基于ZigBee 和RFID 的CNC 數據采集系統設計

劉忠凱 段富海

(①深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518100;②大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116024)

隨著數控技術在我國的大規模應用，數控加工車間的信息化已經成為現代企業持續發展的必然選擇。數控機床是數控加工車間的主要設備，是MES(manufacturing execution system)重要的研究對象，對其高效利用是提高數字化車間生產效率的根本保障。MES系統是面向車間級的生產信息管理一體化系統，為車間工人及管理者提供生產加工、決策管理等信息［1-4］。隨著MES 的逐步應用，智能化的數控機床相關數據采集系統已成為制造企業信息化的重要環節，采集系統的性能優劣直接決定著制造企業的生產效率。

按照功能組成，MES 系統包含生產設備的管理與現場生產信息的管理［5］，具體到數控機床則可分為數控機床狀態數據和數控機床生產信息數據兩部分。目前，對于數控機床狀態數據的采集研究較為成熟，如基于宏命令、PLC 電器電路、外接傳感器、嵌入式OPC 及Internet 遠程監控等采集方法已經得到了較為全面的研究［6-8］。雖然很多數控機床狀態數據采集系統都受數控系統本身開放性的影響，多數接口不能直接獲得機床的狀態［9］，但通過對多種采集方法的靈活綜合應用，基本可以實現對數控機床狀態數據的實時采集。但只采集數控機床的狀態信息數據并不能全面反映加工過程數據，必須要結合數控機床現場生產加工數據，而目前對于這一方面的研究缺乏一定的實用性，很難反應加工現場狀態。所以對數控機床生產數據采集系統的研究具有重要意義。

通過對數控機床現場數據結構的分析，提出了基于RFID 與ZigBee 技術的數控機床生產信息采集系統。系統在采集層及傳輸層進行了系統性設計，可以實現智能無接觸式采集和組網無線數據傳輸，對加工人員信息與在制品工序信息實現智能化采集。該方法具有便捷、高效、準確率高等優點，不但能實現車間內數據采集，還可以通過更大范圍的組網實現廠級甚至更大級別的數據采集。

1 系統總體設計

數控機床生產信息采集系統分為3 個層次:采集層、傳輸層、管理層，如圖1 所示。

RFID 采集層負責與數控機床有關的數據采集，并將采集數據編寫為相應的數據幀格式。采集層信息包括工人信息、在制品工序信息、質量信息、批次信息等。

ZigBee 傳輸層負責將采集層數據幀進行解析與打包處理，并通過ZigBee 無線網絡將數據傳輸到上位機端，由上位機端進行集中管理。

上位機管理端將傳輸層數據進行解析，根據解析數據類型決定執行動作，實現數據存儲與人機交互。上位機管理端提供數據庫操作，管理者可對歷史數據進行查詢。

采集系統結合RFID 與ZigBee 技術實現采集層數據采集與傳輸層數據傳輸功能。系統采集層采用RFID 高低頻搭配的方案，低頻RFID 對讀寫頻率較低、周期時間較長的工人信息進行采集，高頻RFID 對讀寫頻率較高、周期時間較短的在制品信息進行采集，避免兩者信息之間干擾的同時降低了系統設計難度。傳輸層利用CC2530 無線射頻芯片設計了傳輸模塊，無線模塊與RFID 模塊采用組合式設計，兩種模塊可以靈活地進行組合，形成采集傳輸一體化模塊，CC2530 模塊與RFID 模塊之間采用串口通訊，保證通訊效率。采集與傳輸一體化模塊通過網絡協調器與上位機進行通訊，ZigBee 協調模塊與上位機之間采用RS232 進行通訊，完成了數控生產信息的集中管理功能。圖2 為系統整體結構。

2 系統硬件設計

系統硬件包括采集工人信息的低頻RFID 模塊、采集在制品信息的高頻RFID 模塊及ZigBee 無線信息傳輸模塊。

(1)工人信息采集模塊。低頻工人考勤信息采集采用MCU+射頻基站芯片的方式，MCU 與射頻芯片通過控制引腳相連。主控芯片采用STC 公司的51 內核單片機STC F1104E，射頻芯片采用U2270B 芯片，U2270B 通過2 個線圈驅動引腳外接電容與線圈組成振蕩電路，產生射頻場載波可以提供100～150 kHz 的射頻載波，典型的載波頻率為125 kHz。圖3 為工人信息采集模塊總體結構框圖。

(2)在制品信息采集模塊。在制品信息采集數據量大，讀寫頻繁，并且要求有一定的讀寫距離，故采用高頻13.56 MHz 的RFID。該模塊支持對ISO15693、ISO14333A 協議射頻卡的讀寫操作，可快速地完成對標簽卡內部資源的訪問與存儲。MCU 采用低功耗16位高性能MSP430f2370 處理器，射頻模塊采用低功耗非接觸式讀寫器射頻芯片TRF7960。

圖4 中線圈匹配電路決定天線負載，從而調整實際品質因數Qantenna使其更加接近最佳品質因數Qrequred，提高天線性能。天線采用PCB 天線，具有體積小、電路簡單的優點。該方案設計射頻模塊讀卡距離可達6～10 cm，可滿足在制品加工中的讀寫要求。

(3)ZigBee 無線數據傳輸模塊。無線模塊采用市場上應用較為成熟的CC2530F256 芯片，該芯片集成了基于2.4 GHz 的IEEE802.15.4 標準的RF 無線收發器與增強型的8051 內核。CC2530 通訊模塊采用插針的方式接入底板，在底板預留相應的插槽，可以靈活地更換通訊模塊。該模塊的供電電路、DEBUG 接口及按鍵、LED 指示燈、I/O 接口等外設也全部通過插針引到相應的底板上。CC2530 節點與射頻模塊底板MCU之間通訊是通過UART 接口交叉連接的。圖5 為CC2530 與MCU 連線示意圖。

本文中的設計采用PCB 倒F 天線。倒F 天線具有尺寸小、設計方便等優點，并且在不用增加任何尺寸的情況下將阻抗匹配到50 Ω。

3 傳輸格式定義

低頻125 kHz 工人信息采集模塊針對EM4100 射頻卡進行讀取，卡內存儲10 位卡號信息，其數據傳輸只需將卡號信息采集發送即可。高頻RFID 為TI 標準的ISO15693 標簽應答器，標簽卡最小讀寫單位是塊，也就是每次讀寫至少要4 個字節，可以分塊讀寫，也可以連續多塊讀寫。工件物流及在制品的工序信息都存儲在2 084 bits 的用戶數據區中，根據數據類型的不同存儲在不同的塊區中。工件工序卡分為單件工序卡和批次工序卡，塊1 的第1 字節存儲卡類型信息，當第1 字節為0×01 表示該卡為批次工序卡，當第1 字節為0 ×02時表示該卡為單件工序卡。如圖6 所示。

卡片其他用戶數據區存儲內容包括:工件或批次編號、訂單號、批次或工件數量、工件類型、工序總數、已完成工序數、加工開始標志及加工結束標志、質量信息、設備信息。RFID 卡存儲信息定義如表1 所示。

表1 數控機床加工信息卡數據區定義

生產信息采集卡信息共用15 塊卡內數據存儲空間，讀卡器根據卡內信息狀態編輯空間信息。其中，工件及批次編號、訂單號、工件類型、總工序數信息是在工件進入加工區之前寫入，系統將這些工件生產信息與卡號之間進行綁定，并錄入數據庫，在數據庫中可以查詢其對應信息。但為提高整體系統的實時性，避免在上位機數據庫中搜索數據，所以將這些固定信息提前錄入卡內，以便實時、快速地將數據傳達到上位機管理端。

數控機床現場生產數據最終要通過ZigBee 網絡進行傳輸，在傳輸之前需要對數據包進行一定的格式規定，形成統一標準數據幀，便于上位機對數據的管理。表2 為數控機床生產信息采集數據傳輸幀格式。

表2 數控機床生產信息采集數據傳輸幀格式

工人信息及在制品信息都嵌入表2 中的數控機床生產信息采集傳輸數據幀，其中第6 字節用于區分是工人信息還是在制品信息，而讀取的射頻卡數據存儲在數據幀的7 到20 字節。第21 字節和校驗值為數據類型與數據之和對256 取余的運算結果，和校驗能夠在一定程度上保證數據傳輸的準確性，防止外接電磁干擾導致的數據錯誤。

4 系統軟件設計

4.1 RFID 采集程序設計

采集程序設計分為工人信息低頻采集程序設計與在制品信息高頻采集程序設計。

(1)工人信息采集程序。采集程序采用輪詢的方式，實時檢測是否有卡片進入射頻區，對進入射頻區的卡片讀取其卡號。卡號程序編寫要按照EM4100 數據傳輸格式進行編寫，在程序開頭要對9 位1 的字頭進行檢測，并且需要對每一行及每一列的數據進行奇偶校驗，保證傳輸的準確率。

(2)在制品信息采集程序。通過RFID 讀寫模塊對射頻卡的操作實現在制品工序信息的管理，加工人員只需在加工開始及結束后對工件對應RFID 標簽卡進行刷卡，并根據查看工件質量選取相應的質量信息錄入，其余工序信息數據管理由RFID 讀卡器自動完成。圖8 為數控機床在制品信息采集程序流程。

在制品信息工序及質量等信息都對應不同的位，其狀態轉換也是通過對位進行操作實現的，采集過程中需要對位狀態轉換進行設計。加工狀態轉換流程如圖9 所示。

4.2 CC2530 模塊程序設計

CC2530 節點軟件設計基于TI 公司設計的Z-stack協議棧。Z-stack 的網絡建立是由協調器來完成的，協調器分配網絡中各個節點的地址，在一個子節點加入網絡時，協調器就會分配一個網絡16 位地址，這個地址在該ZigBee 網絡中是唯一的。本文中全部采用RFD 設備，即一個協調器和多個路由器設備，各路由節點自動以多跳的方式將數據傳送給協調器［10］，車間生產信息采集節點根據自身位置自動進行組網，通過PC 對路由節點的添加，可以確定其網絡短地址，并將短地址與設備編號相對應。當在制品或人員信息進行刷卡操作時，路由子節點就會將帶有生產或人員信息的數據幀發送到協調器節點。圖10 為路由器節點工作流程圖。

協調器節點在創建網絡后，監視整個網絡是否有節點加入，當節點有數據上傳時，協調器通過RS232 接口將數據上傳給上位機。協調器節點工作流程圖如圖11 所示。

4.3 上位機設計

系統上位機完成對數控機床狀態信號及生產信息的集中監控及管理工作，同時對采集層部分數據進行解析處理，完成一定量的數據分析任務。本系統上位機系統采用C++進行設計，通過界面及通訊接口的設計，構建底層采集系統與人之間的信息交互平臺。采集系統通訊不是單一線程可以完成的，要采用多線程的方式實現數據的處理。圖12 為上位機系統線程框架。

5 系統測試

生產信息采集測試是基于RFID 及ZigBee 的采集及傳輸的綜合測試，RFID 的高低頻模塊分別采集工人及工件工序卡射頻卡中的信息，并通過ZigBee 網絡進行上傳，通過對信息讀取正確率評定系統性能。圖13和圖14 為測試上位機界面。

將測試分為3 組，分別對工人信息與在制品信息進行測試，并讀寫相應RFID 卡片50 次，觀察上位機測試結果。測試結果如表3 所示。

CC2530 通訊距離對于系統傳輸性能有很大影響，所以需要針對不同功率、不同距離情況下的CC2530通訊效率進行測試。經測試，系統采用默認通訊功率1dBm(1.26 mW)以點對點的方式發送1 000 個數據包時，室外120 m 左右通訊丟包率基本為0，在室內25 m范圍內通訊基本無損失，滿足一般車間的通訊要求。

表3 數控機床生產信息讀卡50 次測試結果

6 結語

對數控機床生產信息采集方法進行了研究，提出了基于RFID 的采集方案與基于ZigBee 網絡的數據傳輸方案。分別設計了工人信息采集低頻RFID 模塊、在制品工序信息采集高頻RFID 模塊及基于CC2530的ZigBee 網絡傳輸模塊。通過對數控機床現場數據的分析，定義了車間采集系統的通訊規約，并對生產加工信息的采集流程進行了設計。對系統性能進行了測試，測試結果表明:該系統具有通訊效率高、讀寫速度快、準確率高的特點，能夠滿足數控機床生產信息的采集要求。

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