0 引言
當(dāng)前制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)(Manufacturing Exe．cution svstem，簡(jiǎn)稱MES)已開始大量的應(yīng)用，但對(duì)于底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，因受到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)條件限制，一直還是一個(gè)比較難解決的問題。為此，本文主要針對(duì)信息監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，完善底層ZigBee數(shù)據(jù)采集。
在實(shí)際的生產(chǎn)中，大部分生產(chǎn)企業(yè)為離散型制造方式，生產(chǎn)的產(chǎn)品種類多、工序多，甚至在同一廠區(qū)內(nèi)作業(yè)場(chǎng)地分散，大量生產(chǎn)過程信息難以記錄。對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集，以及生產(chǎn)質(zhì)量的監(jiān)控，生產(chǎn)進(jìn)度的管控造成較大困難。對(duì)于離散型生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)的采集問題，已有一些相關(guān)的研究。其主要使用的技術(shù)為RFID技術(shù)，即在每個(gè)產(chǎn)品上貼有源或無源標(biāo)簽，通過標(biāo)簽閱讀器讀取標(biāo)簽信息，從而獲得生產(chǎn)狀態(tài)信息。與條碼信息相比，缺點(diǎn)就是標(biāo)簽成本過高。同時(shí)對(duì)于信息量較大的采集和傳輸，顯然也不太適合，如視頻或圖片信息采集傳輸?shù)取?span lang="EN-US">
針對(duì)離散型生產(chǎn)過程中的信息分散的特點(diǎn)。對(duì)于信息監(jiān)控，適合選擇無線網(wǎng)絡(luò)方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在目前無線技術(shù)中，應(yīng)用較多的無線方式為：無線WIFI網(wǎng)、RFID網(wǎng)、無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、紅外等。其中無線WIFI和ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較多。
無線WIFI組網(wǎng)技術(shù)是目前在短距離通信，大流量數(shù)據(jù)的傳際應(yīng)用中具有較明顯的通信傳輸速度優(yōu)勢(shì)，但功耗較大，使用時(shí)間短，在作為移動(dòng)終端網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用受到一定的限制，靈活性有所降低。而利用ZigBee無線模塊組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)，且節(jié)點(diǎn)具備自動(dòng)組網(wǎng)功能。ZigBee是基IEEE802．15．4發(fā)展而來的，其特點(diǎn)為：(1)低功耗；(2)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)充能力強(qiáng)。ZigBee協(xié)議在2．4GHz頻段中。適用于通信數(shù)據(jù)量小、數(shù)據(jù)傳輸速率較低以及分布范圍較小，成本低的場(chǎng)合。
綜合上述分析，本文通過分析生產(chǎn)過程中需要監(jiān)控的信息，設(shè)計(jì)兩種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行生產(chǎn)過程信息采集，對(duì)于高速大流量信息的采集使用WIFI網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于低速分散信息的采集使用ZigBee無線模塊網(wǎng)絡(luò)。并基于ZigBee數(shù)傳模塊，設(shè)計(jì)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件。
最后在電纜連接器產(chǎn)品生產(chǎn)中進(jìn)行了組網(wǎng)測(cè)試。
1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)
1．1監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和功能描述在MES系統(tǒng)中，需要對(duì)各項(xiàng)生產(chǎn)要素信息進(jìn)行采集，這樣才能做到MES系統(tǒng)中的信息準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)性。如前所分析，在離散生產(chǎn)過程信息監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)兩種無線網(wǎng)絡(luò)：無線WIFI網(wǎng)絡(luò)(見圖1)和無線ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)(見圖2)。如圖1所示，無線WIFI網(wǎng)可進(jìn)行高速批量的生產(chǎn)過程信息數(shù)據(jù)的采集。組網(wǎng)由無線終端，無線AP和無線路由及以太網(wǎng)構(gòu)成。
圖1 無線WIFI網(wǎng)絡(luò)圖
而在ZigBee模塊組網(wǎng)中，對(duì)設(shè)備對(duì)象定義了三種，分別為協(xié)調(diào)器(Coordinator)，路由器(Router)以及終端設(shè)備(End Device)。組網(wǎng)方式分為三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為星型結(jié)構(gòu)(Star)，簇樹結(jié)構(gòu)(Cluster Tree)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(MESH)閣。在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，生產(chǎn)過程信息監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，均具備執(zhí)行路由和終端設(shè)備功能。其網(wǎng)絡(luò)組成可以采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)方式，采用這種結(jié)構(gòu)能擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)范圍，在實(shí)際應(yīng)用中相比星型結(jié)構(gòu)和簇樹結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更靈活。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)通過自組織和路由的功能，提供多條通訊路徑。有效減少信息傳輸時(shí)延，提高數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)的可靠性。考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，最高為250Kbps，為了提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，在協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)通訊之間采用CAN總線通訊方式。
CAN總線在短距離(小于40m)傳輸通信速率可為lMbps，相比RS232通訊效率較高。因此在本設(shè)計(jì)中組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 信息傳輸zlgBee網(wǎng)絡(luò)圖
1．2監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能分析
生產(chǎn)過程中的監(jiān)控信息主要為生產(chǎn)要素(人、機(jī)、料、法、環(huán))的實(shí)時(shí)信息。對(duì)人的信息分析為：人員的工作狀態(tài)、工位、工作時(shí)間等信息。設(shè)備信息主要有設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)，設(shè)備的工況等，同時(shí)需要對(duì)物料(料)、工藝規(guī)則(法)、工作環(huán)境(環(huán))等信息進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集，如表1。
表1 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)功能分析
2 ZigBee監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
對(duì)表l的節(jié)點(diǎn)功能分析可知，要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程中各要素的ZigBee數(shù)據(jù)采集。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件功能的應(yīng)具備下列功能如圖3所示。
圖3 節(jié)點(diǎn)功能設(shè)計(jì)圖
針對(duì)上述硬件功能分析，硬件主要設(shè)計(jì)為電源、ZigBee數(shù)傳模塊、刷卡射頻讀寫，ZigBee數(shù)據(jù)采集，傳感電路設(shè)計(jì)。
在較復(fù)雜的硬件功能上采用獨(dú)立CPU管理方式，這樣提高了工作效率。ZigBee數(shù)傳模塊電路設(shè)計(jì)，采用TI公司的cc2530作為核心器件。該器件可以實(shí)現(xiàn)集射頻收發(fā)于一體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。外圍器件較為簡(jiǎn)單，主要包括晶振和射頻匹配網(wǎng)絡(luò)等電阻電容電感器件。天線采用外置高增益SMA桿狀天線，增益達(dá)到6dBi，接收靈敏度相對(duì)較高。通過對(duì)CC2530編寫ZigBee組網(wǎng)程序，使得監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上電后可進(jìn)行自動(dòng)組網(wǎng)，部分節(jié)點(diǎn)失效后，網(wǎng)絡(luò)也具備自我修復(fù)能力，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均能收發(fā)數(shù)據(jù)，組網(wǎng)后可以在任意節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
對(duì)于員工IC卡刷卡電路設(shè)計(jì)。采用非接觸式的射頻卡。IC卡電路由IC芯片、感應(yīng)天線組成，封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PVC卡片內(nèi)，芯片及天線無外露部分。IC卡片在短距離內(nèi)(一般為5-10mm)靠近讀寫電路表面，通過無線電波的傳遞來完成數(shù)據(jù)的讀寫。讀卡電路天線由電路板上線路構(gòu)成，組成單一模塊電路。對(duì)于讀卡器的設(shè)計(jì)，以NXP公司的MF RC522為核心芯片設(shè)計(jì)電路，作為單一模塊設(shè)計(jì)讀卡電路，獲得數(shù)據(jù)后利用串口與管理CPU通信。
ZigBee數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一種0～5v和4～20mA共用電路。其原理主要根據(jù)電壓等于電流與電阻之乘積(V=I×R)。
在ZigBee數(shù)據(jù)采集電路端并上二極管和電容進(jìn)行降噪聲處理，提高了電路的可靠性。電路如圖4所示。
圖4 電壓、電流傳感器共用電路
在外圍傳感器選擇中選擇人體熱釋紅外傳感器LHi878，溫濕度傳感器DHT22，構(gòu)成了整個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。考慮監(jiān)控節(jié)點(diǎn)安裝位置不影響其他設(shè)備工作，體積盡可能小。故在電路布局上進(jìn)行多層形式，整體結(jié)構(gòu)分為上下兩層，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧(6cm×6cm)，便于安裝，功能齊全，使用比較方便，也易于維護(hù)，并且成本低廉。硬件電路如圖5所示。
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圖5 6×6(cm)雙層緊湊布局實(shí)物圖
3 ZigBee監(jiān)控節(jié)點(diǎn)軟設(shè)計(jì)
3．1軟件功能描述依據(jù)ZigBee無線模塊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)信息流程如圖6。
圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息流程圖
各ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，對(duì)工序中的生產(chǎn)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過ZigBee無線模塊傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，利用CAN總線傳輸?shù)浇K端計(jì)算機(jī)，再進(jìn)入MES系統(tǒng)的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)里。
監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖7所示。系統(tǒng)上電后首先讀取存儲(chǔ)在EEPROM中各項(xiàng)工作參數(shù)，初始化系統(tǒng)，在128液晶上顯示相關(guān)參數(shù)信息。同時(shí)傳感器開始采集工作環(huán)境中的工作參數(shù)，如溫濕度，設(shè)備氣壓等，經(jīng)過預(yù)處理電路后送給CPU處理。員工刷卡后將卡號(hào)ID通過ZigBee發(fā)送到服務(wù)器，在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找到該員工信息并將員工工號(hào)送回。節(jié)點(diǎn)收到工號(hào)在液晶上顯示。
圖7 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)軟件流程圖
員工刷卡后將卡號(hào)ID通過ZigBee發(fā)送到服務(wù)器，在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找到該員工信息，從而將員工工號(hào)送回，節(jié)點(diǎn)收到工號(hào)后在液晶上顯示。同時(shí)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的作業(yè)次數(shù)以記錄員工的工作量，并將這些數(shù)據(jù)上報(bào)到服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫(kù)中。節(jié)點(diǎn)能接受上位機(jī)的指令并加以處理，此外再通過鍵盤更改部分參數(shù)，更改設(shè)備狀態(tài)，產(chǎn)品質(zhì)量等信息。熱釋紅外人體檢測(cè)傳感器監(jiān)視本工位上是否有人員工作，若無人員則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)
4 網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試與分析
根據(jù)上述設(shè)計(jì)，在實(shí)際的電纜連接器產(chǎn)品生產(chǎn)中采用ZigBee數(shù)傳模塊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)15個(gè)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)性能。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)傳輸可以到110m。終端節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，兩數(shù)據(jù)包間的時(shí)間間隔最小值為18ms，丟包率在5％以下，并且隨著傳輸距離的增大，傳輸速率降低，丟包率增大。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)向終端節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，兩數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔最小值在500ms，丟包率在5％以下，并且隨著傳輸距離的增大丟包率增大。
從測(cè)試的性能看，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳遞滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需求，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。使用無線通訊方式的缺點(diǎn)為容易受到現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的強(qiáng)電電磁場(chǎng)的影響。在實(shí)時(shí)性要求更高的場(chǎng)合可采用有線方式進(jìn)行監(jiān)控。
5 結(jié)論
對(duì)于離散型生產(chǎn)過程信息監(jiān)控，本文提出了利用兩種無線網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)，即基于WIFI和ZigBee模塊的無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的組網(wǎng)方式。設(shè)計(jì)了ZigBee數(shù)據(jù)采集監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并在電纜連接器產(chǎn)品生產(chǎn)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。ZigBee數(shù)傳模塊的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度和距離均達(dá)到電纜連機(jī)器生產(chǎn)信息采集要求。測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)試節(jié)點(diǎn)能滿足一般性生產(chǎn)工序的信息采集，符合生產(chǎn)的使用性能。