0 引言

    智能制造是全球制造業(yè)變革的重要方向，近年發(fā)展迅速，目前美國(guó)、德國(guó)、日本等工業(yè)強(qiáng)國(guó)走在世界前列。我國(guó)正在加快步伐，深入實(shí)施《中國(guó)制造2025》^[1]，推進(jìn)信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合。為搶占市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)組織開(kāi)始著手智能制造平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研發(fā)。美國(guó)通用動(dòng)力為軍工企業(yè)研制了基于RFID射頻技術(shù)的“生產(chǎn)物料管理系統(tǒng)”；浙江大學(xué)研制了集RFID數(shù)據(jù)、數(shù)控機(jī)床運(yùn)行參數(shù)、質(zhì)檢臺(tái)數(shù)據(jù)等在內(nèi)的“離散制造車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”；上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)了基于條形碼技術(shù)的“信息采集系統(tǒng)”；武漢科技大學(xué)搭建了基于RFID和ZigBee技術(shù)的“MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”^[2]。

    當(dāng)前車間自動(dòng)化、信息化的主要研究集中在車床數(shù)據(jù)的采集和單臺(tái)設(shè)備的管理，存在數(shù)據(jù)分散、人機(jī)界面不友好、與生產(chǎn)業(yè)務(wù)結(jié)合度差等問(wèn)題。部分系統(tǒng)中采用了基于Android平板的車間現(xiàn)場(chǎng)終端，但存在普適性差、硬件定制性差、機(jī)床聯(lián)網(wǎng)考慮不足的問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并研制了基于ARM Cortex-A9的車間生產(chǎn)過(guò)程跟蹤與管控終端，提供各種通信總線接口，搭載Android系統(tǒng)，能夠提供生產(chǎn)過(guò)程信息感知、機(jī)床設(shè)備接入、友好用戶交互界面、實(shí)時(shí)在線管理等服務(wù)，滿足對(duì)車間生產(chǎn)過(guò)程跟蹤、協(xié)調(diào)及管控的需要。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)整體框架如圖1所示，包括車間終端、移動(dòng)端、PC端、服務(wù)器等。選用工業(yè)以太網(wǎng)與WiFi網(wǎng)絡(luò)作為車間現(xiàn)場(chǎng)主干網(wǎng)絡(luò)^[3]，車間終端集成了生產(chǎn)業(yè)務(wù)，并預(yù)留了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用標(biāo)準(zhǔn)通信接口，能夠兼容各類生產(chǎn)設(shè)備，采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與設(shè)備參數(shù)，與此同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)ZigBee、藍(lán)牙等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接；PC端與移動(dòng)端主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的維護(hù)、生產(chǎn)過(guò)程的管理、人員管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表的生成等；服務(wù)器實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)等各類信息的存儲(chǔ)、管理、推送、應(yīng)用。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)包括PC端、服務(wù)器、移動(dòng)端與車間終端，總體功能包括：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、生產(chǎn)模塊、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、考勤功能、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、權(quán)限安全，如圖2所示。

3 車間終端硬件設(shè)計(jì)

    車間終端由主處理器、電源管理模塊、WiFi模塊、以太網(wǎng)模塊、藍(lán)牙模塊、RFID模塊、通信接口及相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成^[4-6]。車間終端的硬件框架如圖3所示。車間終端主處理器模塊選用Samsung公司的Exynos 4412芯片，終端擴(kuò)展了內(nèi)存與固態(tài)存儲(chǔ)以提高整體的性能，同時(shí)，擴(kuò)展通信接口、采集生產(chǎn)信息與設(shè)備參數(shù)并通過(guò)以太網(wǎng)與WiFi網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器；觸摸屏、LCD與矩陣鍵盤(pán)可供現(xiàn)場(chǎng)工作人員查看生產(chǎn)、設(shè)備等信息并進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)操作；通過(guò)RFID射頻模塊實(shí)現(xiàn)讀卡鑒權(quán)功能。

3.1 主處理模塊

    主處理器采用Samsung的Exynos 4412作為主處理芯片，4個(gè)Cortex-A9的內(nèi)核，主頻為1.6 GHz，可用管腳有320個(gè)，具有9路DC/DC和28路LDO輸出電源，擴(kuò)展2 GB雙通道DDR3內(nèi)存，16 GB EMC固態(tài)存儲(chǔ)，具備SPI、USB、I²C、RS485、RS232、DMA等接口，穩(wěn)定性強(qiáng)，可靠性高，能適用于對(duì)接口、性能、處理能力、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求較高的車間現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景^[7]。

3.2 電源管理模塊

    車間終端電源管理部分采用MP2012DQ芯片，輸入電壓范圍為2.7 V～6 V，輸出可調(diào)電壓范圍在0.8 V～4.8 V，最大關(guān)機(jī)電流為1 μA，該電源芯片的效率高達(dá)95%，100%占空比的低壓差應(yīng)用，1.2 MHz固定開(kāi)關(guān)頻率，穩(wěn)定的低ESR陶瓷輸出電容器，支持熱關(guān)機(jī)、逐周期過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)等。適用于嵌入式智能終端設(shè)備。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

3.3 RFID模塊

    通過(guò)RFID射頻模塊實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)過(guò)程跟蹤與管控系統(tǒng)中的鑒權(quán)機(jī)制，RFID射頻模塊采用RC522芯片^[8]。該芯片是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度的讀寫(xiě)卡芯片，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，支持14443A兼容應(yīng)答器信號(hào)，數(shù)字部分支持ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)；此外，還支持快速CRYPTO1加密算法，它與主機(jī)間通信采用SPI模式，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)424 kb/s，數(shù)據(jù)傳輸速率最大10 Mb/s；該芯片的工作電流13 mA～26 mA/直流3.3 V，支持mifare1 S50、mifare1 S70、mifare UltraLight、mifare Pro、mifare Desfire等類型的射頻卡；具有低電壓、低成本、體積小的優(yōu)勢(shì)。射頻卡模塊的電路如圖5所示。

3.4 通信接口

    車間終端預(yù)留了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的通信接口，支持CAN總線、RS485、RS232、USB等接口。豐富的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信接口便于實(shí)現(xiàn)與車間機(jī)床、設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，增強(qiáng)了車間終端的兼容性與擴(kuò)展性。RS485通信采用的芯片為MAX13085EESA，該款芯片支持RS422與RS485通信協(xié)議，工作電壓為4.5 V～5.5 V，具有1個(gè)驅(qū)動(dòng)器與1個(gè)接收器，數(shù)據(jù)速率高，全雙工的工作方式^[9，10]。圖6所示為RS485接口電路圖。

3.5 以太網(wǎng)/藍(lán)牙/WiFi

    車間終端支持以太網(wǎng)、藍(lán)牙、WiFi等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，并為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的ZigBee、3G/4G等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)預(yù)留了接入接口。以太網(wǎng)模塊采用的芯片為DM9621NP芯片，該芯片支持IEEE802.3u 100BASE-TX和IEEE802.310Base-T標(biāo)準(zhǔn)，支持IEEE802.3x流量控制功能的100BASE-TX和10BaseT，支持以太網(wǎng)Link/Act指示，支持以太網(wǎng)速度（10 M/100 M）指示，內(nèi)置3.3 V～1.8 V穩(wěn)壓器，10個(gè)10/100 Mb/s快速以太網(wǎng)PHY自動(dòng)MDIX，兼容5.0 V寬容的I/O。

    藍(lán)牙與WiFi通信部分采用MT6620芯片，該款芯片同時(shí)支持WiFi通信與藍(lán)牙通信功能。MT6620為WiFi/藍(lán)牙調(diào)頻發(fā)射接收功能組合模塊，具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能，支持WiFi 802.11b/g/協(xié)議，支持WiFi SDIO2模式^[11-12]。

4 車間終端軟件設(shè)計(jì)

    車間終端軟件首先進(jìn)行Linux系統(tǒng)及Android系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建，根據(jù)車間生產(chǎn)和業(yè)務(wù)需求完成底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)、移植及Android應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)^[13-14]。在以太網(wǎng)、WiFi等網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)訂單、設(shè)備、人員、生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)跟蹤與管控。圖7為車間終端軟件部分功能界面效果圖。

4.1 Android系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建

    車間終端軟件系統(tǒng)采用Android操作系統(tǒng)，通過(guò)Linux操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面、應(yīng)用軟件等模塊構(gòu)成其操作平臺(tái)。Android系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，按照從上到下的順序分別為：應(yīng)用程序(Application)、應(yīng)用程序框架(Application Framework)、程序庫(kù)(Libraries)、Android 運(yùn)行環(huán)境(Android Runtime)、Linux核心層(Linux Kernel)。車間終端運(yùn)行的Android操作系統(tǒng)以Linux2.6.30版本的內(nèi)核作為核心，并搭配了函數(shù)程序庫(kù)、運(yùn)行環(huán)境以及應(yīng)用程序框架，用以開(kāi)發(fā)Android的APP 應(yīng)用程序。

4.2 Linux驅(qū)動(dòng)層開(kāi)發(fā)

    要實(shí)現(xiàn)Android上層應(yīng)用對(duì)底層顯示、通信接口、總線接口、輸入接口等設(shè)備的訪問(wèn)，首先需要完成Linux底層驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)與移植。驅(qū)動(dòng)程序中首先需要定義設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序類型，然后編寫(xiě)初始化函數(shù)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)核中的注冊(cè)和相關(guān)硬件資源的申請(qǐng)，定義相關(guān)的硬件接口操作方法，實(shí)現(xiàn)文件操作方法，為應(yīng)用層訪問(wèn)硬件層提供統(tǒng)一的文件操作接口。對(duì)于LCD、WiFi、以太網(wǎng)卡這類通用設(shè)備，開(kāi)發(fā)商和Linux內(nèi)核中提供了驅(qū)動(dòng)源碼及總線接口，需要完成驅(qū)動(dòng)程序的移植和配置工作；對(duì)于RC522、觸摸屏、矩陣鍵盤(pán)、CAN控制器這類定制外設(shè)需要自己編寫(xiě)相關(guān)的硬件初始化操作方法，接入相應(yīng)總線，并設(shè)計(jì)文件訪問(wèn)接口，完成驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)工作。為了更好地滿足車間終端特殊操作、管控體系、權(quán)限控制的需要，在Linux驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)中，對(duì)Linux及Android驅(qū)動(dòng)層的Input子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，提高了Android應(yīng)用對(duì)Input設(shè)備的管理權(quán)限，實(shí)現(xiàn)了Input子系統(tǒng)的跨層傳遞機(jī)制，如圖8所示。

4.3 JSON通信機(jī)制

    系統(tǒng)軟件的通信方式為JSON(JavaScript Object Notation)。JSON是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式，易于閱讀和編寫(xiě)，同時(shí)也易于機(jī)器解析和生成。它提供了一種優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮姆椒?，以便將元?shù)據(jù)緩存到客戶機(jī)上，幫助分離驗(yàn)證數(shù)據(jù)和邏輯，使用JavaScript解析XML時(shí)需要層層解析，不能快捷獲取計(jì)算所要使用的數(shù)據(jù)，而JSON能被很好地解析。系統(tǒng)在進(jìn)行通信設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的JSON格式進(jìn)行了優(yōu)化，數(shù)據(jù)量減少了一半。

5 結(jié)論

    系統(tǒng)完成了車間生產(chǎn)過(guò)程跟蹤與管控終端的設(shè)計(jì)與研制，配合移動(dòng)端、PC端、服務(wù)器的開(kāi)發(fā)，完成了生產(chǎn)車間的訂單、設(shè)備、人員、質(zhì)量的跟蹤與管控。車間終端實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量等數(shù)據(jù)的采集，生產(chǎn)相關(guān)信息的實(shí)時(shí)上傳與下達(dá)，生產(chǎn)過(guò)程信息的統(tǒng)計(jì)與分析。具有高實(shí)時(shí)性、在線管控、人機(jī)界面友好、生產(chǎn)業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)、交互性強(qiáng)、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)下一步將研究如何根據(jù)采集的生產(chǎn)、設(shè)備等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程、減人增效，提高設(shè)備的利用率，從而提升車間生產(chǎn)過(guò)程的智能化與信息化水平。

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作者信息:

毛亞青1，張  立1，黃  凱2，俞  嘯1

（1.徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息學(xué)院，江蘇 徐州221000；2.江蘇徐工信息技術(shù)股份有限公司，江蘇 徐州221000）