應用ZigBee技術的緯編生產數據實時采集系統

嘉丹丹， 蔣高明， 叢洪蓮， 吳志明， 焦 洋

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

應用ZigBee技術的緯編生產數據實時采集系統

嘉丹丹， 蔣高明， 叢洪蓮， 吳志明， 焦 洋

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

針對緯編企業生產過程復雜，生產數據記錄需要人工統計且滯后，數據可靠性差、不穩定，信息反饋不及時，效率低等問題，采用ZigBee技術開發了包括數據采集模塊和數據接收與處理模塊2部分的緯編生產數據實時采集系統。分別從硬件和軟件設計2個方面探討了數據采集模塊的基本架構，并通過對數據表的設計、通信協議的修訂、程序的修改等分析設計了數據接收與處理模塊。將該采集系統投入到某公司試用，并把采集的數據與實際數據進行了對比。結果表明，ZigBee技術實時性好，穩定性高，傳輸方便可靠，系統的數據采集誤差較小，滿足了緯編車間的數據采集要求。

緯編； ZigBee技術； 數據實時采集； 制造執行系統

緯編行業是針織領域的重要組成部分，隨著行業信息化的不斷發展，緯編企業規模的不斷擴大，緯編企業的員工數量、訂單量和產量等都逐漸增加，傳統的依靠工人手寫、卡片記錄等采集生產數據的方式，由于數據安全性低、不準確、不易管理等問題[1]已經不再適用于現今的緯編生產環境，緯編制造執行系統的開發成為信息化發展的必要趨勢。數據采集系統作為緯編制造執行系統的基礎，其采集及傳輸性能直接決定整個制造執行系統的性能。目前，數據采集傳輸包括2種方式：有線和無線。有線數據采集存在著擴展性較差、布線繁瑣等問題[2]，現有系統包括經緯E系統、悠揚織造管理系統等。無線數據采集方式有無線藍牙、ZigBee技術。比利時巴克公司生產的KnitMaster采用無線藍牙進行數據傳輸，但該系統對機器設備要求較為嚴格，且實施服務能力難以滿足國內企業的個性化需求；廣州科啟奧電子科技有限公司采用ZigBee技術開發了智能終端，但其主要用于服裝企業計件式生產，不適用于圓緯機的機速、產量等數據采集。針對以上現狀，本文提出一種基于ZigBee技術的緯編生產數據實時采集系統。目前，該技術被廣泛應用于無線智能測速、測溫、預警等方面。

基于IEEE 802.15.4標準的ZigBee無線通信技術，是一種近距離、低復雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術[3]，被廣泛應用于工業控制領域。基于ZigBee技術的緯編生產數據實時采集系統將ZigBee技術和云數據庫相結合，不僅能夠實時采集生產數據，而且能夠有效地解決布線困難、線路繁瑣等工作。

1 系統結構

應用ZigBee技術的緯編生產數據實時采集系統包括數據采集模塊和數據接收處理模塊2部分。數據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等實現數據傳輸功能。其中，傳感器采集實時顯示的數據，如機器速度、停車次數、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技術將采集到的數據無線傳輸到數據接受處理模塊。

本文系統實時采集的一級數據主要包括：機速V(r/min)、每匹質量W(kg)、落布圈數L、當前圈數S、擋車工號、停車次數、停車時間T1(h)、運行時間T2(h)等。可通過以上數據推導出該工人的當班產量P(kg)、效率η(%)。其中，當前圈數、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 數據采集模塊

數據采集模塊主要完成數據的采集和數據顯示、傳輸，開發的工具是嵌入式操作系統，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據采集系統，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內核的STM32F系列具有高性能、低功耗的特點，占據了絕大多數的市場，適合應用于對性能要求較高、成本敏感的場合[4-5]。

系統的軟件部分采用的是μC/OS-II實時操作系統，因其源代碼免費，結構小巧，內核小、可移植、可固化、實時性好[6]，其包含了實時內核、任務管理、任務間通信同步(信號量、消息隊列等)和內存管理等功能。

2.1 系統硬件設計

系統的硬件組成框圖如圖2所示。由于緯編車間機臺數較多，車間情況復雜，信號干擾嚴重，所以在采集信號時應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外圍設備，包括：2.0～3.6 V供電和I/O引腳；32 K到512 K字節的閃存程序存儲器；2個DMA控制器，共12個DMA通道；多達8個定時器；9個通信接口。由于上述性能，用該芯片設計緯編生產數據實時采集系統不僅可提高整個系統的性能，而且還能進一步地開發和擴展功能，以滿足系統提升的需求。

數據采集模塊由射頻讀寫器(RFID)、機器傳感器、紗線狀態采集等模塊組成。射頻讀寫器通過對工人智能IC卡的讀取實現對員工、機臺以及機臺產量、質量等數據綁定；傳感器采集模塊接口連接到針織機器上的接近開關、編碼器等傳感器，對緯編機的生產數據進行實時采集。

數據存儲模塊采用的是非易失NAND Flash存儲器，包括系統啟動、內核、文件系統，具有低功耗、大容量、擦寫速度快等優點[7]。在傳輸數據方面，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，適合于遠程數據傳輸。數據采集器將采集到的數據通過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 系統軟件設計

為及時了解車間生產狀況，監控機器運行狀態，需要對機器數據進行實時采集，因此數據采集模塊的軟件設計要充分考慮實時性的要求。本文系統采用的μC/OS-II操作系統，是一個基于優先級的、各任務相互獨立的搶占式的多任務實時操作系統[8]。

μC/OS-II的體系結構包括應用程序、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用程序函數組成，其關鍵部分與處理器不存在聯系，主要用來由應用程序調用[9]。設置部分的代碼可對應用程序起到作用，以實現系統可裁剪的條件。為使系統可不受處理器的限制，需要可進行移植的代碼，包括頭文件、匯編代碼文件和C語言文件各1個[9]。

3 數據接收與處理模塊

數據采集模塊采集到緯編車間實時數據后，通過ZigBee將數據傳輸到工控機，運行在工控機上的數據接收與處理程序通過ZigBee協調器接收數據并對數據進行分析和處理，剔除垃圾數據，保存有效數據，并發送到云服務器上的數據庫中，為CKMES上位機提供數據支持。

3.1 數據表的設計

本文系統采用的是Sql Server數據庫，由于所采集的數據信息量大、種類多、對數據的存取頻率高，所以在數據表設計時始終以機器、訂單、擋車工信息為主線[10]，把最基本的生產數據表設計為動態表和靜態表，動態表即實時生產數據的暫存表，靜態表即歷史生產數據表。動態表不斷更新緯編車間機器的生產情況，如轉速、產量、停車次數等；靜態表存儲擋車工換班時的時間、產量、停車次數、效率等，可從靜態表中檢索某個擋車工某一時間段的所有產量。具體數據表設計如圖3所示。

3.2 通信協議的修訂

數據接收與處理模塊接收到通過ZigBee無線通信技術傳過來的緯編生產數據時，先要判斷數據的準確性，再對已經加密的數據進行解碼，這就需要二者之間定義嚴格的通信協議。協議對同步碼、偏移位、校驗碼、幀頭等參數做出了統一規定。只有這些參數設置正確，才可正確傳輸和解析數據。本系統采用的是起止式異步協議，即一個字符一個字符傳輸，詳情如表1所示。根據實際需要，設置各參數的字節數，可能需要1個、2個或多個。表中用項目代表各參數，對所有需要的字節從0開始依次編號，本文設計需要47個字節。

表1 通信協議的修訂Tab.1 Revision of communication protocol

3.3 程序設計

本系統是通過串口接收數據并進行分析和處理的。當接收到第1個字符后，判斷是否為同步碼，如果是，則繼續接收至第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據，正確則進行數據解碼和分析處理，得到正確數據。具體流程圖如圖4所示。

4 應用情況分析

為驗證數據采集系統的準確性和穩定性，已將系統投入江蘇江陰某緯編企業使用，該企業有緯編機50多臺，安裝數據采集器50個。表2示出采集到的部分機器的產量、效率、溫度、濕度等。

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

表中一些數據顯示，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，造成產量不同；該公司主要生產針織牛仔面料，所用原料為棉，表中數據還顯示，每班的停車次數平均在35次左右，說明在生產過程中易斷紗。

通過驗證得知，該系統采集到的機器速度和工控機上的一致。現將該系統采集到的每匹布的圈數和工控機上記錄的圈數進行對比，結果如表3所示。由表可知，本系統采集到的圈數與工控機上的圈數存在一些誤差，但誤差范圍較小，不超過1%。由此可知，該系統采集到的數據準確性較高，且在這段時間的使用過程中，系統運行穩定可靠。

表3 產量對比Tab.3 Comparison of production

5 結 語

在了解緯編企業生產管理現狀的基礎上，本文研究了基于ZigBee技術的緯編生產數據實時采集系統，得到如下結論。

1)本系統數據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，源碼公開，便于維護。

2)系統采用ZigBee技術進行無線傳輸數據，簡化了有線網絡布線規劃、線路檢查等繁瑣工作，且靈活性強，可擴展性好，成本低。

3)經驗證，本文系統運行穩定可靠，采集的數據準確性較高。

FZXB

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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

國家自然科學基金項目(61602212)；江蘇省產學研聯合創新資金-前瞻性聯合研究項目(BY2016022-35)

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

TS 101.9

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