车间LoRa自组网数据采集存储系统设计

李桐满，丁文捷，史兴龙，赵 楠，汪前进

（宁夏大学 机械工程学院，宁夏 银川 750021）

一些电缆电线企业在信息化生产改造过程中，虽然生产线上的测量仪表具备了线缆罗拉转速、护套原料制备温度、激光线径检测、交流火花检测等参数，但没有实现数据的永久存储；另外，从拉丝到框绞，再到护套的挤塑水冷却成型，仍有诸多中间工艺环节的参数缺乏管理，设备运行维护品质状态信息也未纳入监管。此外，操作人员往往依靠自己的生产经验确定挤塑时的牵引转速、挤出机转速与温度，技术参数之间缺乏数据联动性，且工艺生产线上缺少数据的采集、存储与监管环节，实际生产仍然采用依赖人工经验操作的方式。然而，这些企业最突出的问题是信息化与企业车间生产设备的实际链接问题，缺少工业设备生产技术和信息化相互融合带来的促进生产的特殊效应，这也是国内中小型企业普遍存在的问题。

时运来等[1]将柴油发动机车间生产线上的时间信息与空间信息无缝衔接，提高了车间生产数据的实时性，设计了车间5层总体框架，并且使用无线与有线通讯技术将网络层、控制层和设备层连接成为一体化的工业网络，解决了传统车间存在的信息采集困难等问题。胡科幻等[2]利用Modbus总线协议解决了STM32单片机与直流调速器的信息通讯问题，给出了利用一个MCU连接多个直流调速器的方法，且系统数据传输稳定，从而进一步实现了在交联电缆生产线上精准地控制多个电机的转速与转矩。丁文捷等[3]针对铝再生车间的配料问题，提出了利用车间ZigBee物联网，采集来自不同仓库的叉车重量信息，并通过自动化配料方案和导航系统方案的设计以及物联网络数字模型的建立，实现了再生铝的配料工艺自动化过程。国内许多学者对车间的生产设备进行了信息采集，但电线生产线仍然缺少数据的实时监控环节，信息化的发展未能及时地与车间生产设备相结合。开展车间生产设备的数据采集研究对于车间信息化的升级转型具有重要的现实意义。同时，针对数据永久存储问题，本文进行了系统研究，并且利用上位机与生产设备的通讯，实现了将生产数据存储至车间数据服务器。

1 车间构建需求分析

1.1 车间生产主要工艺流程现状分析

A厂电线电缆车间挤塑工艺生产线的设备生产流程如图1所示。通过分析电线电缆挤塑工艺中线缆直径的生产控制过程，可知挤塑工艺中需要人为控制挤出机构的温度、挤出速度、牵引机构的电机转速等参数，以保证包覆塑料均匀[4]，并且挤塑生产线上收线工位与挤出工位高度依赖人工控制，只有部分生产线上安装了挤出机构与牵引机构协同工作的控制台。总体而言，车间整体信息化水平较低，大部分的信息采集工作依靠手工记录。因此，电线电缆车间有必要设计自动采集工艺参数系统，并将其应用于后期监控与品质分析过程。

图1 挤塑机组工艺流程

1.2 构建车间数据采集存储系统

车间数据采集存储系统首先利用传感器采集车间生产设备的工艺数据，然后通过物联网数据传输系统将数据发送至上位机，最后由上位机存储系统将数据分类保存至服务器。构建该系统需要以下3个方面的技术支持。

（1）下位机数据采集系统。本文选用STM32单片机作为采集系统的数据处理核心，其与传感器共同搭建了下位机数据采集硬件系统。该系统可以在车间任意地点采集生产设备的牵引转速与线缆直径数据，并根据车间设备自身任务和规划特点编制信息采集软件。

（2）车间LoRa物联网。物联网是生产数据采集与存储系统的信息桥梁，能够满足信息化建设要求，技术发展迅速，产品种类多，主要包括短距离通信（ZigBee，WiFi，Bluetooth等）和长距离通信（LoRa）。通过常见物联网技术对比表（表略），最终选择LoRa作为系统的无线通讯传输技术，其具有低带宽、低功耗、低成本、传输范围广、维护方便等优点[5]。

（3）上位机存储系统。搭建上位机存储系统时，有多种技术方案可供选择。编译环境分为Visual Studio，pyCharm等，编程语言分为C语言，C#语言等。本文主要利用Visual Studio 2019软件、C#语言编写上位机数据存储系统程序，从而实现对生产数据的存储。

2 下位机数据采集系统

2.1 直径采集方案

2.1.1 直径采集传感器选型 在生产过程中，电线在牵引机的作用下快速移动，因此测量电线直径时需要采用非接触测量方法。本文选用由绍兴镭斯特光学仪器有限公司制造的外径测量仪LST-25/JIB（以下简称测径仪），其主要由操作面板、激光测量头组成。该测径仪的扫描系统产生的直径信号值首先被转换成数字信号，然后经过一系列的运算、处理，最终得到实际的直径值。

2.1.2 测径仪数据采集方案 测径仪采用标准异步通讯RS232接口，上位机通过该接口获取实时直径值。系统采用镭斯特光学仪器有限公司自定义通讯格式，通讯应答模式如下。

上位机发送：0x01 0x41（地址+读取参数）

设备返回响应：0x01 0x41 0xAA 0xBB 0xCC（地址+功能码+响应参数+CRC校验码）

2.2 转速采集方案

2.2.1 转速采集模块 本系统采用了E6B2-CWZ1X增量式编码器，编码器的速度由A，B两相的脉冲数目决定。系统使用M测速法，设定编码器主轴旋转方向为顺时针，选择模式3进行计数。系统记录了A，B双相作用下上升沿和下降沿的变化，编码器1圈的脉冲数NUM1是单相脉冲所产生脉冲数的4倍，其1秒内产生的总脉冲数为NUM2，转速值即为NUM2与NUM1的比值。

2.2.2 转速采集方案设计 本系统将采集编码器连接到单片机I/O端口上，A，B相端口分别连接单片机PF6，PF7端口，编码器的电源和接地线与附加电源相连。系统利用GPIO接口的输入捕获功能检测外部边沿变化；定时器3检测编码器正交编码模式的脉冲；定时器5每间隔0.05 s读取1次定时器3的脉冲数，并记录定时器3的溢出值和当前脉冲数。随后，系统计算总的脉冲数和转速值，并将定时器5收到的转速数据发送至RS485端口[6]，再由该端口发送至上位机，从而完成了转速信息采集。转速数据的转化流程和软件实现流程如图2所示。

马克思指出，人们的“需要即他们的本性”，“你自己的本质即你的需要”。所以说，需要是工程师恪守工程伦理，进行工程创新的动力，是他们实现全面发展的源泉。工程师从事工程活动不仅为了满足自己生活资料的需要，而且也是为了满足精神层面和社会层面的需要。基于此，在工程伦理教育中，要偏重于精神的需要，培养工程师的“普世”情怀，让他们在工程活动中心系“广大民众”，以民众的最大福祉为工程活动的出发点。让他们的心理需要和心理特征与大众融合，让他们的活动迎合社会的基本价值观念，使工程活动在满足人类需要的同时，实现工程最大的“善”，即工程与人、自然、社会的和谐共生。这才是工程伦理教育最终的归宿。

图2 转速数据的转化流程和软件实现流程图

3 LoRa通讯方案

3.1 搭建自组网结构

本系统采用了DTK中鼎泰克电子公司生产的RS485转LoRa无线模块以及透明传输+MAC地址传输方式。透明传输指发送方与接收方的数据完全一致。MAC地址具有全球唯一标识性，共有8个字节提示数据来源。

LoRa自组网中将模块分为协调器、终端与路由器3类[7]。其中，协调器汇集所有终端数据；路由器可自动充当终端与协调器的数据传输桥梁，增加协调器与终端之间的通讯距离；终端用来收集传感器数据。自组网采用星型网络拓扑结构。LoRa模块自组网数据采集系统如图3所示[8]，该布线结构的最大特点是增加了备用路由器，当某条自动路由的桥梁断开时，模块会自动寻找备用路由器作为新的路由路径，由此保障了数据传输的可靠性。

图3 LoRa模块自组网数据采集系统

3.2 LoRa模块配置

系统通过LoRa模块，设置了软件配置协调器、终端、路由器等设备参数，见表1。

表1 设备配置参数

3.3 LoRa自组网硬件连接

上位机硬件连接时，需要配置USB转RS485双向半双工串口转换器[8]，该转化器的参数和LoRa设备设置的传输参数相同。串口转换器与协调器LoRa实物连接如图4所示。激光测径仪与LoRa终端之间采用RS232接口线进行连接，其实物连接如图5所示。编码器，STM32和LoRa硬件连接实物如图6所示。

图4 LoRa协调器与上位机连接实物图

图5 激光测径仪与LoRa硬件连接实物图

图6 编码器，STM32和LoRa硬件连接实物图

4 上位机数据采集方案

4.1 MAC地址

依据生产数据信息流向和信息存储要求，上位机连接的协调器模块接收到生产设备数据后，将接收的数据按照MAC地址进行分类，完成数据进制转化后，将其存储到车间服务器。MAC地址为LoRa终端设备连接的传感器的位置信息，其中牵引转速与直径的MAC地址如表2所示。

表2 牵引转速与直径的MAC地址设计

4.2 上位机软件

系统使用Visual Studio 2019软件、基于NET Framework平台和C#语言进行了采集软件的程序开发，并利用Windows窗体应用程序中的控件加以实现。采集软件主要包括串口通讯程序、传感器信息显示程序、存储服务器程序。上位机数据处理的主要步骤如下，其流程如图7所示。

图7 上位机数据处理流程图

（2）上位机根据MAC地址码文件区分传感器；处理十六进制数据，截取8位字节MAC地址并判断数据来源；牵引电机转速与线缆直径数据经进制转化，显示于上位机界面。

（3）数据存储至SQL Server服务器。

5 系统测试

经测试，车间LoRa自组网数据采集存储系统能够完成主要工作，满足系统的设计要求。具体测试内容如下。

（1）车间LoRa组网测试。主要测试协调器与路由器、终端之间的数据传输。经过测试，模块之间均能正常组网。数据通过车间LoRa自组网系统，可准确上传至串口。

（2）MAC地址传输方式测试。主要测试协调器接收到的终端数据是否按“数据+MAC地址”格式进行传输。通过串口工具测试，协调器接收到的数据格式准确。

（3）信息采集测试。主要测试激光测径仪的自定义通讯格式数据是否正常通讯以及编码器转速采集是否按照4个字节进行传输。通过串口工具测试，可知系统发送数据准确、及时。

（4）上位机测试。主要测试上位机是否正常接收数据、转速与直径数据的显示以及存储服务器功能的实现。测试时，打开数据采集上位机软件，单击“基本设置”，完成COM端口配置，单击“打开串口”，界面如图8所示。随后，上位机软件开始数据采集，单击“停止采集”后，打开SQL Server程序查看采集到的数据，如图9所示。经过测试，可知上位机能够接收、显示数据，并将采集的数据存储到服务器。

图8 上位机测试界面

图9 SQL Server程序采集数据测试界面

6 结论

本文根据电线电缆车间信息化采集与存储需求，对数据采集存储系统整体架构、硬件连接、通讯设备选型、软件功能等方面进行了研究与设计。具体工作包括：利用单片机与传感器创建了下位机数据采集硬件系统，采用C语言设计了下位机软件程序，其实现了传感器信息数据的集中处理与整合，完成了电缆车间挤塑工艺设备的直径与牵引转速参数的采集；搭建了“加工设备采集系统—车间LoRa物联网—车间服务器”一体化物联网络架构，通过终端、协调器、路由器、LoRa通讯设备实现了传感器数据的实时传输，系统组网灵活，备用路由器的自动组网功能保证了数据可靠传输；利用Visual Studio 2019软件编写了上位机信息采集软件，通过MAC地址实现了测径仪、编码器信息的显示以及将数据存储到车间SQL Server服务器。现场测试验证了数据采集系统的准确性和高效性。

本文设计的数据采集存储系统达到了生产设备数据采集的要求，为企业车间信息化改造提供了新的思路与方案。未来可对该系统进行二次设计开发，以便于适配更多传感器的功能扩展，完成与第三方软件工具的对接，满足工业级设备更高的数据采集需求。