基于蓝牙技术的车间设备监测系统研究

何文广，李　伟，齐建家，孙玉芳，刘桂波

(黑龙江工程学院 机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050)



基于蓝牙技术的车间设备监测系统研究

何文广，李伟，齐建家，孙玉芳，刘桂波

(黑龙江工程学院 机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050)

摘要：针对车间设备的现状问题，采用蓝牙技术、计算机技术等进行车间设备监控系统的研究。采用LabVIEW软件进行采集界面设计，实现实时数据采集监控，采集到的数据以蓝牙通讯方式进行传送，从而实现对车间设备部分数据的无线监测。该无线监测系统易于实现，易于调整，具有较好的可扩展性。

关键词：蓝牙技术；车间设备；监测；LabVIEW

目前，我国许多工厂车间的设备、数控机床主要采用有线方式实现信息交换。车间作为制造企业的重要生产环节，拥有大量实时信息与资源。车间制造过程中信息的集中与共享，可以有效地提高企业的生产效率、决策水平和市场应变能力。因此，如何实现车间设备监控及信息集成是有待解决的问题。工厂的工作环境存在高温、震动等情况。而蓝牙技术的产生与运用对这一问题的解决提供了新方法。本文采用蓝牙技术，结合单片机控制实现车间设备信息的采集传送，再通过计算机的虚拟仪器平台(LabVIEW软件)实现车间设备的数据监测及后续处理分析。

1问题的提出

“十二五”规划提出我国由制造大国转变为制造强国，加强制造业的信息集成与自动化发展。从美国国家标准局对计算机集成制造系统提出工厂级、车间级、单元级、工作站级、设备级来看，车间设备的监控对于生产企业非常重要。在企业的生产环境中，车间拥有各种生产设备，可提供大量实时信息。然而，对于车间设备信息采集又有诸多的问题，主要有以下几方面：

1)车间拥有各种各样的设备，所使用的控制器又不同，很难实现设备的统一联网通讯及集中管理，企业中除了数控机床，还有一些是普通设备，而有些设备不能直接实现集成控制，无法与企业管理原有的信息系统连通。因信息的多领域性、信息的不确定性和信息来源的多样性，给车间设备数字化信息集成带来了一定的难度。

2)在现有的车间中实现车间设备的布线联网也较困难，尤其是搬运设备。车间中大多数设备是固定好的，且在混凝土等地面铺设电缆会有一定的影响，若在空中布线，会影响空中的设备，因此，采用有线方式费时费力。

3)存在车间数控设备的数据处理和联网功能较差，实现信息化所需的相应软件不能安装等原因。

因此，迫切需要研究一种适合于车间网络化制造的新的模式及切实可行的实现方法。因而，将蓝牙技术的无线局域网应用于生产车间设备与监控系统之间，建立网络通讯是一种较好的形式。其优点是功能强，容易安装，组网灵活，即插即用，可移动性，空间不受限制。

2蓝牙技术的组网原理

蓝牙系统的连接方式分为点对点和点到多点。在点到多点的连接方式中，多个蓝牙单元共享通信信道，由此构成微微网。微微网中的成员设备之间采用蓝牙无线通信技术进行通信。

蓝牙微微网以一种基带协议建立规则的方式形成，设备之间通过查询方式相互通信。按照这些规则建立连接，设备之间以同等方式相互通信。

蓝牙技术最基本的网络组成是微微网(Pico net)，其上的单元之间共享一条信道，一个微微网必须有而且只有一个主单元(master unit)，其余为从单元(slave unit)，主单元控制微微网从建立到数据传送以及到最后结束通信的整个过程，如图1所示。

在网络的控制中，蓝牙技术限定了微微网的单元数量，同一时间一个微微网最多只可以有7个从单元处于活动状态，其余从单元处于休眠状态。

图1　蓝牙技术微微网结构

3车间设备的监测系统

市场上各种各样的数字化产品使数据采集变得多样化，易于实现。而车间设备实时数据信息的采集不但是工业控制系统中重要的组成部分，而且还是企业进行生产过程分析、处理和控制的主要信息来源。

在车间设备上有各种各样的传感器，采集设备需要监测的各种信息由调理电路转换为数字信号，经蓝牙技术组成的网络传送到虚拟仪器平台(LabVIEW系统)进一步处理，图2所示为应用蓝牙技术的车间设备监测系统。

图2　基于蓝牙技术车间设备监控系统结构

4信息采集系统的电路设计

本文采用单片机控制的采集电路，对车间设备的温度压力等信号进行采集处理、实时控制。其硬件电路原理如图3所示。

4.1单片机数据采集模块

由于车间设备的运行情况复杂，为了保证分析得全面准确，本系统的采样频率为100 kHz，采样精度为8位。又因为系统要工作在车间设备的现场，要求设备体积相对较小、功耗低并具有很强的抗干扰能力，还要有较强的数据处理能力。数据采集模块包括压力传感器、温度传感器和信号调理电路，其功能是测量车间设备的各种压力和温度信号，并进行解调和放大，以便数据采集。单片机控制其实现A/D采样、数据处理和存储等功能。本文采用具有采集处理能力、有可编程和定时器等丰富功能的单片机控制系统，该系统具有对采集信息控制方式的多样性，使其控制形式更方便灵活。

4.2蓝牙通讯模块

采用以CSR芯片为主体的USB蓝牙模块。由广州汇承信息科技有限公司研发的HC-10型蓝牙模块，该模块支持各种蓝牙相关协议，能够满足本研究的需求。具有体积小、耗能低、传输稳定、虚拟串口功能等优点。本文所使用的蓝牙技术应用IVT蓝牙软件进行蓝牙通讯连接，达到微微网的组网要求，能够同时进行7台设备通讯连接。在电路设计中，用稳压电路保证蓝牙模块工作在3.1～4.2 V，将发光二极管连接在模块的STATE引脚上显示蓝牙模块所处的工作状态。再用一个六针的排针与单片机连接，实现数据的传输。

图3　数据采集系统电路原理

5车间设备监控系统的软件实现

在数据采集和蓝牙通信中，为了实现数据采集的实时性，单片机芯片选择定时方式2的定时采样模式，定时时间为100 μs。通过汇编语言编写程序来实现传感器的数据信息读取以及数据信息的存储。其工作方式采用串行口工作方式1，波特率设为9 600 bps。蓝牙通信中，通过主机控制器接口HCI层建立连接，实现点对点的蓝牙异步无链接数据传输。当两个蓝牙模块链路建立成功后，就可以按照蓝牙规范规定的HCI数据分组格式收发数据。

在系统的初始化和HCI层流控设置时，单片机作为主控芯片，向蓝牙模块发送HCI命令，用来反馈通讯执行的结果。若反馈的信息有问题，重新进行蓝牙模块系统初始化，直到完全正确。在初始化完成之后，由Set_ Host_ Controller_ To_ Host_ Flow_ Control指令打开蓝牙模块的流量控制，再由Host Buffer Size指令对流量控制进行配置。由此，蓝牙模块的主设备向周围查询其他蓝牙设备，找到之后，向其发出建立通讯连接指令，建立ACL连接成功后，进行数据通信。通信完成后，由命令Disconnect断开主设备和从设备的连接。

车间设备监控的软件结构如图4所示。

图4　车间设备监控的软件结构

监测软件界面采用当前应用较为广泛的LabVIEW软件编写。LabVIEW采用图形化的编程语言进行编程，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW可以与具有GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件或数据采集卡进行通讯。在LabVIEW中还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。

本研究利用LabVIEW软件编写了车间设备蓝牙无线监控系统，主要包括：密码登录模块、数据采集模块、数据存储模块、报警模块、控制模块等。实现数据采集监控功能的程序如图5所示。

图5　基于LabVIEW车间设备监控系统程序

采用LabVIEW虚拟仪器平台所设计的车间设备的蓝牙无线监控系统可对车间设备进行信息实时采集以及后续的实时监控处理。

6结束语

本监控系统经测试，可在一定范围内用无线传输进行数据采集。采集数据时可以实时地将所采集到的数据传送到附近的数据处理装置中，实现实时数据测量、监测处理，达到了预期的要求，同时电路结构简单，易于调整，具有很好的可扩展性。今后将进一步完善本监测系统，扩展传感器模块，采集更多的数据，进而实现车间设备各种运行参数的全部监控，实现对车间设备的故障预报警。

参考文献

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[责任编辑：郝丽英]

Research of the workshop equipment monitoring system based on Bluetooth technology

HE Wenguang, LI Wei, QI Jianjia, SUN Yufang，LIU Guibo

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050,china)

Abstract：In this paper, based on the problems in workshop equipment, the Bluetooth and computer technologies are proposed in the workshop equipment monitoring and control system research. LabVIEW software is used to design the assembly language programming design and make real-time data acquisition monitoring by Bluetooth communication in order to realize the wireless monitoring of workshop equipment data.The monitoring system is simple and easy to adjust, which has a good scalability.

Key words：Bluetooth technology; workshop equipment; monitoring; LabVIEW

作者简介：何文广(1971-)，男，高级实验师，研究方向：传感器信号处理;单片机控制.

中图分类号：TD659

文献标识码：A

文章编号：1671-4679(2016)01-0030-05

基金项目：哈尔滨市科技局科技创新人才研究专项资金项目(2013RFXXJ053)

收稿日期：2015-09-10