織機(jī)無(wú)線監(jiān)控管理系統(tǒng)的研發(fā)

劉 望，常 波

(西安工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710048)

織機(jī)無(wú)線監(jiān)控管理系統(tǒng)的研發(fā)

劉 望，常 波

(西安工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710048)

針對(duì)紡織企業(yè)生產(chǎn)信息化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展需要，為實(shí)現(xiàn)對(duì)織機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，采用單片機(jī)、無(wú)線通訊和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)研發(fā)了用于各種劍桿織機(jī)的、集監(jiān)控和管理為一體的實(shí)時(shí)信息監(jiān)控管理系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集終端和無(wú)線發(fā)射模塊對(duì)織機(jī)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和傳輸，服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)對(duì)織機(jī)的狀態(tài)、產(chǎn)量、效率等信息的統(tǒng)計(jì)分析，在監(jiān)控中心進(jìn)行人機(jī)界面展示。闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集終端硬件和軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)功能模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等；實(shí)現(xiàn)了對(duì)織機(jī)生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)跟蹤和統(tǒng)計(jì)分析，可提高紡織企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平，為企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃提供科學(xué)指導(dǎo)。

劍桿織機(jī)；無(wú)線通訊；監(jiān)控管理；系統(tǒng)研發(fā)

紡織廠有不少工序是設(shè)備多、人員多，由人工抄表、制表，人工統(tǒng)計(jì)和匯總，管理水平較落后[1]。這不僅效率低下、容易出錯(cuò)，還浪費(fèi)人力資源，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的整體管理。為解決紡織企業(yè)生產(chǎn)管理問(wèn)題和提高企業(yè)數(shù)字化、信息化水平，有研究提出了基于C/S模式的織機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，此系統(tǒng)采用RS485總線作為上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信方式，由于采用有線方式連接，靈活性差，不易于擴(kuò)展和維護(hù)[2]；而提出基于CAN總線的噴氣織機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴氣織機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、處理、分析和應(yīng)用[3]；對(duì)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)的一種基于ZigBee技術(shù)的分布式織機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了織機(jī)運(yùn)行參數(shù)和故障的實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]，但也存在著數(shù)據(jù)通信速率較低,無(wú)法直接接入有線網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)擴(kuò)展困難,使用范圍較小等缺點(diǎn)。為此本文采用無(wú)線通訊技術(shù)研發(fā)了劍桿織機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)，相比織機(jī)的有線監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)需耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高的布線施工，解決了現(xiàn)場(chǎng)布線困難問(wèn)題[5]；并且無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，容易調(diào)試，維護(hù)方便，從而降低了企業(yè)使用成本，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和數(shù)字化、信息化管理水平[6]。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)織機(jī)無(wú)線監(jiān)控管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、監(jiān)控中心等組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集終端主要包括各種傳感器、單片機(jī)和無(wú)線發(fā)射模塊；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器主要包括SQLServer2005數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)控系統(tǒng)；監(jiān)控中心主要包括人機(jī)界面等。

1.2 無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

數(shù)據(jù)采集終端集成的ATK-RM04模塊采用串口(RS232/LVTTL)與MCU(或其他串口設(shè)備)通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，具有TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸功能，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)(WIFI)3個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換。通過(guò)ATK-RM04無(wú)線模塊，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)與TCP數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換，并通過(guò)WIFI進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)雙向傳輸。

織機(jī)無(wú)線監(jiān)控過(guò)程實(shí)質(zhì)上是ATK-RM04模塊和監(jiān)控系統(tǒng)的通訊過(guò)程。監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集終端采用的是主從式輪詢方式進(jìn)行訪問(wèn)，由監(jiān)控系統(tǒng)按一定時(shí)間周期輪詢來(lái)對(duì)各個(gè)采集終端進(jìn)行主動(dòng)請(qǐng)求連接。若連接成功，數(shù)據(jù)采集終端即可向監(jiān)控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，并一直保持通訊連接；如果出現(xiàn)連接失敗或中斷，監(jiān)控系統(tǒng)將在一定時(shí)間間隔內(nèi)重新與數(shù)據(jù)采集終端握手。數(shù)據(jù)采集終端將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)紸TK-RM04模塊，該模塊將串口數(shù)據(jù)封裝成TCP包格式，通過(guò)WIFI和Internet透明傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和存儲(chǔ)；反之，當(dāng)數(shù)據(jù)采集終端收到監(jiān)控系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的TCP包時(shí)，ATK-RM04模塊將TCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，對(duì)其串口數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并取出數(shù)據(jù)內(nèi)容，再執(zhí)行相應(yīng)的命令操作。無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

2 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1.1 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)硬件電路接口如圖3所示。數(shù)據(jù)采集終端的主要硬件包括單片機(jī)、傳感器、轉(zhuǎn)換器、電源、RS485接口、ATK-RM04無(wú)線模塊等。為了滿足織造車間現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境和實(shí)現(xiàn)對(duì)織機(jī)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)傳輸與通訊等多方面的要求，本數(shù)據(jù)采集終端的核心處理器采用了STM32F407ZGT6芯片。該芯片由ST公司生產(chǎn)，采用ARM Cortex-M4內(nèi)核為核心，帶有FPU的ARM32位Cortex-M4 CPU、在Flash存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)零等待狀態(tài)運(yùn)行性能的自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器(ART加速器)，主頻高達(dá)168 MHz，具有DSP指令集；較之STM32F1/F2等Cortex-M3產(chǎn)品，STM32F4最大的優(yōu)勢(shì)，就是新增了硬件FPU單元及DSP指令，同時(shí)具有多達(dá)140個(gè)具有中斷功能的I/O端口和15個(gè)通信接口，擁有低功耗、超強(qiáng)抗干擾功能，可應(yīng)用與工業(yè)控制、強(qiáng)干擾場(chǎng)合等。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整個(gè)開(kāi)發(fā)板的電路設(shè)計(jì)是按照模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)采集終端包括電源模塊、輸入信號(hào)模塊、高速通道采集模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、接口模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊等。輸入信號(hào)模塊用來(lái)連接織機(jī)的電信號(hào)，通過(guò)8根數(shù)據(jù)線連接織機(jī)的打緯信號(hào)、打緯地信號(hào)、經(jīng)停信號(hào)、緯停信號(hào)、其他停信號(hào)、緯停地信號(hào)、經(jīng)停地信號(hào)、其他停地信號(hào)。輸入接口主要用于完成獲取織機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和開(kāi)/停信號(hào)。

A/D轉(zhuǎn)換模塊采用的是AD574轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器是AD公司的產(chǎn)品，屬12位逐位逼近式帶三態(tài)輸出緩沖器的A/D轉(zhuǎn)換器，可直接與微機(jī)總線連接，采用28腳雙列直插式封裝[7]。A/D轉(zhuǎn)換器主要用于實(shí)現(xiàn)將采集到的織機(jī)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集終端采用中斷方式獲取織機(jī)電平信號(hào)的變化，中斷使用GPIO外部中斷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；由于每一個(gè)電信號(hào)都是一個(gè)脈沖信號(hào)，在程序設(shè)計(jì)上采用了下降沿中斷，即脈沖信號(hào)下降時(shí)產(chǎn)生中斷，有利于對(duì)織造信號(hào)的計(jì)數(shù)[8]。實(shí)現(xiàn)GPIO中斷的過(guò)程如下：

(1)GPIO設(shè)置，初始化配置GPIO，主要代碼如下所示：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;

GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);

GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOD, GPIO_PinSource3);

(2)中斷初始化

EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOD, GPIO_PinSource4);

(3)編寫中斷處理函數(shù)

voidGPIO_Port_ISR(void)

{

GPIOPinIntClear(GPIO_PORTB_BASE．KEY4);

Loom_info．run_count++;

GPIOPinWrite(GPIO_PORTA_BASE，LED3，～LED3);

}

為了保證能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集到織機(jī)電平信號(hào)，程序中采用了定時(shí)器中斷，定時(shí)器中斷的代碼如下：

void Timer0A_ISR(void)

{

TimerIntClear(TIMER0_BASE，TIMER_TIMA_TIMEOUT);

TimerEnable(TIMER0_BASE，TIMER_A);

loom_info.speed=loom_info．run_count+12;

rst=tcp_send(TcpPcb，tcp_bf);

if(rst)

loom_info.run_count=O;

}

3 監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)整體功能需求分析，其功能模塊主要包括系統(tǒng)管理、基礎(chǔ)信息管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控跟蹤、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、異常狀態(tài)挖掘分析等模塊。

(1)系統(tǒng)管理 系統(tǒng)管理模塊又包括一些子模塊如參數(shù)設(shè)置、用戶管理、權(quán)限管理、日志管理、系統(tǒng)退出等，通過(guò)設(shè)置用戶權(quán)限，能有效保證系統(tǒng)的安全性和數(shù)據(jù)的完整性、一致性和安全性，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(2)基礎(chǔ)信息管理 基礎(chǔ)信息管理模塊主要包括品種信息、織機(jī)信息、班次及輪班信息、員工信息、合同訂單信息管理等子模塊，這些模塊確保了系統(tǒng)的信息完整性和統(tǒng)計(jì)信息的關(guān)聯(lián)性。

(3)實(shí)時(shí)監(jiān)控跟蹤 這主要包括織機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、產(chǎn)量、生產(chǎn)效率等跟蹤子模塊，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)織機(jī)執(zhí)行狀態(tài)和進(jìn)度狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，對(duì)織機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如車速、效率進(jìn)行曲線圖形式顯示；統(tǒng)計(jì)車間織機(jī)開(kāi)臺(tái)數(shù)，便于從整體上了解車間開(kāi)臺(tái)情況和對(duì)織機(jī)的生產(chǎn)調(diào)度。

(4)統(tǒng)計(jì)分析 實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)采集的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行表層數(shù)據(jù)處理，一方面提供查詢、統(tǒng)計(jì)匯總、制表、趨勢(shì)分析和對(duì)比分析等，另一方面為上層管理者提供決策依據(jù)。

(5)異常生產(chǎn)狀態(tài)分析 主要包括異常生產(chǎn)狀態(tài)分析和停車時(shí)間分析等子模塊，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)織機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常狀態(tài)結(jié)合“人、機(jī)、環(huán)、法、料”五因素進(jìn)行全方位綜合分析；對(duì)織機(jī)停車時(shí)間進(jìn)行分析，便于找出停車時(shí)間長(zhǎng)的機(jī)臺(tái)，分析原因及時(shí)維修。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)

在無(wú)線監(jiān)控管理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用的是SQL Server2005，無(wú)線監(jiān)控管理程序開(kāi)發(fā)工具采用的是VS2013。

3.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)山東某紡織廠的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和系統(tǒng)需求分析，表明系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)類型、表結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)復(fù)雜[9]，必須通過(guò)織機(jī)、品種等實(shí)體進(jìn)行關(guān)聯(lián)。其最主要的是織機(jī)實(shí)體，其中組崗劃分、產(chǎn)量及效率統(tǒng)計(jì)、監(jiān)控等都與織機(jī)相關(guān)。受篇幅所限，直接給出織機(jī)實(shí)體與其他實(shí)體的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖4所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)

無(wú)線監(jiān)控管理系統(tǒng)采用ADO技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)，在MFC應(yīng)用程序中有兩種方法采用ADO對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作，一種是使用ActiveX控件，另一種是使用ADO對(duì)象。由于使用ActiveX控件操作數(shù)據(jù)庫(kù)存在效率低、開(kāi)發(fā)人員對(duì)程序控制較弱的不足[10]，因此采用了ADO對(duì)象對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作，其操作步驟如下：

(1)在建立的無(wú)線監(jiān)控管理系統(tǒng)項(xiàng)目stdafx.h頭文件中引入ADO；通過(guò)#import指令導(dǎo)入msado15.dll文件來(lái)定義ADO庫(kù)。

(2)在數(shù)據(jù)庫(kù)操作類的頭文件中聲明如下3個(gè)對(duì)象：_ConnectionPtr和_RecordSetPtr和_CommandPtr。Connection對(duì)象表示了到數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，它管理應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)之間的通信；RecordSet對(duì)象表示執(zhí)行SQL命令的返回結(jié)果集；Command對(duì)象被用來(lái)處理重復(fù)執(zhí)行的查詢，或處理需要檢查在存儲(chǔ)過(guò)程調(diào)用中的輸出或返回參數(shù)值的查詢。

(3)編寫實(shí)際操作完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。

(4)操作數(shù)據(jù)庫(kù)完成后，關(guān)閉連接并釋放對(duì)象。

4 結(jié)語(yǔ)

利用STM32F407ZGT6芯片和ATK-RM04無(wú)線發(fā)射模塊等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)織機(jī)電平信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與傳輸；采用無(wú)線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了不同型號(hào)織機(jī)的智能監(jiān)控與統(tǒng)一管理，為提高紡織企業(yè)的數(shù)字化、信息化水平奠定了基礎(chǔ)。下一步的工作就是充分挖掘、分析采集的大量數(shù)據(jù)信息，找出關(guān)聯(lián)規(guī)則，解決企業(yè)“數(shù)據(jù)豐富，知識(shí)匱乏”問(wèn)題，為企業(yè)生產(chǎn)、決策、調(diào)度提供充足依據(jù)。

[1] 陳金廣，馬麗麗，李建成.織機(jī)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2010，(2)：49-52.

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Research and Development of Loom Wireless Monitored and Management System

LIU Wang, CHANG Bo

(School of Computer Science, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China)

According to the need of manufacturing informatization, digitalization and network development in textile enterprises, and in order to realize the real-time monitoring and management on the loom, one of the real-time monitoring and management information systems using micro-controller technology, wireless communication technology and database technology was developed. By data acquisition terminal and a radio transmitter module, the real time looms information collection and transmission was obtained concluding loom state, productivity and efficiency. The system structure, the design and implementation of data acquisition terminal hardware and software, system function modules and database design were detailed. Real time tracking and statistical analysis of production information of loom was realized. It improved production efficiency and management of textile enterprises, and provided scientific instruction for the production plan of enterprises.

rapier loom; wireless communication；monitoring and management; system development

2016-06-14

劉 望(1991-)，男，湖南邵陽(yáng)人，在讀碩士研究生，研究方向：智能信息處理和紡織企業(yè)生產(chǎn)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)，E-mail:497473255@qq.com。

TS103.12

B

1673-0356(2016)09-0011-04