基于云平臺的PCB 產線能耗監測系統設計

虞曉瓊 蔣 鍵 劉序平 陳睿杰

（1.東莞職業技術學院，東莞 523808；2.廣東合通建業科技股份有限公司，東莞 523808）

我國的印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）生產企業有49.5%集中在珠三角，數量約為1 173 家。這些企業在生產過程中會消耗大量電能。以東莞一家中小型PCB 生產企業為例，該企業擁有各工序設備23 臺，年耗電數百萬千瓦時，年度電費達到300 多萬元。在用電高峰季，多地還會采取限電措施，對企業生產影響顯著。因此，對PCB 生產流程中各個環節的用電量及產量進行分項統計，為制定合理的生產計劃提供數據支持成為急需解決的問題。當機器設備不使用時，停機停水可以顯著減少能耗費用[1]。采集車間的溫濕度數據，可為評估空調系統的效果和優化系統提供數據基礎。源于以上需求，本文設計了一套基于云平臺的PCB 產線能耗監測系統，可實時監測設備的能耗和產量，采集車間溫濕度信息，從而及時發現設備空轉、故障等情況，同時量化空調系統效果，以便于管理者及時調整生產來降低企業的電費開支，提高產線的運行效率。

1 系統總體設計

本系統采用無線傳感器網絡連接，由多個數據采集終端、數據網關和云平臺構成，如圖1 所示。數據采集終端安裝在PCB 生產設備上，實時采集能耗、產量、溫濕度環境信息，并按照指定的格式，經ZigBee 無線網絡將數據定向傳輸給數據網關。數據網關處理接收的數據，通過WiFi 連接到互聯網并上傳到云平臺。云平臺將各項數據進行可視化處理后，用戶可以通過手機、電腦等終端隨時查看生產設備和車間環境的信息[2]。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集終端

數據采集終端安裝在生產設備上，負責采集PCB生產設備的能耗和產量，并采集其感知半徑內的環境信息。數據采集終端數量可根據工廠規模調整。終端可以安裝電流互感器、光電傳感器以及溫濕度傳感器等，還可以根據用戶需求添加其他傳感器。根據用戶需求，每個終端可以配置一個傳感器或同時配置多個傳感器。

2.1.1 主處理器CC2530

CC2530 是TI 德州儀器用于ZigBee 通信的系統芯片。它集成了卓越性能的射頻收發器與增強8051MCU，可編程閃存，且有許多其他功能。CC2530提供了ZigBee 協議棧（Z-Stack ?），使得開發者可以快速進行應用系統開發。CC2530 有CC2530F32、CC2530F64、CC2530F128、CC2530F256 共4 種不同的型號Flash 版本，分別具有32 kB、64 kB、128 kB、256 kB 的Flash 內存[3]。本系統選用CC2530F256，配備256 kB 的Flash 閃存。

2.1.2 電流互感器

系統采用電流互感器（Current Transformer，CT）采集U、V、W 三相的電流信號，如圖2 所示。因為主處理器不能直接處理電流信號，所以系統采用信號調理電路將電流互感器輸出信號轉換為0 ～3.3 V 的電壓信號。信號調理電路包括電流轉換電路、濾波電路和電壓轉換電路。電流轉換電路通過電阻、電容等外圍分立器件，將電流信號轉化為電壓信號。濾波電路通過阻容電路和集成運放實現電信號的低通濾波。電壓轉換電路通過模擬器件LTC1966 將交流信號轉換為與其有效值成正比的直流電壓信號，并對輸出的電壓信號進行0 ～3.3 V 的限幅。工業電壓的值是確定的，將電流值與電壓值相乘即可得到能耗的參考值。

2.1.3 光電傳感器

光電傳感器集成了一對紅外發射和接收管。發射管發出紅外線，紅外線遇到障礙物（反射面）時被反射回來，接收管接收到紅外線后，OUT 引腳輸出的信號發生變化。它經常被用來確定前方是否有障礙[4]。障礙物距離的閾值可以用電位器調節。將光電傳感器安裝在設備傳送滾筒上方，發射管對準滾筒之間的空隙。當滾筒上沒有PCB 板時，發射管發出的紅外線無法反射回來，接收管無信號。當PCB 板通過傳送滾筒時，光電傳感器OUT 引腳的輸出電平由低電平轉變為高電平。

2.1.4 溫濕度傳感器

系統采用DHT11 進行溫濕度采集，配有專用的NTC 來測量溫度和集成的8 位微控制器，從而將溫度和濕度值數據串行輸出給主處理器。

2.2 數據網關

數據網關安裝在WiFi 信號良好并便于人員觀察的位置。終端將采集的數據通過ZigBee 無線網絡發送到網關，待網關進行數據處理后傳輸到云平臺。網關不僅負責接收和處理傳感節點發送的傳感數據，還負責接收來自監控中心的指令。若數據有異常，網關進行聲光報警并將信息發送到云平臺。

2.2.1 顯示和聲光報警

數據網關的主處理器是CC2530，接入液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）、蜂鳴器和發光二極管（Light-Emitting Diode，LED）等，進行數據顯示和聲光報警。

2.2.2 WiFi 模塊

如圖3 所示，系統使用的WiFi 模塊是ESP8266，具有封裝尺寸小、功耗超低的特點，可通過UART 接口連接到主處理器CC2530。ESP8266 專注于移動終端和物聯網應用，可將用戶的物理設備便捷地連接到WiFi 網絡，實現互聯網或局域網的通信。

3 系統軟件設計

PCB 產線能耗監測系統可分為數據采集終端、數據網關和OneNET 云服務器3 大部分[5]。數據采集終端節點負責接收傳感器數據并發送給網關。網關將多個終端節點采集的PCB 產線數據和環境數據進行匯總和處理，并上傳到OneNET 服務器，以供用戶遠程查看。此外，當PCB 產線或環境出現異常時，網關的LCD 屏上會顯示數據異常的報警信息。OneNET云服務器負責接收數據網關上傳的數據，并進行統計和保存，然后以人性化圖形進行顯示，以便于管理人員觀察和管理。

3.1 軟件總體設計

數據采集終端和數據網關的主處理器都是CC2530，軟件總體架構類似。系統上電后，先進行軟件系統初始化和資源初始化。軟件系統初始化是初始化一些變量，包括操作系統抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL）任務表、任務結構體和序列號。資源初始化主要對內存大小、中斷系統、NV 等各種設備模塊資源進行分配，然后OSAL 通過osal_add_task 將傳感器信號讀取、數據打包、數據發送等任務添加到任務表中形成鏈表，并按優先級進行先后排序。優先級高的先運行，優先級低的后運行，任務之間通過消息隊列的方式進行通信，最后以一個無限循環的形式運行系統。軟件流程圖如圖4 所示。

3.2 云平臺接入

OneNET 云平臺是中國移動面向物聯網的平臺即服務（Platform-as-a-Service，PaaS）的開放平臺，具有開發成本低、穩定性高及開發周期短等優點。平臺可以實現設備離線、修改、認證、激活及創建等整個生命周期的管理，并提供了豐富的開發工具和多種應用程序接口（Application Program Interface，API），還能將終端數據準確、詳盡地存檔。該平臺支持Modbus、消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）等訪問協議。

4 系統測試

通過調試，本PCB 產線能耗監測系統可以正常工作。用戶通過電腦直接訪問OneNET 網址或者使用手機App 點擊PCB 產線能耗監測系統，可進入平臺設備管理界面。測試階段，兩臺設備被接入監測系統，管理系統界面如圖5 所示。管理系統界面包括兩部分，左側是設備能耗和產量信息，右側是環境信息。此外，左側上方兩個折線圖分別代表設備1 和設備2 的能耗數據，左側下方兩個折線圖標識兩臺設備的產量數據，而右側的環境監控界面分別顯示了一樓車間和二樓車間的溫度數據和濕度數據。

5 結語

基于云平臺的PCB 產線能耗監測系統可實時監測PCB 生產設備的能耗、產量和車間溫濕度信息。管理人員可以隨時隨地通過電腦、平板、手機等終端查看相關數據，為優化生產計劃安排和提升空調系統效率提供數據支持，降低了企業的電費開支，提高了產線的運行效率。