該設計中采用模組的AT指令模式，與STM32F103ZET6通過串口進行AT指令交互，完成數據傳輸，電路圖如圖8所示。

圖8 4G模塊控制電路

2 軟件系統設計

智能工廠數據解析服務器終端需要通過軟件程序進行控制，軟件系統設計采用Keil軟件進行編寫，獨立設計每一個功能模塊的程序，對每一部分的程序一一進行測試，最后再將所有子程序聯調，完成最終產品的設計，程序總體設計功如圖9所示。

圖9 智能工廠數據解析服務器終端軟件結構框圖

■2.1 串口通信

為降低開發難度，本項目采用串口與不同的硬件模塊進行通信，串口配置一般步驟如下：

（1）使能時鐘；（2）自動復用的引腳；（3）配置引腳的初始化狀態方式；（4）配置串口的通信屬性；（5）使能串口；（6）初始化嵌套向量中斷控制器中的相關中斷參數，為接收做準備。

整個系統控制使用串口1和SP3485通信，串口2和CAT1模塊通信，串口3和串口屏進行通信。

■2.2 網絡通信模塊程序

AIR724UG是控制器和遠程服務器進行數據交互的模組。其支持HTTP、MQTT等網絡傳輸協議，同時模塊也支持串口AT指令直接進行調試，大大降低了程序編寫和調試的難度，使用非常方便。由于HTTP協議適用于性能較好的設備終端，不適合物聯網場景，本設計項目采用MQTT即時通訊協議，用于網絡連接穩定性較差的遠距離數據采集設備和控制設備。因此本設計采用的LTE CAT1模組采用MATT協議。MQTT協議構建于TCP/IP協議之上，發布訂閱模式如圖10所示。客戶端只需要訂閱這個主題，當有其他客戶端向這個服務端發布消息時，這個客戶端就可以收到這個消息[7-8]。網絡通信模塊程序流程圖如圖10所示。

圖10 網絡通信模塊程序流程圖

■2.3 傳感器數據采集程序

傳感器的數據采集主要有三種方式，AD信號采集、數字量信號采集和RS485 MOBUS-RTU信號數據采集，這里詳細介紹MOBUS-RTU信號數據采集的程序設計，Modbus是一種串行通信協議，采用二進制表示數據的方式。其數據結構主要包括從機地址、功能碼、數據地址、數據和校驗位，通信流程圖如圖11所示。

圖11 MOBUS—RTU程序流程圖

3 系統運行結果

通過調試，本智能工廠數據解析服務器終端可以正常工作。系統控制電路板如圖12所示，智能工廠的數據服務器解析終端系統，可以實時監測LTCC產線的設備運行狀態，管理人員可以隨時隨地通過電腦、平板、手機等終端查看相關數據，為優化生產計劃安排和提升系統效率提供數據支持，提高了產線的運行效率。

圖12 數據解析服務器終端系統