離散型生產車間數據采集與監控系統

卿建華，陳元斌，鮑 敏，章近達

（1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，杭州 310018；2.杭州名北拓科技有限公司，杭州 310000）

0 引言

我國最早是中國科學院1999年的傳感網項目，正式開始了對物聯網的研究。從廣義上講，物聯網就是一個M2M系統，分別代表機器之間（Machine to Machine）、人機交互（Man to Machine，Machine to Man）和人與人之間（Man to Man）的通信[1]。在生產制造各環節實現遠程可視化檢測與技術支持，應用物聯網技術為企業提供及時準確的數據，無疑對降低成本、提高生產效率和產品質量發揮重要作用。

數據采集與監控系統為企業ERP、EMS、CRM等信息化系統提供及時準確的數據，相關技術因此得到了廣泛的研究。無線傳輸方案中Wi-Fi、NB-IoT、LoRa、ZigBee以及Sub-GHz都是候選技術。吳海龍，鮑敏[2]等針對生產車間中數據采集問題，提出了一種基于ZigBee的生產車間數據采集系統，并開發了原型系統；莫哲萌，鮑敏等[3]針對離散制造車間的特點，在原型系統的基礎上，提出一種基于Sub-GHz無線通信技術的車間數據采集系統。

本文目標企業車間生產線分布呈現整體分散局部集中格局，生產數據由人工統計及匯報，投入成本高，實時性差，管理層和決策層難以實時掌握生產一線狀況。企業希望改善現狀，要求能實時自動統計、匯總、存儲和處理生產數據，監測設備是否異常，以可視化監控的形式供決策者隨時隨地監控生產實際情況，做出生產調度，督促員工積極參與生產，避免地理、時間等因素的影響。

在大量研究和實踐的基礎上，對原型系統做了多方面優化和補充（比如，用穩定性相差不大可編程模塊代替了原有的固定系統），結合企業實際要求，設計了離散型生產車間數據采集與監控系統的總體架構。該系統具有結構簡單、組網容易、高靈敏度、遠程指令下達、跨平臺使用、用戶操作方便、可二次開發的特點。

1 系統架構

本文目標是設計一種可視化遠程監控系統，需要對傳感器節點、無線模塊、組網方案、數據流、云服務器、業務定制應用等方面做適用性和可靠性研究。

傳感器節點是遠程監控系統的最小單元，由傳感器和控制器組成，起著感知世界、采集信息、接入傳感網的功能。該系統選用模擬量傳感器，由ADC電路采樣，經過濾波等環節處理后得到需要的數字信號。本文的遠程控制系統中，傳感器主要是連接在控制器上，控制器可以控制傳感器的工作狀態，控制器可以將采集數據進行轉化并發送出去。

目標企業生產現場采集點分布整體分散局部集中，生產空間無障礙物的影響與繞射損耗，單條上傳數據小，因此傳輸終端采用ZigBee模式。ZigBee網絡容量大，單個網絡最多可支持65535個設備，每臺設備可以和另外254臺設備相互連接[4]，如圖1所示。經過分析和實驗，設計了基于RS485和Modbus協議的傳感器節點查詢、寫入和應答操作，RS485可連接多個設備，形成總線形式。

網關基于以下部件的封裝：Digi XBee? ZigBee模塊、Pyboard開發板、QUECTEL-EC20模塊，Pyboard嵌入式開發板基于STM32F405RG微控制器，成功移植了MicroPython，是連接各個終端的匯集點，采用3G/4G網絡進行與服務器的遠程通信。采用一個云數據中心和物聯網常見的三層結構組網方案，設備云平臺架設在阿里云，也可以架設私有云。應用業務層采用現場監控看板、WEB站點、APP三種方式。

圖1 監控系統拓撲圖

2 網絡接入實現

2.1 控制器和接口庫開發

控制器基于XBEE模塊和Pyboard開發板封裝，支持RS485轉虛擬USB和虛擬串口連接PC，實現存儲內容可視，虛擬串口模式方便用戶調試。基與MicroPython語言開發了可復用的消息接發異步庫、RS485庫、ZigBee庫、StateMachine庫，極大的縮短了產品開發周期，二次開發只需專注于功能實現。

圖2 封裝后的網關實物照

控制器初始化，通過XBEE模塊接入ZigBee網絡，發送握手信息連接網關，ZigBee協調器（Coordinator）增加了多控制器和網關條件下的物理隔離。傳感網發送Modbus請求，對返回碼進行CRC校驗。檢測網關是否連接，把數據解析的結果發送給網關。

2.2 網關在監控系統中的功能

網關具備的功能有：網絡創建、傳感器節點終端互連、網絡搜索、搜索網關創建的局域網中包含的設備、為方便識別和通信給局域網設備分配短地址、接收數據、云服務器用戶下達的指令反饋、數據封裝上傳。

2.3 網關的選型

傳感器節點控制器采用XBEE模塊，該模塊支持ZigBee通信協議。根據ZigBee協議，基于Digi XBee? ZigBee模塊、QUECTEL-EC20模塊和Pyboard開發板結合封裝了ZigBee/3G可編程網關充當網絡接入設備，實現了向下與傳感器節點通訊向上與云服務器通訊。網關支持多種接口的互發。既可以做為網關，也可以作為接入模塊使用。網關的開發工具是MicroPython，基于Python3語法重構而成，具有很好的二次開發性能，能添加各種MicroPython-lib庫[5]，如圖2所示。

圖3 控制器程序流程圖

2.4 UART連接

控制器與傳感器通過UART連接，該系統采用RS485標準規范。

現場總線在自動化領域，相當于計算機局域網。在總線種類多樣化的今天, Modbus技術以其先進性、開放性、成熟性使得基于Modbus串行鏈路通信的設備得到了廣泛的使用，Modbus是運行在RS485總線上的軟件層協議。有標準MODBUS-RTU（S）、非標準MODBUSRTU（NS）和ASC（ASCⅡ碼）三種模式。Modbus-RTU（16進制）查詢與應答均采用8數據位、1停止位、奇偶校驗位、CRC校驗位。交互過程中關鍵是CRC-16（16位循環冗余校驗碼）校驗方法，如圖4所示。包含16位二進制。CRC校驗碼由發送端計算, 放置于發送信息的尾部（2Bytes）。接收端重新計算接收到的信息的校驗碼，并與接收到的CRC校驗碼核對，如圖4所示。

圖4 MODBUS-RTU（NS）冗余循環碼計算

2.5 MQTT消息流格式優化性設計

MQTT（Message Queuing Telemetry-Transpo-rt，消息隊列遙測傳輸）是IBM開發的一個即時通訊協議。MQTT消息體分為三個部分：固定頭、可變頭和有效載荷。固定頭是所有消息必須包含的部分[6]，如圖5所示。

當系統正常運行時，使用消息隊列可以跟蹤記錄系統的消息流狀態，方便使用者精確查詢到某時間段內的操作行為。

圖5 MQTT固定消息頭

圖6 對有效載荷流格式的設計

有效載荷部分（消息體），把數據按自定義的主題推送給云服務器，支持分層dev/a/b/c（最深支持8層），支持通配符+和#操作[7]，如圖6所示。

ZigBee協議下有效載荷應控制在71字節左右。模塊單次發送最大數據量127個字節， 超過最大長度，ZigBee協議棧會做分包處理。

3 消息接發服務設計與實現

3.1 云服務器與MQTT服務端（Broker）

MQTT服務是建立在WEB服務器（該系統服務器架設于阿里云ESC）上層的消息接收發送類服務程序，如圖7所示。

圖7 MQTT服務在云平臺中的功能

消息接發服務負責把數據推送給該主題的所有訂閱者，節點可以自由按需要發布、訂閱或取消訂閱。

3.2 基于Python的MQTT異步接口庫設計

異步接口庫是消息推送客戶端實現關鍵的步驟之一。MQTT客戶端的功能：連接服務端、訂閱服務、訂閱主題、發布服務、發布主題。異步接口庫工作流程，如圖8所示。

圖8 異步接口庫程序流程圖

異步接口庫的回調函數支持MQTT的14種消息類型（連接類、發布類、訂閱類、?；铑悾?，包含主要的幾個回調函（連接成功回調函數、斷開連接回調函數、訂閱回調函數、取消訂閱回調函數、發布回調函數、接收消息回調函數）。

4 上層實現與應用實例

4.1 上層實現

系統數據處理工作大部分完成于云服務器，減輕了數據上行和下行負荷。

Web站點：采用B/S軟件結構開發Web站點。基于典型的MVC架構Django和Web Service作為云后臺數據交互服務[8]。

業務看板：基于Python的異步接口庫和Microsoft SQL Server接發并保存歷史數據。使用Python Kivy開發業務看板界面，客戶端基于PYMSSQL和數據庫進行數據交互。

4.2 系統應用實例

Web站點包括：實時數據監控模塊、歷史數據統計模塊和指令下達模塊。實時數據監控模塊效果，如圖9，界面包括網關MAC號，傳感器節點控制器ID號，ZigBee信號強度值，傳感網狀態。JavaScript實現數據實時刷新，刷新周期為2秒。為減少系統時延，數據刷新時間應小于網關數據上傳周期。

圖9 實時數據Web界面

圖10 實時數據與設備狀態看板

生產線看板界面基于Python Kivy開發，包括實時數據與設備狀態看板、歷史數據統計看板等多塊看板，看板掛置在每條生產線頭部。實時數據與設備狀態看板，如圖10所示。

5 結束語

本文根據某大型鞋服針織品制造企業要求，結合該企業生產車間現場環境情況，借鑒原型系統開發經驗，基于大量研究和實踐，設計了一種離散型生產車間數據采集與監控系統。

目前，系統已在目標企業小規模上線。后續考慮對傳感網數據基于樸素貝葉斯算法分類并實現業務層模塊化。