光缆生产设备信息采集系统的设计与实现

苏 涛，杨永杰，祁 楠

（南通大学 电子信息学院，南通 226019）

我国线缆企业经多年的技术改造和设备引进，生产自动化水平基本达到国际水平。在生产管理方面，已初步建立了以企业资源计划系统ERP（enterprise resource planning）为核心的管理信息系统[1]。但由于我国多数光缆生产设备信息采集采用人工方式，效率低下[2]；部分生产厂家虽采用智能数据采集方法，但往往采集的数据种类单一，不能形成一套完整的数据采集系统；且由于车间设备多，需传输的信息量较大，导致数据传输不稳定。

本文提出了光缆生产设备信息采集系统的设计方案。其创新点在于基于Cortex-M3微处理器，借助WiFi技术、RFID技术和RS-485通信，将采集终端、客户端和服务器由WiFi网络共建于一体，组成一个功能完善的系统，实现对工人上下班信息和生产车间设备使用运行情况的自动采集、存储与展示。同时软件设计对传输的数据采用相关算法处理，有效避免了数据传输不稳定和易受干扰问题。由于数据采集终端与接收端以无线通信形式互联，因此具有节省线路成本和终端布置灵活的特点。

1 系统框架结构的设计

该系统结构分为3层，如图1所示。

图1 系统整体结构框图Fig.1 System overall structure diagram

数据采集层转速采集终端使用LJ12A3型接近开关作为转速传感器实时获取设备转速，电表采集终端从电表上的RS485通讯接口实时读取表中数据，考勤采集终端通过RFID读取员工卡中信息，各个采集终端通过SD2405芯片获取系统时间。

数据传输层采集终端获取相应信息后，对信息进行分类组成发送数据帧，通过WiFi网络将数据帧传送至服务器，存储于数据库中，以供管理人员查询分析。

数据管理层将采集终端、服务器和客户端构建于一个局域网中，并为每个采集终端分配独立的IP地址，IP地址与服务器在同一子网中。管理人员通过登录客户端收发模块，实时监控各个设备的运行状况和工人上下班信息，实现了数据采集系统的智能远程监控。

2 系统硬件设计

系统采集终端包括转速采集、电量采集、射频识别（考勤采集），其主要功能：①可靠、准确地采集相关数据；②在预定时间点或接受相关指令时传送数据；③检查数据传输是否正常和设备是否正常工作，并及时以指示灯告警。

2.1 转速采集终端

采集终端采用模块化设计方法，且模块间可任意组合。转速采集模块硬件部分主要包括：Cortex-M3微处理器模块、LJ12A3型接近开关、USR-WIFI232无线收发模块、SD2405时钟芯片模块、LCD液晶模块等。其硬件具有数据传输可靠、性能稳定和自动化程度高等特点。硬件结构框图如图2所示。

图2 转速采集模块硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram of speed acquisition module

2.1.1 核心芯片

基于成本、性能和功耗等方面考虑，本系统采集终端核心芯片选用意法半导体（ST）公司生产的STM32F103VET6微处理芯片，该MCU基于ARM Cortex-M3内核，具有高性能、低成本、低功耗特点，且拥有丰富的片上资源[3]，满足各模块的设计要求。

2.1.2 通信模块

为了节省线路成本、增强终端布置的灵活性，数据终端和数据接收端以WiFi通信形式互联。为保证数据的准确性，WiFi模块与服务器端采用TCP方式通信。其配置通过网页配置来实现：设置参数有无线网络名称、加密方式、密钥、串口通信协议、客户端和服务端，还需设置服务器的IP地址和端口号[4]。其中，串口通信协议的配置和主控芯片的串口配置要一致。配置完成后，即建立了采集终端与远程服务器的TCP通信链路[5]。

2.1.3 传感器选择

选用LJ12A3型接近开关作为转速传感器，获取设备的实时转速。LJ12A3型接近开关具有功耗低、寿命长和稳定性强等特点。从频谱分析理论可知，接近开关不受各种驱动系统、继电开关、电磁阀等造成的电磁干扰影响，具有很好的抗干扰能力[6]。接近开关的响应频率一般为几百赫兹，在测量单齿转速时，即n=1，以频率f=300 Hz为例，则最高可测的转速为

可满足大多数旋转机械设备的测速要求。供电电压为3～30 V，可直接与嵌入式系统接口相连。

2.2 电量采集终端

该采集终端涉及电表数据输出接口协议分析，多电表间的数据协调处理和多机通信机制等知识，其设计是繁琐的，也是非常重要的。电量采集终端同样采用STM32F103VET6为核心芯片，还包括USRWIFI232无线收发模块、LCD液晶模块等。厂区使用的PZ162L型数字电表集成了RS-485通信协议，因此设计中使用MAX485接口芯片作为通讯芯片。

通讯芯片选用低功耗、通讯距离远、成本低廉的MAX485收发器。MAX485采用单一电源+5 V工作，额定电流为300 μA，采用半双工通讯方式，可实现最高2.5 Mb/s的传输速率。采用RS-485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力[7]。且电路设计简单，控制方便。

2.3 射频识别终端

该采集终端包括Cortex-M3微处理器模块、LCD模块、WiFi模块和第三方读卡模块TJDZRC522 RFID等。TJDZ-RC522 RFID模块用于读取员工卡中信息，选用MiFare one识别卡为员工卡，使用前需进行注册，将员工相关信息写入卡内。RFID读卡模块用于工人上下班刷卡使用，不仅作为考勤的参考，同时也保证了对采集终端操作的合法性。

其中TJDZ-RC522 RFID模块采用先进的调制和解调技术，通信频率为106 kb/s，可与兼容ISO 14443A/MIFARE的卡进行非接触式通信，具有SPI、UART、I2C 3种接口方式[8]，本设计采用SPI方式。TJDZ-RC522 RFID模块只有8个引脚，大大简化了硬件接口设计。图3为该模块与主控芯片的连接图。

图3 TJDZ-RC522与主控芯片的连接图Fig.3 Connection diagram of TJDZ-RC522 and master chip

3 系统软件设计

系统软件主要包括信息采集终端软件、监控中心服务器收发软件和数据传输算法设计。

3.1 转速采集终端

该采集终端的软件功能为采集光缆设备实时转速信息，同时获取系统时间，并将相关数据组帧经WiFi网络传送至服务器端，整个数据采集终端软件设计在uVision4开发环境下完成。其软件主要设计流程如图4所示。

图4 转速采集终端软件流程图Fig.4 Software flow chart of speed collection terminal

在定时中断服务子程序流程中，每当时间累计到1 min时，先获取当前时间T，再进行转速的采集，对于单齿齿轮，转速计算公式为

式中：r为转速，r/min；N为接近开关每分钟开关的累积次数。

对于多齿齿轮，假设齿轮一圈均匀分布n个齿，则转速r为

LCD将实时显示转速r和时间T，以便维修人员查看。在转速发送过程中，先将当前转速r与前1 min的转速rb比较，其差值须超过设定的偏差阈值才组帧发送。这样可以在保证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。

3.2 电量采集终端

该模块整体设计方案为系统初始化后，检测电表的编号与个数（如需增加电表，只需重启终端，就可检测到新添加的电表的编号并重新统计电表个数，这使得设计具有一定的自动化功能），终端在指定时间间隔检测电表电流值，若电流值未超过电流阈值，则指示灯告警，确保设备的正常运行。其软件设计流程如图5所示。

图5 电量采集终端软件流程Fig.5 Software flow chart of electricity collection terminal

3.3 考勤采集终端

软件设计包括UART初始化、LCD初始化、SD2405初始化、数据转换函数、数据组帧函数、WiFi模块的配置等，由于与其它采集终端选用同样的核心处理芯片，程序移植方便，减少了代码维护的难度。当卡片进入读卡器天线作用范围时，卡片获得能量以维持卡内部电路操作，主控芯片将控制读卡器进行一系列“寻卡→防冲突→选卡→读卡”操作[9]后，读取到卡片上的工人信息；然后通过WiFi模块将工人信息等组帧发送至服务器。具体设计流程如图6所示。

图6 考勤采集终端软件设计流程Fig.6 Software flow chart of attendance collection terminal

3.4 服务器端软件设计

服务器数据收发软件的功能主要是监测TCP端口是否有采集终端送来的数据，并对数据进行分析正确后存入数据库对应的数据表中，然后回送信息给发送端。软件采用Visual Basic作为开发环境，为了能够监测到多路数据，在界面设计中建立了Winsock控件[10]数组，以便根据网络连接端口的变动灵活调整，而且增加了ADO组件有利于高效访问SQL数据库。当有新的连接请求时，就以控件数组形式自动添加Winsock控件来完成TCP方式的连接。当网络连接成功后，有数据到来时就触发Sock_DataArrival事件，将接收到的数据进行验证和分类，判断其是转速信息、电量信息还是其它信息；再将不同类型数据存入对应的数据表中，并通过该网络端口回送验证信息。

3.5 数据传输算法设计

各个采集终端在传输数据时，为保证数据传输的稳定性和抗干扰能力，对数据进行分类组成发送数据帧，包括每帧数据的起始符和结束符，用于检测数据传输的完整性，若接收不完整则进行二次发送和二次验证，若仍未收到回送信息，则将数据存入暂存区，并以指示灯告警；同时采用校验法，即在每帧数据结束符后加一位校验位，在接收端检测是否与发送端的校验位一致，若不同则发送端得到相应指令重新发送数据。经上述算法处理，数据传输稳定性和抗干扰能力得到进一步加强。

4 测试结果

该系统已经在中天日立光缆有限公司进行了一系列现场测试和使用，其中转速采集模块共安装22个，电量采集模块共安装3个，用于采集厂区所有生产线设备对应的18个电表信息，考勤采集模块共安装2个。图7为服务器端收发模块。

图7 服务器端收发模块Fig.7 Server-side transceiver module

为便于观察，每种采集终端各测试5组数据，如图7中消息显示区所示。第1组数据中，“10.1.90.56”为采集终端的IP地址，每个采集终端都有独立的IP地址，“2713”为端口号，端口号后面为采集终端传输至服务器的数据帧。数据帧格式为：*#<系统时间/12位>#<类型编码/1位>#<数据1>*<数据 2>…*<数据 n>#&。 每帧数据中，“*”“&”分别为起始和终止符，用于判断数据接收的完整性。数据类型用“#”隔开。类型编码中，“C”代表转速，“A”代表考勤，“D”代表电量。“201409010704”表示采集时间为2014年9月1日7点4分。“119”为设备转速，单位：r/min。 第6组数据中，“001629”为员工工号，“100”中第一位数字表示上下工状态（0表示下工，1表示上工），第二位数字表示早、中、晚班（0表示早班，1表示中班，2表示晚班），第三位数字表示上下工的状态（0表示正常，1表示迟到，2表示早退）。第11组数据中，“03”为电表编号，即电表内部的 ID 号，“020933”为电量消耗，单位 k·Wh，需要除以10，即实际电量为2093.3 k·Wh。采集的数据与实际数据信息完全一致，其成功率、数据传输的稳定性和实时性都很好地达到了系统设计的最初要求。

5 结语

本文提出的光缆生产设备信息采集系统，采集终端各司其职，由WiFi网络共建于一体，并与客户端及服务器共同组成一个功能完善的系统，借助WiFi技术、RFID技术和RS-485通信技术，实现了信息采集的自动化，解决了目前光缆生产设备信息采集存在的不足。通过现场测试和中天日立光缆有限公司的使用情况得出结论：该系统稳定可靠，且具有成本低、布置灵活等特点，还具有数据传输稳定、抗干扰能力强的优势。该系统不仅能够为设备的及时维护提供保障，还可使管理者和维护者能够及时准确掌握设备运行情况及工人上下班信息，有效地提高了企业生产管理水平。

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