應(yīng)用ZigBee技術(shù)的緯編生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)

嘉丹丹， 蔣高明， 叢洪蓮， 吳志明， 焦 洋

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

應(yīng)用ZigBee技術(shù)的緯編生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)

嘉丹丹， 蔣高明， 叢洪蓮， 吳志明， 焦 洋

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

針對緯編企業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜，生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄需要人工統(tǒng)計且滯后，數(shù)據(jù)可靠性差、不穩(wěn)定，信息反饋不及時，效率低等問題，采用ZigBee技術(shù)開發(fā)了包括數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)接收與處理模塊2部分的緯編生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)。分別從硬件和軟件設(shè)計2個方面探討了數(shù)據(jù)采集模塊的基本架構(gòu)，并通過對數(shù)據(jù)表的設(shè)計、通信協(xié)議的修訂、程序的修改等分析設(shè)計了數(shù)據(jù)接收與處理模塊。將該采集系統(tǒng)投入到某公司試用，并把采集的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，ZigBee技術(shù)實時性好，穩(wěn)定性高，傳輸方便可靠，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集誤差較小，滿足了緯編車間的數(shù)據(jù)采集要求。

緯編； ZigBee技術(shù)； 數(shù)據(jù)實時采集； 制造執(zhí)行系統(tǒng)

緯編行業(yè)是針織領(lǐng)域的重要組成部分，隨著行業(yè)信息化的不斷發(fā)展，緯編企業(yè)規(guī)模的不斷擴大，緯編企業(yè)的員工數(shù)量、訂單量和產(chǎn)量等都逐漸增加，傳統(tǒng)的依靠工人手寫、卡片記錄等采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)的方式，由于數(shù)據(jù)安全性低、不準(zhǔn)確、不易管理等問題[1]已經(jīng)不再適用于現(xiàn)今的緯編生產(chǎn)環(huán)境，緯編制造執(zhí)行系統(tǒng)的開發(fā)成為信息化發(fā)展的必要趨勢。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為緯編制造執(zhí)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其采集及傳輸性能直接決定整個制造執(zhí)行系統(tǒng)的性能。目前，數(shù)據(jù)采集傳輸包括2種方式：有線和無線。有線數(shù)據(jù)采集存在著擴展性較差、布線繁瑣等問題[2]，現(xiàn)有系統(tǒng)包括經(jīng)緯E系統(tǒng)、悠揚織造管理系統(tǒng)等。無線數(shù)據(jù)采集方式有無線藍(lán)牙、ZigBee技術(shù)。比利時巴克公司生產(chǎn)的KnitMaster采用無線藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但該系統(tǒng)對機器設(shè)備要求較為嚴(yán)格，且實施服務(wù)能力難以滿足國內(nèi)企業(yè)的個性化需求；廣州科啟奧電子科技有限公司采用ZigBee技術(shù)開發(fā)了智能終端，但其主要用于服裝企業(yè)計件式生產(chǎn)，不適用于圓緯機的機速、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)采集。針對以上現(xiàn)狀，本文提出一種基于ZigBee技術(shù)的緯編生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)。目前，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無線智能測速、測溫、預(yù)警等方面。

基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無線通信技術(shù)，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)[3]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。基于ZigBee技術(shù)的緯編生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)將ZigBee技術(shù)和云數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，不僅能夠?qū)崟r采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，而且能夠有效地解決布線困難、線路繁瑣等工作。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用ZigBee技術(shù)的緯編生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)接收處理模塊2部分。數(shù)據(jù)采集模塊將通信芯片、存儲芯片等集成在一塊電路板上，通過傳感器、LED顯示屏、ZigBee等實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。其中，傳感器采集實時顯示的數(shù)據(jù)，如機器速度、停車次數(shù)、溫度、濕度等；LED顯示屏用來控制按鍵輸入，頁面顯示等；最后通過ZigBee技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接受處理模塊。

本文系統(tǒng)實時采集的一級數(shù)據(jù)主要包括：機速V(r/min)、每匹質(zhì)量W(kg)、落布圈數(shù)L、當(dāng)前圈數(shù)S、擋車工號、停車次數(shù)、停車時間T1(h)、運行時間T2(h)等。可通過以上數(shù)據(jù)推導(dǎo)出該工人的當(dāng)班產(chǎn)量P(kg)、效率η(%)。其中，當(dāng)前圈數(shù)、停車時間、運行時間都是從工人上班刷卡后開始計算。計算公式如下：

P=S(W/L)

η=T2/(T1+T2)

2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)顯示、傳輸，開發(fā)的工具是嵌入式操作系統(tǒng)，包括硬件層、中間層和軟件層。其中，嵌入式微處理器在第1個層次中位于中心地位。鑒于每臺緯編機上都需要安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，選取嵌入式微處理器時就勢必要考慮成本問題。至今為止，其主要包括以下幾個類型：8501、TMS320C2000、Power PC、MCS-251、ARM系列等。其中，ARM微處理器中采用Cortex-M3內(nèi)核的STM32F系列具有高性能、低功耗的特點，占據(jù)了絕大多數(shù)的市場，適合應(yīng)用于對性能要求較高、成本敏感的場合[4-5]。

系統(tǒng)的軟件部分采用的是μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，因其源代碼免費，結(jié)構(gòu)小巧，內(nèi)核小、可移植、可固化、實時性好[6]，其包含了實時內(nèi)核、任務(wù)管理、任務(wù)間通信同步(信號量、消息隊列等)和內(nèi)存管理等功能。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2所示。由于緯編車間機臺數(shù)較多，車間情況復(fù)雜，信號干擾嚴(yán)重，所以在采集信號時應(yīng)增強電路的抗干擾性。主要采取的措施有：加低通濾波器，采用過壓保護(hù)電路。所采用的嵌入式微處理器STM32F系列提供了一組完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備，包括：2.0～3.6 V供電和I/O引腳；32 K到512 K字節(jié)的閃存程序存儲器；2個DMA控制器，共12個DMA通道；多達(dá)8個定時器；9個通信接口。由于上述性能，用該芯片設(shè)計緯編生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)不僅可提高整個系統(tǒng)的性能，而且還能進(jìn)一步地開發(fā)和擴展功能，以滿足系統(tǒng)提升的需求。

數(shù)據(jù)采集模塊由射頻讀寫器(RFID)、機器傳感器、紗線狀態(tài)采集等模塊組成。射頻讀寫器通過對工人智能IC卡的讀取實現(xiàn)對員工、機臺以及機臺產(chǎn)量、質(zhì)量等數(shù)據(jù)綁定；傳感器采集模塊接口連接到針織機器上的接近開關(guān)、編碼器等傳感器，對緯編機的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集。

數(shù)據(jù)存儲模塊采用的是非易失NAND Flash存儲器，包括系統(tǒng)啟動、內(nèi)核、文件系統(tǒng)，具有低功耗、大容量、擦寫速度快等優(yōu)點[7]。在傳輸數(shù)據(jù)方面，由無線通信模塊、串行接口等組成，無線通信模塊采用ZigBee無線模塊，串行接口包括USART、RS485、USB，適合于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集器將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee傳到計算機。

On the Strategy of Hebei Historical Inscriptions Protection and Inheriting Chinese Excellent Traditional Culture___________________________ZHANG Jing,YAN Guilian,SUN Ying et al 105

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為及時了解車間生產(chǎn)狀況，監(jiān)控機器運行狀態(tài)，需要對機器數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，因此數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計要充分考慮實時性的要求。本文系統(tǒng)采用的μC/OS-II操作系統(tǒng)，是一個基于優(yōu)先級的、各任務(wù)相互獨立的搶占式的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)[8]。

μC/OS-II的體系結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用程序、核心和配置文件、移植文件3個部分。其中核心部分的代碼由多個應(yīng)用程序函數(shù)組成，其關(guān)鍵部分與處理器不存在聯(lián)系，主要用來由應(yīng)用程序調(diào)用[9]。設(shè)置部分的代碼可對應(yīng)用程序起到作用，以實現(xiàn)系統(tǒng)可裁剪的條件。為使系統(tǒng)可不受處理器的限制，需要可進(jìn)行移植的代碼，包括頭文件、匯編代碼文件和C語言文件各1個[9]。

3 數(shù)據(jù)接收與處理模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采集到緯編車間實時數(shù)據(jù)后，通過ZigBee將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C，運行在工控機上的數(shù)據(jù)接收與處理程序通過ZigBee協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，剔除垃圾數(shù)據(jù)，保存有效數(shù)據(jù)，并發(fā)送到云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中，為CKMES上位機提供數(shù)據(jù)支持。

3.1 數(shù)據(jù)表的設(shè)計

本文系統(tǒng)采用的是Sql Server數(shù)據(jù)庫，由于所采集的數(shù)據(jù)信息量大、種類多、對數(shù)據(jù)的存取頻率高，所以在數(shù)據(jù)表設(shè)計時始終以機器、訂單、擋車工信息為主線[10]，把最基本的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表設(shè)計為動態(tài)表和靜態(tài)表，動態(tài)表即實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的暫存表，靜態(tài)表即歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)表。動態(tài)表不斷更新緯編車間機器的生產(chǎn)情況，如轉(zhuǎn)速、產(chǎn)量、停車次數(shù)等；靜態(tài)表存儲擋車工換班時的時間、產(chǎn)量、停車次數(shù)、效率等，可從靜態(tài)表中檢索某個擋車工某一時間段的所有產(chǎn)量。具體數(shù)據(jù)表設(shè)計如圖3所示。

3.2 通信協(xié)議的修訂

數(shù)據(jù)接收與處理模塊接收到通過ZigBee無線通信技術(shù)傳過來的緯編生產(chǎn)數(shù)據(jù)時，先要判斷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，再對已經(jīng)加密的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，這就需要二者之間定義嚴(yán)格的通信協(xié)議。協(xié)議對同步碼、偏移位、校驗碼、幀頭等參數(shù)做出了統(tǒng)一規(guī)定。只有這些參數(shù)設(shè)置正確，才可正確傳輸和解析數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用的是起止式異步協(xié)議，即一個字符一個字符傳輸，詳情如表1所示。根據(jù)實際需要，設(shè)置各參數(shù)的字節(jié)數(shù)，可能需要1個、2個或多個。表中用項目代表各參數(shù)，對所有需要的字節(jié)從0開始依次編號，本文設(shè)計需要47個字節(jié)。

表1 通信協(xié)議的修訂Tab.1 Revision of communication protocol

3.3 程序設(shè)計

本系統(tǒng)是通過串口接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析和處理的。當(dāng)接收到第1個字符后，判斷是否為同步碼，如果是，則繼續(xù)接收至第47個字符，接著判斷校驗和和公司代碼是否正確，不正確則拋棄垃圾數(shù)據(jù)，正確則進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼和分析處理，得到正確數(shù)據(jù)。具體流程圖如圖4所示。

4 應(yīng)用情況分析

為驗證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，已將系統(tǒng)投入江蘇江陰某緯編企業(yè)使用，該企業(yè)有緯編機50多臺，安裝數(shù)據(jù)采集器50個。表2示出采集到的部分機器的產(chǎn)量、效率、溫度、濕度等。

表2 緯編車間實時生產(chǎn)狀況Tab.2 Weft knitting workshop real-time production status

表中一些數(shù)據(jù)顯示，不同機器的停車時間和刷卡時間總和不同，這主要是由于計時起始點是擋車工的刷卡時間，在交班過程中，不同機器的刷卡時間不同導(dǎo)致時間總和的差異；另外，在運行時間差異不大的情況下，由于工藝的不同，造成產(chǎn)量不同；該公司主要生產(chǎn)針織牛仔面料，所用原料為棉，表中數(shù)據(jù)還顯示，每班的停車次數(shù)平均在35次左右，說明在生產(chǎn)過程中易斷紗。

通過驗證得知，該系統(tǒng)采集到的機器速度和工控機上的一致?，F(xiàn)將該系統(tǒng)采集到的每匹布的圈數(shù)和工控機上記錄的圈數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。由表可知，本系統(tǒng)采集到的圈數(shù)與工控機上的圈數(shù)存在一些誤差，但誤差范圍較小，不超過1%。由此可知，該系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高，且在這段時間的使用過程中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

表3 產(chǎn)量對比Tab.3 Comparison of production

5 結(jié) 語

在了解緯編企業(yè)生產(chǎn)管理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，本文研究了基于ZigBee技術(shù)的緯編生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)，得到如下結(jié)論。

1)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊硬件采用嵌入式微處理器STM32F系列，性能高，功耗低，成本適宜，并且易移植。軟件部分采用μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，源碼公開，便于維護(hù)。

2)系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無線傳輸數(shù)據(jù)，簡化了有線網(wǎng)絡(luò)布線規(guī)劃、線路檢查等繁瑣工作，且靈活性強，可擴展性好，成本低。

3)經(jīng)驗證，本文系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高。

FZXB

[1] 朱啟，蔣高明，叢洪蓮，等.基于B/S結(jié)構(gòu)的經(jīng)編MES系統(tǒng)[J].紡織學(xué)報，2013,34(1)：128-132. ZHU Qi, JIANG Gaoming, CONG Honglian, et al. Development of manufacturing execution system of warp knitting based on B/S mode [J]. Journal of Textile Research, 2013,34(1)：128-132.

[2] 周細(xì)鳳，曾榮周，童耀南.基于ZigBee和AT89S52的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014(4)：1-4. ZHOU Xifeng, ZENG Rongzhou, TONG Yaonan. The wireless data acquisition system based on Zigbee and AT89S52[J]. Journal of Hunan Institute of Enginee-ring(Natural Science), 2014(4)：1-4.

[3] 鄧中華.基于ZigBee的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機工程與科學(xué)，2011(6)：164-167. DENG Zhonghua. Design of a ZigBee-based wireless temperature sampling[J]. Computer Engineering & Science,2011(6)：164-167.

[4] 夏棟，蔣高明.基于ARM的經(jīng)編生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)[J].紡織學(xué)報,2015,36(2)：116-120. XIA Dong, JIANG Gaoming. Warp knitting reaI-time data conection system based on ARM[J]. Journal of Textile Research, 2015,36(2)：116-120.

[5] 喻金錢，喻斌.STM32F系列ARMCortex-M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011：1-201. YU Jinqian, YU Bin. The Development and Application of STM32 Based on ARMcortex-M3[M].Beijing：Tsinghua University Press，2011：l-201.

[6] 趙憲龍.基于ARM與μC/OS-II的數(shù)據(jù)采集平臺應(yīng)用研究[D].北京：中國石油大學(xué)，2012：23-33. ZHAO Xianlong. The study of data acquisition platform based on ARM and μC/OS-II [D].Beijing：China University of Petroleum，2012：23-33.

[7] 侯亮，揣小龍.基于ARM的嵌入式遠(yuǎn)程田間生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].管理學(xué)家,2011(2)：309-310. HOU Liang, CHUAI Xiaolong. The Design of embedded remote field production data acquisition system based on ARM[J]. Management Scientist, 2011(2)：309-310.

[8] 趙寧，陳明，何鵬舉.嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II在ARM上的移植與應(yīng)用[J].航空計測技術(shù),2004(4)：29-31,34. ZHAO Ning, CHEN Ming, HE Pengju. The research of porting emnedded operating system μC/OS-II on ARM[J]. Aviation Metrology & Measurement Technology,2004(4)：29-31,34.

[9] 湯紅萍，薛根福.μC/OS-II系統(tǒng)的移植分析與應(yīng)用[J].電子世界,2013(4):100-102. TANG Hongping, XUE Genfu. Transplantation analysis and application of C/OS-II system[J]. Electronics World,2013(4):100-102.

[10] 邵景峰.基于C/S模式的織機監(jiān)測與管理系統(tǒng)[J].紡織電氣,2007(5)：27-30. SHAO Jingfeng. Loom monitoring and management system based on C/S mode[J]. Textile Electrical,2007(5)：27-30.

Weft knitting real-time data collection system application of ZigBee technology

JIA Dandan, JIANG Gaoming, CONG Honglian, WU Zhiming, JIAO Yang

(EngineeringResearchCenterforKnittingTechnology,MinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to resolve the issues of the complex production process of weft knitting, the matter that production data needs manual record, and the trouble that data is poor reliability, low efficiency, we have developed weft knitting real-time data collection system using ZigBee technology. The system includes data collection module,the data receiving and processing module.This paper not only have discussed the basic architecture of the data collection system from hardware design and software design ,but also analyzed the data receiving and processing module from design of the database, communication protocol and program modification. The system has realized the real-time data collection and two-way transmission of weft knitting,ensured the accuracy of the data,offered the technical foundation for the weft knitting manufacturing execution system.Finally,the system has been put into a company, and it is found by comparison the collected data with actual data that the ZigBee technology can transmit data with stability, convenience and reliability, and the data error is very small, which satisfy the data acquisition requirement of weft knitting.

weft knitting； ZigBee technology； real-time data collection； manufacturing execution system

10.13475/j.fzxb.20160103105

2016-01-19

2016-09-06

國家自然科學(xué)基金項目(61602212)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2016022-35)

嘉丹丹(1992—)，女，碩士生。主要研究方向為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在針織上的應(yīng)用。蔣高明，通信作者，E-mail:jgm@jiangnan.edu.cn。

TS 101.9

A