基于物联网技术的生产线实时监测系统设计及测试

庞广富

摘要：自动化生产线处于无人监管状态，一旦发生异常工况将对产品质量和生产安全带来负面影响，所以采取远程实时监测尤为必要。文章首先介绍了生产线实时监测系统的硬件设计，包括CC2530芯片的电路设计、终端节点和网关节点的设计等。随后概述了系统软件部分的组成，包括SQL数据库、ZigBee节点等。最后在实验室进行了系统测试，结果表明该系统能准确采集生产线现场的温湿度值与烟雾浓度值，并且根据采集的数据在监测平台上以数据和曲线两种方式呈现，方便管理人员及时掌握生产线的实时状况。

关键词：物联网；生产线实时监测系统；ZigBee；温湿度传感器

中图分类号：TP31

文献标志码：A

0 引言

自动化生产线是物联网与工业、制造业融合应用的成果之一，它不仅能显著提高生产效率，还能在批量化生产的过程中保证产品质量^［1］。本文设计了一种基于物联网技术的生产线实时监测系统，可利用传感器获取生产线现场的温湿度与烟雾浓度等信息，并在监测平台上直观地呈现，方便管理人员远程监控生产線。

1 生产线实时监测系统的硬件设计

1.1 系统硬件的整体结构

本文设计的生产线实时监测系统，硬件部分由终端节点和网关节点两部分构成。其中，终端节点负责收集生产线现场的环境信息，包括温度、湿度、烟雾浓度等。对于采集到的实时数据，使用CC2530芯片进行处理；对于处理后的环境信息、产品加工信息，借助ZigBee无线传感网络将其上传至网关节点。为了提高通信速率，保证现场环境信息能够同步在人机交互界面上呈现，在网关节点中设置了CC2530的协调器。最终前端环境信息经WiFi串口服务器到达远端的监测平台。系统的硬件结构如图1所示。

1.2 终端节点和网关节点设计

根据实现功能的不同，本系统设有两个终端节点。1#终端节点用于采集生产线的现场环境信息，2#终端节点用于获取产品加工信息。其中，1#终端节点中又包含了两种传感器，其一是DHT11温湿度传感器，内置电阻式感湿元件和NTC感温元件，采集生产线现场环境的温湿度值后，将模拟信号转化为数字信号。其二是MQ2烟雾浓度传感器，当生产线现场环境中可燃气体或烟雾的浓度升高时，MQ2传感器的输出电压也会发生相应的变化，CC2530芯片可根据传感器当前的电压值求得环境中可燃气体或烟雾的浓度。2#终端节点的核心设备为射频读卡器，利用RFID射频识别器读取产品标签信息，将识别到的信息上传至监测平台^［2］。

该系统的网关节点可实现两种功能：其一是无线传感功能，用于接收由终端节点传输的数据；其二是实时显示功能，让管理人员能够远程了解生产线现场情况。在网关节点的结构组成上，也包含了两个核心部分，即CC2530协调器与WiFi串口服务器。相比于传统的串口服务器，WiFi串口服务器不需要布线，降低了操作难度，避免了接触不良导致系统运行异常的问题。

2 生产线实时监测系统的软件设计

2.1 实时监测软件设计

在设计实时监测系统的登录界面时，为保障系统运行安全采用登录访问安全认证设计，用户需要提供配对的账号与密码，才能通过验证并跳转到检测软件的主界面。成功登录后，监测软件的主界面提供4个选项，分别是系统设置、阈值设置、实时数据以及历史数据。为了提高数据的传输效率，本文选择串口通信的方式，实现监测软件与网关之间的双向通信。每次打开串口前，都需要进行初始化，将串口各项参数（如波特率、数据位等）复位。系统接收到传感器反馈的数据信息后，启动“Chart”控件，将数据自动转化成曲线，可在监测软件的“实时数据”界面上动态呈现温度、湿度、烟雾浓度3种变化曲线^［3］。

2.2 ZigBee节点设计

本系统中包含两个采集终端节点，其中1#节点的作用是监测生产线环境，可人为设置采样周期，每个周期向系统传输一次数据；2#节点的作用是在射频读卡器读取产品信息后，向协调器发送标签卡信息。终端节点的信息处理流程如图2所示。

系统运行后首先运行初始化程序，完成初始化后检测周围ZigBee网络。执行一个判断程序“是否找到ZigBee网络？”，如果未找到网络，则重新寻找，直到检索到网络后加入此网络。成功接入ZigBee网络后，在该系统中添加一个定时器，并自定义定时器的值。例如设定值为5，则终端节点每5 s获取一次前端传感器信息。终端节点每秒刷新一次判断程序“是否到达定时时间？”，若判断结果为“是”，则采集并处理数据。当前数据处理完毕后，返回定时时间的判断程序，重复此流程^［4］。

3 生产线实时监测系统的测试

3.1 系统硬件测试

生产线实时监测系统中可以直接获取环境信息的前端传感器共有两类，分别是温湿度传感器和烟雾传感器。在系统搭建完毕后，对这两类传感器硬件的功能实现情况展开测试，这里以温湿度传感器为例，测试情况如下。

为验证本系统使用的DHT11温湿度传感器的测量精度，设置了对照试验。一组使用DHT11温湿度传感器，另一组使用实验室标准电子测试仪。在生产线上随机选择4处位置，用两种仪器测量温度与湿度。对比结果如表1所示。

对比表1数据可以发现，DHT11温湿度传感器测量的温度、湿度结果，与实验室标准电子测试仪的测量结果十分接近，误差均在1 ℃（温度）和1%（湿度）之内，说明DHT11温湿度传感器的测量精度较高，能够满足生产线实时监测系统在工程环境中的使用需求^［5］。

3.2 系統软件测试

管理员正常登录生产线监控系统后，从系统主界面的左上角选择“阈值设定”选项，跳转至相应的二级页面。在该页面上设置温度、湿度、烟雾浓度的上、下限，如图3所示。

各项参数设置完毕后，即可利用温湿度传感器、烟雾传感器实时获取生产线数据。系统接收前端反馈数据后，能够以“数字”和“曲线”两种方式进行呈现，以便于管理员直观地了解生产线的环境状况。对于系统接收的数据，默认为每5 s存储一次，以“天”为单位保存成txt格式文件。后续管理人员可从系统的主界面点击“历史查询”选项，在二级页面中勾选日期，查看每日的详细记录。

4 结语

在制造业生产线向生产自动化、管理智能化转型

的背景下，设计一种可以实时监测生产线现场环境的远程监测系统十分必要。利用功能各异的传感器实时采集现场环境信息，经过传输、处理后，管理人员可在远端的监测平台上直观地掌握生产线的实施情况，在提高生产效率、确保生产安全等方面发挥重要作用。

参考文献

［1］姜阔胜，范再川，侯佳淑.自动化生产线的数字孪生可视化监测系统研制［J］.安阳工学院学报，2022（2）：21-22.

［2］李作康，王禹林，刘璐，等.基于B/S架构的数控加工设备远程监测系统［J］.组合机床与自动化加工技术，2019（8）：46-47.

［3］陈宇宁，吴建民，刘丽敏.脉动装配生产线物流管控及其精准配送系统设计［J］.物流工程与管理，2022（4）：44-45.

［4］贾昆，华成，杨小兵.OIS状态监测系统在炉卷轧机生产线中的应用［J］.山东冶金，2021（7）：47-48.

［5］吴飞燕.基于窄带物联网工业生产线温度监测系统研究［J］.科学技术创新，2021（21）：21-22.

（编辑 沈 强）

Design and test of real-time monitoring system for production line based on Internet of Things technologyPang Guangfu

（Guangxi Vocational & Technical Institute of Industry， Nanning 530001， China）

Abstract： Since the automatic production line is in the unsupervised state， the occurrence of abnormal working conditions will bring serious negative impact on product quality and production safety， so it is particularly necessary to adopt remote real-time monitoring. This paper firstly introduces the hardware design of the real-time monitoring system of the production line， including the circuit design of CC2530 chip， the design of terminal node and gateway node， etc. Then it Outlines the components of system software， including SQL database， ZigBee node and so on. Finally， the system test was carried out in the laboratory. The results show that the system can accurately collect the temperature， humidity and smoke concentration of the production line， and according to the collected data， it can be presented on the monitoring platform in two ways： data and curve， which is convenient for managers to timely grasp the real-time condition of the production line.

Key words： Internet of Things; production line real-time monitoring system; ZigBee; temperature and humidity sensor