基于物联网的异构机织设备数据采集系统关键技术研究

李 慧，蔡昭权

(1.惠州学院计算机科学系，广东惠州 516007；2.华南理工大学计算机科学与工程学院，广州 510006)



基于物联网的异构机织设备数据采集系统关键技术研究

李 慧1，2，蔡昭权1

(1.惠州学院计算机科学系，广东惠州 516007；2.华南理工大学计算机科学与工程学院，广州 510006)

针对目前机织设备在织造企业中的应用呈现出品牌多、型号差异较大、技术不统一等问题，提出通用化的机织设备数据采集方法。基于该方法，研发异构机织设备数据采集系统，实现对机织设备行业现场数字信息的实时采集和监控，解决了对异构机织设备实时织造数据进行信息化的难题，使客户端能够快速、准确地了解最新的设备织造情况。最后文章提出的关键技术和具体的实现策略，为机织设备物联网提供了有益的借鉴。

异构机织设备；数据采集；物联网；接口植入技术；Web平台

纺织业是中国十大支柱性产业之一，如何应用新兴技术提升传统纺织业的技术水平，是该行业领域目前亟待解决的重要课题。国内外纺织企业的信息化管理程度存在显著差距，如何对设备进行有效的信息化管理，是纺织业技术革新中的一个新兴热点研究方向。

要解决设备的信息化管理，必须解决设备数据采集，特别是织造数据的网络化，从而实现设备的物联网，在这方面企业存在比较大的困难[1]。因为一套机织设备由提花机和织机及相关附属设备组成，而且每一个企业实际使用的织机品牌、型号各异，所以实现织机的织造数据采集存在着天然的障碍。

为了解决这一问题，国内外已有专家、学者进行相关研究，主要针对织机进行产量、停车时间、效率等数据的采集。可归纳分类如下。

传统的技术解决方案是通过使用研发的采集器与织机内部电路连接，实现生产数据的获取。其中，刘清波[2]利用数据采集点获取织机数据，通过CAN和RS422将数据传递到上位机；王春红等[3-4]基于DSP设计了硬件，并以此作为织机监控网络的基础；邵景锋等[5]基于80C51设计了称为“监测器”的硬件，与织机内部电路连接，实现对停车、打纬等信号的获取；王玥等[6]、陈金广等[7]在此基础上描述了监测系统的实现；Xiao等[8-9]、马丽丽等[10]描述了如何在一个“监测器”的基础上实现一个完整的信息化平台。但上述文献对如何使用研发的采集器硬件来获取织机织造数据介绍得非常少，缺乏技术的实质性内容。高其涛等[11]提出了面向不同类型织机实现采集器的方案，并以此实现信息管理系统，但对如何适应织机的差异性，没有做出明确的阐述。与传统解决方案相比，另一种技术解决方案是使用织机自带的数据采集功能，在此基础上实现织机设备的信息化管理[12]。该方向的研究相对较少，目前大都在欧洲、日本等发达国家纺织行业中进行采用，因为该区域的织机已经提供了相应的软件和硬件来实现织机信息化管理[13]。

从原理和实际的应用情况分析，传统方法最大的问题是通用性差，设计实现的采集电路只能应用在特定型号织机上，应用推广受到局限；另一方面，该设计方案对织机的内部电路产生干扰，影响织机的正常工作。结合国内纺织行业现状，本文提出利用织机与提花机的接口进行实时数据采集的方法。该方法具有良好的通用性和推广价值，不会对提花机和织机产生不良干扰。具体实现方面，通过数据缓冲和WEB架构，构建数据管理的系统框架，从而实现异构机织设备信息一体化。

1 系统架构关键技术

整个系统架构从体系结构上来说，分为采集和管理两个部分。采集部分完成数据采集到存入数据库的过程，管理部分则针对数据库内数据进行再处理，同时，也提供接口允许其他信息管理系统访问。

采集部分架构如图1所示。采集卡通过RS485组成总线型的网络，数据通过总线经串口服务器转换为TCP/IP协议包后，被缓冲程序接收。缓冲程序采用点名的方式对每一块采集卡请求数据，采集卡则响应请求，将当前状态发送给缓冲程序。缓冲程序仅在织机状态变化后，才将状态提交数据库，并通知采集卡可以更新下一状态。缓冲程序采用这种方式的目的：一是解决采集卡与数据库直接通讯存在困难的问题，二是避免大量的客户端(即采集卡)之间因为通讯的碰撞问题而导致通讯效率低下。

图1 采集部分架构

管理部分是一个标准的B/S架构，分为业务表示层、业务逻辑层和数据访问层，如图2所示。整个管理部分采用业务与界面分离的代码实现机制。在业务表示层，采用标准的HTML语言实现业务的展示，从而使WEB服务能够在各种浏览器平台上得到一致的浏览效果，包括Internet Explorer、Firefox、Safari等，也便于基于Windows、Linux、IOS等操作系统的用户客户端平台的使用。

图2 管理部分架构

业务逻辑层采用.NET架构，使用C#编程实现。由于C#完全的面向对象特性，使得在这个层次中，封装了与系统关联的各种应用，包括织机监控、生产管理、统计分析等。需要注意到，该层的所有代码是与数据库无关的，也与业务表示无关，具备了模块化和高度可重用性的特点，具有很强的灵活性和扩展性，有利于系统的维护和升级。

2 数据采集关键技术

机织设备数据采集最主要的目的就是采集织造设备实时生产数据，特别是在其他的信息系统内难以获取的数据，这些数据主要是织机产量、停车时间(包括不同的停车类型)。由于织机的产量可以通过累计的打纬数(织机织造的纬纱数量)与纬密的乘积来得到，因此，采集的最主要的数据组成就是：打纬数、停车数(经停、纬停、边停、其他停)和停车时间(经停时间、纬停时间、边停时间、其他停时间)。

文章使用自制的采集卡来获取上述数据。如前所述，直接织机电路接入有通用性差和易干扰织机内部电路的问题，而自制的采集卡使用接口植入的方法，避免出现上述两个问题。因为所有电子提花机与织机之间存在实现数据交互的数据传输接口，所以接口植入是在电子提花机与织机的接口之间，进行采集电路的植入。

在这种数据交互中，提花机发送给织机选纬控制信号，这个信号每织造一纬，都会发送一次，因此可以获取该信号来获得打纬数；停车信号是织机反馈给提花机的，因此可以通过获取该信号来获得停车数据。虽然织机与提花机之间的接口并不统一，但是可以划分为两类：并行线路和现场总线(一般是RS422和CAN)。并行线路是一排导线，每一条导线上使用一个电平信号，高电平代表1，低电平代表0，从而传递1位数据；现场总线方式是通过通讯协议进行数据传输，利用现场总线可挂接多个站点的特点，将采集卡作为一个从站点(只接收不发送)接入现场总线，通过解析协议数据来得到实时织造数据。

图3是针对并行电路设计的植入电路图，可以采集经停、纬停、用户停、以及每纬一次的打纬信号(图3中的Speed Sensor)。图4是在Somet Super Excel织机上接口植入的实例图。另外，可能有些织机并不提供打纬信号向提花机的反馈，在这种情况下，可以植入到提花机的选针器触发(称为OE信号)接口，采集与打纬信号一一对应的OE信号。

为了简化嵌入程序设计，采集卡使用CSM100 CAN接口转换器，使用该转换器器可以过滤不必要的CAN通讯包，降低采集卡MCU的负担，如图5所示，因此可以使用低成本MCU来实现各种功能。

MCU选型使用STC51系列单片机。MCU管脚的电路图如图6所示。

图3 并行接口植入电路

图4 Somet织机并行接口植入实例

图5 CAN植入电路与CSM100连接

图6 MCU管脚电路

为了降低采集与服务器之间的数据流量，采集卡采用状态转换存储的策略，只有当织机从一个状态转换到另一个状态时，才记录一条数据。例如，当织机从正常织造状态转换到经停状态时，才保存正常状态织造的一条数据，内容包括织造的时长、状态值等，同时将状态转换到另一个状态。这一机制流程图如图7所示。

图7 状态转换存储流程

工业现场电源是不稳定的，采集状态转换策略必须保证当前状态在断电情况下得到有效的保存。采集采用铁电存储器，在断电后，利用电容内的电量，将当前状态数据写入存储器。

MCU内嵌入软件设计中，各个外部信号都以中断的形式进行获取，中断函数不直接对中断进行处理，只是简单地置位相应的状态变量，而在主程序中进行状态的处理，整个程序的逻辑架构如图8所示。

图8 嵌入软件逻辑架构

3 系统测试结果分析

该系统投入到某纺织企业进行测试，反馈效果良好。从数据库表中截取部分机织设备数据的实时采集结果，如表1所示。表内的每一行，表示1min内，对织机状态的数据统计。IP是织机的IP；经停为1表示1min内出现过经停状态，为0则表示未出现经停状态。经停时间，表示在1min内，有多少次经停；一次5s，若该字段值为2，表示1min内，停了10s。纬停为1表示1min内出现过纬停状态，为0则表示未出现纬停状态。纬停时间，表示在1min内，有多少次纬停；一次5s，若该字段值为2，表示1min内，停了10s。用户停，为1表示1min内出现过用户停状态，为0则表示未出现用户停状态。用户停时间，表示在1min内，有多少次用户停；一次5s，若该字段值为2，表示1min内，停了10s。状态，当前状态，0表示正常织造，1表示经停，2表示纬停，3表示用户停。速度，表示在1min内，织机织造了多少纬。

表1 机织设备数据实时采集结果分析

时间IP经停经停时间/次纬停纬停时间/次用户停用户停时间/次状态速度(纬)17:24:05192.168.17.17000000026817:24:13192.168.17.9000014315317:24:24192.168.17.1800001123017:24:31192.168.17.16130000118817:24:34192.168.17.1300001123017:24:43192.168.17.6000000027117:24:48192.168.17.71814001017:24:52192.168.17.15000000027117:24:55192.168.17.4000000027817:25:05192.168.17.17000000026817:25:13192.168.17.9000012322517:25:24192.168.17.1800001123017:25:31192.168.17.16000000026717:25:34192.168.17.1300001123017:25:43192.168.17.6000000027217:25:48192.168.17.71517002017:25:52192.168.17.15000000027117:25:55192.168.17.40000000278

从表1中的结果，可以方便地分析这个企业的每一台设备在一定时间内的织造情况，从而能够把握整个企业的生产状况。

4 结 语

本文研究了基于物联网的异构机织设备数据采集系统关键技术，针对织造设备中织机必须与电子提花机进行数据交互的特点，采用了接口植入技术，利用接口相对统一的特性，解决了不同织机技术实现的兼容性，使不同型号的机织装备实现了生产数据的实时获取。在此基础上，应用现场总线技术汇总采集的数据，从而实现能够具备产业化应用的物联网基础设施。本文的方案从根本上解决了国内机织设备信息化的基础性问题，具有良好的适用性，能够为基于生产数据的进一步应用，如数据挖掘等打下良好的基础。

[1] 赵妍，苏玉召.基于物联网的棉纺织企业数据采集方案[J].上海纺织科技，2014,42(2):62-64.

[2] 刘清波.基于CAN总线的剑杆织机监控网络系统的研究与开发[D].杭州：浙江大学，2004:1-20.

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[5] 邵景锋,秦兰双.基于CS模式的织机监测系统设计[J].纺织学报，2006,27(7):75-78.

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[10] 马丽丽,陈金广.织机在线监测系统关键技术研究[J].纺织导报，2011(3):66-68.

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[12] 堵俊,吴晓,章国安.基于无线传感器网络的织机监测管理系统[J].纺织学报，2009,30(8):134-137.

[13] YE J, LIU M, WANG Y. Research and implementation of the interface a data collection management[C]//Consumer Electronics, Communications and Networks (CECNet), 2012 2nd International Conference on. IEEE, 2012:1996-1999.

(责任编辑：陈和榜)

Research on Key Technology of Data Acquisition System of Heterogeneous Weaving Equipment Based on Internet of Things

LIHui1,2,CAIZhaoquan1

(1.Department of Computing, Huizhou University, Huizhou 516007, China; 2.School of Computer Science & Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

The application of weaving equipment presents the problems of many brands, large model difference and technology disunity. For these problems, the paper puts forward universal weaving equipment data acquisition method. Based on this method, this paper researches and develops heterogeneous weaving equipment data acquisition system, realizes the real-time acquisition and monitoring of on-site digital information in weaving equipment industry and solves the difficulty in informationizing real-time weaving data of heterogeneous weaving equipment. Thus, the clients can get the latest equipment weaving condition correctly and conveniently. The key technology and the concrete implementation strategy proposed in this paper provide the beneficial reference for the Internet of things of weaving equipment.

heterogeneous weaving equipment; data acquisition; internet of things；interface embedding technology; Web platform

2015-10-28

国家自然科学基金项目(61370185，61170193)；广东省自然科学基金项目(s2013010013432)；广东省自然科学基金重点项目(s2012020011081)；广东省教育厅科研项目(2013KJCX0174)；惠州市科技计划项目(2014-3)；惠州学院校级科研项目(hzuxl201410)

李 慧(1978-)，女，浙江台州人，讲师，主要从事计算机应用方面的研究。

TS103.7

A

1009-265X(2016)06-0037-06