成缆设备速度信息无线采集系统的设计

许 鹏，苏 涛，陈 培，杨永杰

（南通大学电子信息学院，江苏南通,226019）

0 引言

目前，随着国际国内产业竞争压力的增大，中国许多工业企业迫切需要及时获取生产一线数据信息，提高企业管理控制水平。然而由于国内企业的设备往往是分批购进，其设备工业数据接口不统一，导致直接从设备配套的控制系统中获取数据十分困难。此外在生产车间中进行二次铺设采集数据的线缆，也有一定的困难。本论文根据某线缆企业的实际需求，同时考虑到车间已被WIFI网络覆盖的情况，设计了一种针对成缆设备速度信息的无线采集系统，实时采集各车间成缆设备的转速信息，通过WIFI网络传送数据，最终在服务器端自动生成设备线速度波动曲线图。该系统的实施可以使企业管理者直观的了解线缆生产情况，及时发现生产问题，也为工人工作考核提供了十分准确的依据。

1 系统的整体设计方案

对于线缆企业而言，设备制成缆绳的线速度是衡量生产工作情况的一个重要指标。通常线速度应该稳定在某个范围内，线速度过慢说明工人的工作熟练程度不高或者有消极怠工的情况，而线速度过快又会对设备造成一定的机械损伤。系统的终端采集模块以嵌入式系统作为核心，使用转速传感器获取设备关键部件的实时转速，使用系统时钟芯片获取采集时间，借助WIFI网络发送至服务器。系统的数据收发软件运行在服务器上，实现将网络接收的转速信息存入数据库的功能。此外服务器还运行有设备速度显示软件，负责从数据库提取转速信息，根据不同设备换算系数折算出对应的线速度，生成曲线图，并具有异常告警信息的功能。

2 终端采集模块的设计与选型

图1 系统终端采集模块的硬件组成结构图

系统终端采集模块主要用于采集设备转速，其微处理器选用了ARM Cortex-M4型微控制器，转速传感器选用了LJ12A3型接近开关，而采集时间通过SD2405芯片来获取。模块最终将采集时间和转速信息组成的数据帧以串行方式通过USRWIFI232-X模块从WIFI网络传送至服务器。其硬件组成结构图如图1所示。

2.1 微处理器核心的选型

微处理器核心选用的Cortex-M4型Stellaris® LM4F系列微控制器，是目前嵌入式系统中最前沿的一种系统架构，是TI公司最新推出了一款ARM MCU芯片。该微控制器结合了最新的ARM Cortex -M4F内核和德州仪器公司完美的设计及工艺技术，其具备了更高的处理性能、能更有效地使用每个时钟周期；内部集成的混合信号电路可以与传统独立组件电路相媲美；具有低功耗、低成本和易于使用的优势。

本模块使用的微处理器具体型号为LM4F120H5QR，其通用I/O接口功能设计如下：转速传感器接PF0，系统时钟芯片接PB2（SCL）和PB3（SDA），LCD屏的数据口接在PD0～PD7，LCD屏的控制口接在PE0～PE2，WIFI模块接PA0（RXD）和PA1（TXD），两个按键接PF1和PF2，两个指示灯接PF3和PF4。

2.2 系统时钟芯片的选型

系统时钟芯片SD2405是一种内置晶振、充电电池、具有标准IIC接口的实时时钟芯片，可通过5位地址寻址来读写片内32字节寄存器的数据。该芯片可保证时钟精度为±5ppm（在25℃±1℃下），即年误差小于2.5分钟；内置充电电池及充电电路，在电池满充的情况下可保证内部时钟走时超过半年时间，累计电池电量超过550mAH；电池使用寿命为5至8年时间；内部具备电源切换电路，当芯片检测到主电源VDD掉到充电电池电压以下，芯片会自动转为由充电电池供电。系统通过该芯片获取采集转速的时间，并显示在LCD屏上，同时作为采集数据的一部分由WIFI网络传输给服务器。

2.3 其他主要部件的选型

在生产线上，设备的线速度通常由带接近开关的电子计米器来记录的。接近开关又称为无触点行程开关，它除了可以完成行程控制和限位保护以外，还是非接触型检测装置，可以用作检测零件尺寸和测速等，在航天、航空领域以及工业生产中都有着广泛的应用。本系统则以常用计米器中的LJ12A3型接近开关作为转速传感器，获取相应的转速，并由换算系数折算出实际的线速度。该型号的接近开关供电电压为24V。

WIFI模块采用第三方提供的串口与WIFI数据包的双向透明转发模块，型号为USR-WIFI232-X，终端采集模块将数据组帧以串行方式送至WIFI模块，WIFI模块则以网络终端形式再将数据转送至服务器。为保证数据的准确性，WIFI模块与服务器采用TCP方式建立连接以传输数据。

由于模块只需显示系统时钟和相应的转速信息，且不需显示中文字符，因此选用了1602A型LCD屏。该屏可以显示16×2个英文字符，具有工作稳定、价格低廉的特点。

3 终端采集模块的软件设计

终端采集模块的软件功能为采集成缆设备实时转速信息，同时获取系统时间，并将转速与时间组帧经WIFI模块传送至服务器端，并检测回送信息以判断是否正常接收数据。当检测到异常状况则实时告警。另外模块中还增加了实时报修功能。其软件主要设计流程如图2所示。

在主程序流程中，系统上电自动复位后先完成系统初始化，包括数据初始化、定时器初始化及串行通信的初始化；接着检测按键，当按下“手动传送”按键时，将发送暂存区的转速信息，该功能用于手动发送前期未能成功发送而存储于暂存区的转速信息；当按下“报修申请”按键时，发送设备报修状态，便于车间机修工人能够及时收到信息并前往维修；指示灯用于异常告警和报修状态的提示。

在定时中断服务子程序流程中，每当时间累计到一分钟时，先获取当前时间，再进行转速的采集，即统计接近开关的开关累积次数，计算出每分钟的旋转圈数，并将转速和时间显示在LCD屏上。在转速发送过程中，先将当前转速信息与前一分钟的转速比较，其差值须超过设定的偏差阈值才组帧发送。这样可以在采集精度允许的情况下尽可能避免冗余数据的发送，从而减轻了网络传输数据的压力。转速验证过程用于检测是否有正常回送信息，有则认为已正常接收，若未收到则延时一段时间后，进行二次发送和二次验证，若仍未收到回送信息，则将本次采集转速和采集时间存入暂存区，并以指示灯告警。

图2 系统终端采集模块软件设计流程图

4 服务器相关软件的设计

4.1 数据收发软件设计

服务器数据收发软件的功能主要是监听TCP端口是否有终端采集模块送来的数据，并对数据进行分析，无误后存入数据库相应的数据表中，并回送相应信息给发送方。软件使用Visual Basic设计完成，为了能够监控多路的数据，在界面设计中建立了Winsock控件数组以便于根据网络连接端口的变动而灵活调整；还添加了ADO组件以便于高效地访问SQL数据库。该软件运行时，先输入数据库登录的用户名、密码以及访问的数据库名，点击“正在监听”按钮后，连接数据库，并将有连接的网络终端信息显示在“客户端列表”中，接收到的数据在存入数据库的同时，显示在“消息显示区”中，相关端口的操作信息则显示在“日志纪录区”中，操作界面如图3所示。

该软件的主要设计流程如图4所示：首先通过ADO组件与SQL Server数据库建立连接，然后监听网络端口。当有新的连接请求时，则以控件数组形式自动新增Winsock控件，完成TCP方式的连接。网络连接完成后，当有数据到来时，将触发Sock_ DataArrival事件。在该事件过程中，将接收到的数据进行验证和分类，判断其是转速信息、报修信息还是其它信息；再根据不同类型数据分别存入对应的数据表中，将验证信息通过该网络端口回送；最后将接收和发送信息都存入日志文件中，以记录系统运行的详细情况。另外为了节约网络端口资源，当某个网络连接长时间无数据传送时，则认为其为无效连接，程序将自动断开该连接，空出对应的网络接口。

图3 系统数据收发软件运行界面

图4 系统数据收发软件设计流程图

4.2 设备速度显示软件设计

服务器设备速度显示软件是以C/S方式设计开发的，并已嵌入企业信息化管理平台中。该软件的服务器端部分主要完成对SQL Server数据库的操作以及转速与线速度换算的功能，而用户则通过软件的客户端部分来查询历史数据或实时数据，并显示曲线图。其中日设备速度波动曲线图如图5所示，某设备的正常线速度为14～16米/分钟，可以从图中看出在一天中共停机6次，超上限速度1次，低下限速度1次。由于停机原因只有设备故障或材料更换两种，因此可通过参照系统报修记录，直接判断各次停机原因。这些数据既可以很直观的了解设备运行情况，也为工人生产工作考核提供了重要的事实依据。

图5 系统日线速度波动曲线图

5 系统的测试与运行

该系统于2013年6月在某线缆企业开始测试与运行，为其厂区17条生产线共安装了22个终端采集模块，每天发送近万条数据至服务器。经过多次调整和完善后，目前各采集终端及服务器端软件都已经正常工作。从系统运行情况来看，企业生产部门和管理部门能够及时地掌握各生产线的生产运行情况，也为工人工作考核提供了重要参考，达到了预期的效果。系统充分利用了厂区覆盖的WIFI网络传送数据，具有布点灵活、节省成本的特点；数据传输时采用超偏差阈值才发送的方式减轻了网络数据传输压力，采用数据回送验证和发送失败数据暂存的方式避免了因异常导致数据漏传的情况；终端采集的大量生产数据也将为企业智能化管理和进一步深入分析提供给了丰富的数据资料，系统实施后改变了企业管理滞后的现状，有效的提高了企业综合管理能力，在线缆生产的信息化方面都具有较普遍的推广意义。

[1] http://www.ti.com/lsds/ti/microcontroller/overview. page

[2] 深圳市兴威帆电子技术有限公司.IIC串行接口的实时时钟-SD2405ALPI设计开发手册，2011

[3] 刘波峰.传感器原理与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2013

[4] 济南有人物联网技术有限公司.USR-WIFI232-X型嵌入式模组使用说明，2012

[5] 明日科技.Visual Basic从入门到精通（第3版）[M].北京：清华大学出版社，2012