智能工廠數(shù)據(jù)解析服務(wù)器終端的研制

尤祉棋，沈旭東

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314000）

0 概述

國(guó)內(nèi)LTCC技術(shù)在開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面比發(fā)達(dá)國(guó)家晚，LTCC生產(chǎn)水平仍處于手工、半自動(dòng)的階段，因此產(chǎn)品質(zhì)量、批量化生產(chǎn)的一致性與國(guó)外水平仍有一定差距[1]。LTCC智能生產(chǎn)線的出現(xiàn)能夠緩解這一局面。本文結(jié)合LTTC智能產(chǎn)線的改造，對(duì)LTCC智能工廠數(shù)據(jù)解析服務(wù)器終端進(jìn)行研究，其作為物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用，采用通信技術(shù)將LTCC生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)信息匯集到數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，從而做出最佳的生產(chǎn)安排決策。

LTCC智慧化工廠整個(gè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、數(shù)據(jù)解析處理器、數(shù)據(jù)組網(wǎng)傳輸、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)分析服務(wù)器和MES服務(wù)五大部分組成[2]，如圖1所示。本文研究的LTCC智能工廠數(shù)據(jù)解析服務(wù)器終端是LTCC智慧化工廠實(shí)現(xiàn)的中間環(huán)節(jié)，用于采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行信息、工藝數(shù)據(jù)及控制信號(hào)等數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)組網(wǎng)傳輸技術(shù)發(fā)送到數(shù)據(jù)融合服務(wù)器并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析的過程。

圖1 LTCC智慧化工廠整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■1.1 總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)解析服務(wù)器終端系統(tǒng)以STM32F103ZET6為核心控制器[3]，本地配置電源模塊和LCD液晶屏控制模塊，系統(tǒng)通過RS485總線采集LTCC智能產(chǎn)線工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)[4]，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過AIR724UG CAT1模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程人工智能服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘處理[5-6]，同時(shí)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制服務(wù)器平臺(tái)對(duì)本地工作設(shè)備進(jìn)行控制，以達(dá)到最優(yōu)化的控制效果。

■1.2 電源模塊

根據(jù)控制電路要求，整個(gè)系統(tǒng)采用24V直流電為系統(tǒng)電源，為滿足整個(gè)系統(tǒng)的控制要求，需要將24V電源轉(zhuǎn)換為5V、4V、3.3V三種電源，其中5V電源給外部傳感器供電，4V電源給CAT1模塊供電，3.3V為整個(gè)系統(tǒng)控制電源，負(fù)責(zé)單片機(jī)系統(tǒng)和其他控制電路的供電。5V電源系統(tǒng)采用MP1584芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電路圖如圖3所示，可以通過調(diào)節(jié)R60的電阻值來調(diào)節(jié)輸出電壓，Vout=0.8V＊（210k+40.2k）/40.2k=4.979V，D15在電路中起到防止電源正負(fù)反接導(dǎo)致電路損壞，D16防止電源輸入浪涌沖擊，MP1584封裝有8引腳SMD，工作電壓為4.5～28V，工作頻率為1.5MHz，輸出電流為3A。

圖3 5V供電系統(tǒng)電路

4V電源系統(tǒng)采用JW5027進(jìn)行輸出，輸入范圍為3.8V～24V，可提供2A的連續(xù)輸出電流和兩個(gè)集成的N溝道MOSFET。在輕負(fù)載時(shí)，穩(wěn)壓器以低頻工作，以保持和低輸出紋波。電路如圖4所示。

圖4 4V供電系統(tǒng)電路

3.3V供電系統(tǒng)采用RS1117 LDO芯片進(jìn)行供電，RS1117是一款常用的低壓差穩(wěn)壓器件，其工作壓差典型值為0.7V，最大輸出電流為0.8A，電路如圖5所示。

圖5 3.3V供電系統(tǒng)電路

圖6 RS485通信電路

■1.3 RS485總線控制電路

RS-485采用平衡式發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信，由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分輸入，所以有極強(qiáng)的抗共模干擾能力，RS485采用半雙工工作方式，支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，即一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)，如果需要使用星型結(jié)構(gòu)就必須適用485中繼器或485集線器。RS-485總線一般支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果特質(zhì)的485芯片可以達(dá)到128或256個(gè)節(jié)點(diǎn)最大支持400個(gè)節(jié)點(diǎn)。利用RS 485總線進(jìn)行組網(wǎng)，各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)不同采集終端后通過ModBus RTU通信協(xié)議封裝流入總線，最后傳輸至監(jiān)測(cè)主機(jī)。本設(shè)計(jì)采用SP3485進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足RS-485標(biāo)準(zhǔn)?？蛰d時(shí)輸出電壓的大小為0V～+3.3V。即使在差分輸出連接了負(fù)載的條件下，驅(qū)動(dòng)器仍可保證輸出電壓大于1.5V。SP3485有一根使能控制線（高電平有效）。DE上的邏輯高電平將使能驅(qū)動(dòng)器的差分輸出。如果DE為低，則驅(qū)動(dòng)器輸出呈現(xiàn)三態(tài)。

■1.4 LCD液晶屏電路

LCD液晶屏采用串口屏進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用陶晶馳X5系列屏幕，串口屏設(shè)備封裝好了底層功能以后，通過串口與用戶MCU進(jìn)行交互。MCU可以隨時(shí)通過USART發(fā)指令通知設(shè)備，切換某個(gè)頁面或者改變某個(gè)組件的屬性。設(shè)備也可以隨時(shí)通過USART通知用戶MCU操作者，目前觸摸了頁面上的某個(gè)組件或者設(shè)備當(dāng)前進(jìn)入了某個(gè)頁面，電路圖如圖7所示。

圖7 串口屏接口電路

■1.5 CAT1數(shù)據(jù)傳輸控制電路

4G輸出傳輸采用合宙AIR740UG模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，該模塊是一款基于UIS8910DM芯片組的物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊。模塊通訊性能優(yōu)越，符合Cat1通訊標(biāo)準(zhǔn)。具有全功能音頻輸入輸出接口，LCD接口，Camera接口，內(nèi)存卡接口，矩陣鍵盤接口，ADC接口，外設(shè)齊全。該設(shè)計(jì)中采用模組的AT指令模式，與STM32F103ZET6通過串口進(jìn)行AT指令交互，完成數(shù)據(jù)傳輸，電路圖如圖8所示。

圖8 4G模塊控制電路

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能工廠數(shù)據(jù)解析服務(wù)器終端需要通過軟件程序進(jìn)行控制，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Keil軟件進(jìn)行編寫，獨(dú)立設(shè)計(jì)每一個(gè)功能模塊的程序，對(duì)每一部分的程序一一進(jìn)行測(cè)試，最后再將所有子程序聯(lián)調(diào)，完成最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，程序總體設(shè)計(jì)功如圖9所示。

圖9 智能工廠數(shù)據(jù)解析服務(wù)器終端軟件結(jié)構(gòu)框圖

■2.1 串口通信

為降低開發(fā)難度，本項(xiàng)目采用串口與不同的硬件模塊進(jìn)行通信，串口配置一般步驟如下：

（1）使能時(shí)鐘；（2）自動(dòng)復(fù)用的引腳；（3）配置引腳的初始化狀態(tài)方式；（4）配置串口的通信屬性；（5）使能串口；（6）初始化嵌套向量中斷控制器中的相關(guān)中斷參數(shù)，為接收做準(zhǔn)備。

整個(gè)系統(tǒng)控制使用串口1和SP3485通信，串口2和CAT1模塊通信，串口3和串口屏進(jìn)行通信。

■2.2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊程序

AIR724UG是控制器和遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的模組。其支持HTTP、MQTT等網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，同時(shí)模塊也支持串口AT指令直接進(jìn)行調(diào)試，大大降低了程序編寫和調(diào)試的難度，使用非常方便。由于HTTP協(xié)議適用于性能較好的設(shè)備終端，不適合物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，本設(shè)計(jì)項(xiàng)目采用MQTT即時(shí)通訊協(xié)議，用于網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定性較差的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集設(shè)備和控制設(shè)備。因此本設(shè)計(jì)采用的LTE CAT1模組采用MATT協(xié)議。MQTT協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議之上，發(fā)布訂閱模式如圖10所示?？蛻舳酥恍枰嗛嗊@個(gè)主題，當(dāng)有其他客戶端向這個(gè)服務(wù)端發(fā)布消息時(shí)，這個(gè)客戶端就可以收到這個(gè)消息[7-8]。網(wǎng)絡(luò)通信模塊程序流程圖如圖10所示。

圖10 網(wǎng)絡(luò)通信模塊程序流程圖

■2.3 傳感器數(shù)據(jù)采集程序

傳感器的數(shù)據(jù)采集主要有三種方式，AD信號(hào)采集、數(shù)字量信號(hào)采集和RS485 MOBUS-RTU信號(hào)數(shù)據(jù)采集，這里詳細(xì)介紹MOBUS-RTU信號(hào)數(shù)據(jù)采集的程序設(shè)計(jì)，Modbus是一種串行通信協(xié)議，采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)的方式。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括從機(jī)地址、功能碼、數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位，通信流程圖如圖11所示。

圖11 MOBUS—RTU程序流程圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

通過調(diào)試，本智能工廠數(shù)據(jù)解析服務(wù)器終端可以正常工作。系統(tǒng)控制電路板如圖12所示，智能工廠的數(shù)據(jù)服務(wù)器解析終端系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)LTCC產(chǎn)線的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，管理人員可以隨時(shí)隨地通過電腦、平板、手機(jī)等終端查看相關(guān)數(shù)據(jù)，為優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃安排和提升系統(tǒng)效率提供數(shù)據(jù)支持，提高了產(chǎn)線的運(yùn)行效率。

圖12 數(shù)據(jù)解析服務(wù)器終端系統(tǒng)