应用ZigBee技术的纬编生产数据实时采集系统

嘉丹丹， 蒋高明， 丛洪莲， 吴志明， 焦 洋

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122)

应用ZigBee技术的纬编生产数据实时采集系统

嘉丹丹， 蒋高明， 丛洪莲， 吴志明， 焦 洋

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122)

针对纬编企业生产过程复杂，生产数据记录需要人工统计且滞后，数据可靠性差、不稳定，信息反馈不及时，效率低等问题，采用ZigBee技术开发了包括数据采集模块和数据接收与处理模块2部分的纬编生产数据实时采集系统。分别从硬件和软件设计2个方面探讨了数据采集模块的基本架构，并通过对数据表的设计、通信协议的修订、程序的修改等分析设计了数据接收与处理模块。将该采集系统投入到某公司试用，并把采集的数据与实际数据进行了对比。结果表明，ZigBee技术实时性好，稳定性高，传输方便可靠，系统的数据采集误差较小，满足了纬编车间的数据采集要求。

纬编； ZigBee技术； 数据实时采集； 制造执行系统

纬编行业是针织领域的重要组成部分，随着行业信息化的不断发展，纬编企业规模的不断扩大，纬编企业的员工数量、订单量和产量等都逐渐增加，传统的依靠工人手写、卡片记录等采集生产数据的方式，由于数据安全性低、不准确、不易管理等问题[1]已经不再适用于现今的纬编生产环境，纬编制造执行系统的开发成为信息化发展的必要趋势。数据采集系统作为纬编制造执行系统的基础，其采集及传输性能直接决定整个制造执行系统的性能。目前，数据采集传输包括2种方式：有线和无线。有线数据采集存在着扩展性较差、布线繁琐等问题[2]，现有系统包括经纬E系统、悠扬织造管理系统等。无线数据采集方式有无线蓝牙、ZigBee技术。比利时巴克公司生产的KnitMaster采用无线蓝牙进行数据传输，但该系统对机器设备要求较为严格，且实施服务能力难以满足国内企业的个性化需求；广州科启奥电子科技有限公司采用ZigBee技术开发了智能终端，但其主要用于服装企业计件式生产，不适用于圆纬机的机速、产量等数据采集。针对以上现状，本文提出一种基于ZigBee技术的纬编生产数据实时采集系统。目前，该技术被广泛应用于无线智能测速、测温、预警等方面。

基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee无线通信技术，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术[3]，被广泛应用于工业控制领域。基于ZigBee技术的纬编生产数据实时采集系统将ZigBee技术和云数据库相结合，不仅能够实时采集生产数据，而且能够有效地解决布线困难、线路繁琐等工作。

1 系统结构

应用ZigBee技术的纬编生产数据实时采集系统包括数据采集模块和数据接收处理模块2部分。数据采集模块将通信芯片、存储芯片等集成在一块电路板上，通过传感器、LED显示屏、ZigBee等实现数据传输功能。其中，传感器采集实时显示的数据，如机器速度、停车次数、温度、湿度等；LED显示屏用来控制按键输入，页面显示等；最后通过ZigBee技术将采集到的数据无线传输到数据接受处理模块。

本文系统实时采集的一级数据主要包括：机速V(r/min)、每匹质量W(kg)、落布圈数L、当前圈数S、挡车工号、停车次数、停车时间T1(h)、运行时间T2(h)等。可通过以上数据推导出该工人的当班产量P(kg)、效率η(%)。其中，当前圈数、停车时间、运行时间都是从工人上班刷卡后开始计算。计算公式如下：

P=S(W/L)

η=T2/(T1+T2)

2 数据采集模块

数据采集模块主要完成数据的采集和数据显示、传输，开发的工具是嵌入式操作系统，包括硬件层、中间层和软件层。其中，嵌入式微处理器在第1个层次中位于中心地位。鉴于每台纬编机上都需要安装数据采集系统，选取嵌入式微处理器时就势必要考虑成本问题。至今为止，其主要包括以下几个类型：8501、TMS320C2000、Power PC、MCS-251、ARM系列等。其中，ARM微处理器中采用Cortex-M3内核的STM32F系列具有高性能、低功耗的特点，占据了绝大多数的市场，适合应用于对性能要求较高、成本敏感的场合[4-5]。

系统的软件部分采用的是μC/OS-II实时操作系统，因其源代码免费，结构小巧，内核小、可移植、可固化、实时性好[6]，其包含了实时内核、任务管理、任务间通信同步(信号量、消息队列等)和内存管理等功能。

2.1 系统硬件设计

系统的硬件组成框图如图2所示。由于纬编车间机台数较多，车间情况复杂，信号干扰严重，所以在采集信号时应增强电路的抗干扰性。主要采取的措施有：加低通滤波器，采用过压保护电路。所采用的嵌入式微处理器STM32F系列提供了一组完整的系统外围设备，包括：2.0～3.6 V供电和I/O引脚；32 K到512 K字节的闪存程序存储器；2个DMA控制器，共12个DMA通道；多达8个定时器；9个通信接口。由于上述性能，用该芯片设计纬编生产数据实时采集系统不仅可提高整个系统的性能，而且还能进一步地开发和扩展功能，以满足系统提升的需求。

数据采集模块由射频读写器(RFID)、机器传感器、纱线状态采集等模块组成。射频读写器通过对工人智能IC卡的读取实现对员工、机台以及机台产量、质量等数据绑定；传感器采集模块接口连接到针织机器上的接近开关、编码器等传感器，对纬编机的生产数据进行实时采集。

数据存储模块采用的是非易失NAND Flash存储器，包括系统启动、内核、文件系统，具有低功耗、大容量、擦写速度快等优点[7]。在传输数据方面，由无线通信模块、串行接口等组成，无线通信模块采用ZigBee无线模块，串行接口包括USART、RS485、USB，适合于远程数据传输。数据采集器将采集到的数据通过ZigBee传到计算机。

On the Strategy of Hebei Historical Inscriptions Protection and Inheriting Chinese Excellent Traditional Culture___________________________ZHANG Jing,YAN Guilian,SUN Ying et al 105

2.2 系统软件设计

为及时了解车间生产状况，监控机器运行状态，需要对机器数据进行实时采集，因此数据采集模块的软件设计要充分考虑实时性的要求。本文系统采用的μC/OS-II操作系统，是一个基于优先级的、各任务相互独立的抢占式的多任务实时操作系统[8]。

μC/OS-II的体系结构包括应用程序、核心和配置文件、移植文件3个部分。其中核心部分的代码由多个应用程序函数组成，其关键部分与处理器不存在联系，主要用来由应用程序调用[9]。设置部分的代码可对应用程序起到作用，以实现系统可裁剪的条件。为使系统可不受处理器的限制，需要可进行移植的代码，包括头文件、汇编代码文件和C语言文件各1个[9]。

3 数据接收与处理模块

数据采集模块采集到纬编车间实时数据后，通过ZigBee将数据传输到工控机，运行在工控机上的数据接收与处理程序通过ZigBee协调器接收数据并对数据进行分析和处理，剔除垃圾数据，保存有效数据，并发送到云服务器上的数据库中，为CKMES上位机提供数据支持。

3.1 数据表的设计

本文系统采用的是Sql Server数据库，由于所采集的数据信息量大、种类多、对数据的存取频率高，所以在数据表设计时始终以机器、订单、挡车工信息为主线[10]，把最基本的生产数据表设计为动态表和静态表，动态表即实时生产数据的暂存表，静态表即历史生产数据表。动态表不断更新纬编车间机器的生产情况，如转速、产量、停车次数等；静态表存储挡车工换班时的时间、产量、停车次数、效率等，可从静态表中检索某个挡车工某一时间段的所有产量。具体数据表设计如图3所示。

3.2 通信协议的修订

数据接收与处理模块接收到通过ZigBee无线通信技术传过来的纬编生产数据时，先要判断数据的准确性，再对已经加密的数据进行解码，这就需要二者之间定义严格的通信协议。协议对同步码、偏移位、校验码、帧头等参数做出了统一规定。只有这些参数设置正确，才可正确传输和解析数据。本系统采用的是起止式异步协议，即一个字符一个字符传输，详情如表1所示。根据实际需要，设置各参数的字节数，可能需要1个、2个或多个。表中用项目代表各参数，对所有需要的字节从0开始依次编号，本文设计需要47个字节。

表1 通信协议的修订Tab.1 Revision of communication protocol

3.3 程序设计

本系统是通过串口接收数据并进行分析和处理的。当接收到第1个字符后，判断是否为同步码，如果是，则继续接收至第47个字符，接着判断校验和和公司代码是否正确，不正确则抛弃垃圾数据，正确则进行数据解码和分析处理，得到正确数据。具体流程图如图4所示。

4 应用情况分析

为验证数据采集系统的准确性和稳定性，已将系统投入江苏江阴某纬编企业使用，该企业有纬编机50多台，安装数据采集器50个。表2示出采集到的部分机器的产量、效率、温度、湿度等。

表2 纬编车间实时生产状况Tab.2 Weft knitting workshop real-time production status

表中一些数据显示，不同机器的停车时间和刷卡时间总和不同，这主要是由于计时起始点是挡车工的刷卡时间，在交班过程中，不同机器的刷卡时间不同导致时间总和的差异；另外，在运行时间差异不大的情况下，由于工艺的不同，造成产量不同；该公司主要生产针织牛仔面料，所用原料为棉，表中数据还显示，每班的停车次数平均在35次左右，说明在生产过程中易断纱。

通过验证得知，该系统采集到的机器速度和工控机上的一致。现将该系统采集到的每匹布的圈数和工控机上记录的圈数进行对比，结果如表3所示。由表可知，本系统采集到的圈数与工控机上的圈数存在一些误差，但误差范围较小，不超过1%。由此可知，该系统采集到的数据准确性较高，且在这段时间的使用过程中，系统运行稳定可靠。

表3 产量对比Tab.3 Comparison of production

5 结 语

在了解纬编企业生产管理现状的基础上，本文研究了基于ZigBee技术的纬编生产数据实时采集系统，得到如下结论。

1)本系统数据采集模块硬件采用嵌入式微处理器STM32F系列，性能高，功耗低，成本适宜，并且易移植。软件部分采用μC/OS-II实时操作系统，源码公开，便于维护。

2)系统采用ZigBee技术进行无线传输数据，简化了有线网络布线规划、线路检查等繁琐工作，且灵活性强，可扩展性好，成本低。

3)经验证，本文系统运行稳定可靠，采集的数据准确性较高。

FZXB

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Weft knitting real-time data collection system application of ZigBee technology

JIA Dandan, JIANG Gaoming, CONG Honglian, WU Zhiming, JIAO Yang

(EngineeringResearchCenterforKnittingTechnology,MinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to resolve the issues of the complex production process of weft knitting, the matter that production data needs manual record, and the trouble that data is poor reliability, low efficiency, we have developed weft knitting real-time data collection system using ZigBee technology. The system includes data collection module,the data receiving and processing module.This paper not only have discussed the basic architecture of the data collection system from hardware design and software design ,but also analyzed the data receiving and processing module from design of the database, communication protocol and program modification. The system has realized the real-time data collection and two-way transmission of weft knitting,ensured the accuracy of the data,offered the technical foundation for the weft knitting manufacturing execution system.Finally,the system has been put into a company, and it is found by comparison the collected data with actual data that the ZigBee technology can transmit data with stability, convenience and reliability, and the data error is very small, which satisfy the data acquisition requirement of weft knitting.

weft knitting； ZigBee technology； real-time data collection； manufacturing execution system

10.13475/j.fzxb.20160103105

2016-01-19

2016-09-06

国家自然科学基金项目(61602212)；江苏省产学研联合创新资金-前瞻性联合研究项目(BY2016022-35)

嘉丹丹(1992—)，女，硕士生。主要研究方向为互联网技术在针织上的应用。蒋高明，通信作者，E-mail:jgm@jiangnan.edu.cn。

TS 101.9

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