基于物联网的服装吊挂生产线的设计与实现

赵 勇，黄 东，张天开，齐秀娟，张梦洋

（青岛理工大学 自动化学院，青岛 266033）

人们的生活日新月异，这促使了人们在服装的消费方式和消费结构上都有了很大的改变。个性体现和追求时尚在消费者心中的地位越来越高，同时消费者越来越注重衣服的质量和样式，这种消费观念的改变直接影响了传统服装生产行业的变革。因此，开发一种提升服装加工生产规模和生产能力的生产线变成一个越来越值得研究的方向。

传感器技术、RFID标签和嵌入式系统技术是物联网的3项关键技术[1]，基于此，提出一种基于物联网技术，多个加工工作站与上位机信息管理系统相结合的服装吊挂生产线系统的设计方案。

1 总体设计

1.1 服装生产工艺流程

服装生产基本工艺流程包括验布、裁剪、印绣花、缝制、整烫、磨练、包装7个过程[2]。生产线主要是完成7个过程中的缝制工艺。缝制工艺把服装的缝制过程拆解成多个工序，并将工序按照加工顺序编号分给相应的工作站。同一个工序可由多个工作站加工，一个工作站可以加工不同的工序。工作站都有一个ZigBee节点，各个工作站ZigBee节点和ZigBee协调器构成自组织网络，加工过程中，工作站通过无线网络将加工过程的相关信息汇总到ZigBee协调器，ZigBee协调器利用串口通信上传到生产线管理系统，具体实现过程如图1所示。

图1 服装生产工艺流程图Fig.1 Flow chart of garment production process

文中涉及到的吊架代表一件服装的加工过程，吊架上挂满单件服装加工需要的裁剪布料。每个吊架都贴有一个125 kHz低频RFID标签，RFID阅读器读到的标签ID号即为吊架ID。工作站的数量根据需要自由设定，工作站可以设置成准备站、加工站、管理站、结束站4种属性，一条流水线必须有一个准备站和结束站，加工过程中加工站和管理站可以相互切换。

1.2 工作站工作原理

工作站控制系统原理如图2所示。设计将控制系统分成进站、加工、出站3个过程，图中虚线框表示3个过程。进站各有一个阅读器R1、继电器J1和光电开关S1。吊架在环形的轨道行进时，R1读取经过吊架的ID，如果吊架此时需要加工的工序与工作站设定加工工序匹配，J1动作，气动阀V1打开，吊架进入工作站待加工区，S1感应后，记录待加工区内吊架的数量，待加工区内吊架累计数量超过设定上限，吊架将不再进入此工作站。吊架处于加工过程时，操作工人完成此吊架加工后，按下按钮B，继电器J2和J3同时动作，气动阀V2和气动阀V3打开，待加工区一个吊架进入加工区，加工完毕的吊架经过提升机进入待出站区，光电开关S2感应，工作站中吊架总数减少一个。如果光电开关S3检测经过吊架推头为空位，那么继电器J4动作，气动阀V4打开，吊架重新进入轨道，阅读器R2读取吊架的ID。随着出站过程的结束，吊架进入下一个工序的加工过程，如图中虚线箭头所示。其中，触摸屏作为人机交互界面用来设置工作站，同时，工作站通过ZigBee构成的无线网络与生产线管理系统通信。

图2 工作站控制系统原理Fig.2 Principle of the workstation control system

2 工作站设计

2.1 系统硬件

工作站的硬件设计主要包括工作站控制核心、工作站ZigBee节点和ZigBee协调器3部分。其中ARM微处理器STM32F103VET6作为工作站的主控制器，ZigBee部分采用无线射频收发芯片CC2530。

2.1.1 工作站控制核心

STM32采用ARM最新的Cortex-M3内核，处理速度最高可达72 MHz，RSIC指令结构减少了开发难度。STM32具有丰富的外设资源：滴答时钟Systick、FSMC 液晶屏接口、3 路 USART、2路 SPI等[3]。依靠STM32强大的硬件资源，设计很方便地在其外围电路中扩展了显示模块、通信模块、普通I/O输入输出模块。

根据工作站的功能与工作原理，完成如下所示电路设计。

（1）显示模块：STM32中 FSMC接口管脚与液晶控制芯片SSD1963相连，对液晶进行续写操作；SPI1总线实现对触摸芯片ADS7843的控制。

（2）通信模块：STM32的 PA2和 PA3与 ZigBee的P0_2和P0_3直接相连实现串口通信；RFID阅读器读写是通过485总线产生的，所以USART1首先要经过MAX485芯片将TTL逻辑电平转换成RS-485逻辑电平，同时，USART1和阅读器是一对三的关系，USART1依次对3个阅读器进行读写。

2.1.2 CC2530电路

CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SOC）解决方案，同时，CC2530结合了德州仪器在业界领先的黄金单元ZigBee协议栈（Z-StackTM），提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案[4]。本系统中射频电路都是由TI官方提供，ZigBee协调器与管理系统通信都是通过串口产生的，所以采用MAX232CE进行串口电平转换。协议栈默认配置P0_2作为RX端，P0_3作为TX端。

2.2 软件设计

2.2.1 基于μC/OS-II的软件实现

μC/OS-II[5]是一个完整的、可移植、可固化、可裁剪的抢占式实时多任务操作系统，绝大部分代码是用C语言编写的，包含小部分汇编代码，使之可供不同架构的微处理器使用。基于STM32的μC/OSII操作系统的内部架构从底层到上层依次为硬件层、驱动程序层、嵌入式操作系统层和应用程序层，如图3所示。

图3 工作站系统内部架构Fig.3 Inner architecture of the workstation

μC/OS-II系统初始化是通过调用OSInit（）实现的。OSInit（）初始化μC/OS-II所有的数据结构和所有变量，建立空闲任务OS_TaskIdle（）。通过调用OSStart（）启动μC/OS-II操作系统，创建任务函数体，分配任务栈。传递任务地址、堆栈地址和优先级，在main（）中完成启动流程和任务运行前的STM32外部硬件初始化和用于实现任务间通信的事件控制块的初始化。

该工作站的软件体系基于STM32硬件平台，首先进入Bootloader程序，上电后首先运行Bootloader，实现硬件设备初始化，为调用操作系统内核做好准备，引导程序使用vboot。然后初始化μC/OS-II操作系统，调用应用程序。应用层程序主要有：显示任务、数据通信任务、普通I/O输入输出任务等。软件结构框图如图4所示。

图4 工作站软件结构框图Fig.4 Structure diagram of workstation software

μC/OS-II是按照系统中一个CPU设计的，在这种系统中，只能有一个任务在具体时刻会占用CPU运行，而其他任务只能进入睡眠状态、就绪状态、等待挂起状态或被中断状态。在操作系统的管理下，一个任务可以在这5个状态之间相互转换。以显示任务为例，其转换过程如图5所示。

图5 显示任务的转化过程图Fig.5 Transformation process diagram of the display task

嵌入式系统CPU竞争有时间片轮询和抢占式2种，μC/OS-II采用抢占式。μC/OS-II最多可以创建64个任务，所以优先级有64级，用0～63表示，数字越小，优先级级别越高，不建议使用优先级最高4个和最低4个，所以用户可以有56个自己的任务。系统的各个任务优先级分配与任务说明如表1所示。2.2.2 ZigBee软件编写

表1 系统任务优先级分配与说明Tab.1 Distribution and instructions of system task priority

图6为协调器和工作站的ZigBee节点软件实现流程图[6]。

图6 ZigBee软件设计Fig.6 Design of the ZigBee software

（1）在无线网络中只有一个协调器节点。协调器上电后，首先完成初始化。网络建立成功后，工作站ZigBee节点发送入网请求，协调器认证后允许节点加入，至此整个无线网络创建成功。协调器Zig-Bee按照100 ms周期接收PC下传数据帧，按照数据帧中工作站编号将数据发送给相应站点的Zig-Bee节点，同时读取工作站ZigBee节点传来的数据帧，最后将数据帧上传到PC。

（2）工作站ZigBee加入网络后，按周期接收协调器发送的数据帧，STM32只有接收到PC数据帧后才会将产生的数据帧通过ZigBee网络上传到PC。

3 生产线管理系统设计

3.1 数据库后台

数据库使用微软公司的SQL Server 2008开发，SQL Server 2008是一个关系数据库管理系统。根据流水线需求，建立数据库Cloth。Cloth中主要包含3类表：员工信息、生产任务、生产统计。

表T_ShelfDynamic主要负责连接员工信息、生产任务、生产统计3类表。生产过程中，吊架加工过程动态更新数据都会通过T_ShelfDynamic更新到相应的数据库表中，T_ShelfDynamic如表2所示。

表2 T_ShelfDynamic表Tab.2 T_ShelfDynamic table

3.2 前台界面

C#作为前台界面开发语言，结合ASP.NET技术，采用C/S软件体系构建3层架构，开发工具为微软公司的Visual Studio 2010。DbHelperSQL类是由代码生成软件生成的，封装了一些对数据库数据的读取、查询等方法，主要体现一种3层架构的思想。项目中的MangerSystem、MangerSystem.BLL和MangerSystem.DAL分别对应3层架构中的表现层、业务逻辑层和数据访问层。根据服装加工工艺的需要，前台界面包括系统、设置、监测、统计和日志5个一级菜单，前台界面构成如图7所示。

4 结语

图7 前台界面结构框图Fig.7 Structure diagram of foreground interface

基于物联网设计的服装生产线，结合ZigBee技术、服装加工技术和数据库技术，实现了服装加工缝制工艺的全过程，采用无线传输数据的方法，使数据传输变得更加方便。同时，以工作站作为独立单元，配合PC管理软件，组成一条生产线，结构简单，可根据需要任意调整工作站的数量，具有良好的推广价值。此外，本方案还可以进行二次开发，增加手持设备客户端，企业管理者和用户通过手机、iPad等设备远程访问数据库，了解加工信息。

[1] 王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报，2009，23（12）：1-7.

[2] 陈霞.服装生产工艺与流程[M].北京：中国纺织出版社，2011.

[3] 刘同法，肖志刚，彭继卫.ARM Cortex-M3内核微控制器快速入门与应用[M].北京：北京航空航天大学出社，2009.

[4] TI.CC253x User’s Guide[Z]，2010.

[5] Jean J.Labrosse.嵌入式实时操作系统μC/OS-II[M].2版.邵贝贝，译.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[6] 张玉杰，张文龙.ZigBee在油田远程监控系统中的应用[J].自动化与仪表，2013，28（4）：21-25.■