基于藍(lán)牙技術(shù)的車間設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

何文廣，李　偉，齊建家，孫玉芳，劉桂波

(黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

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基于藍(lán)牙技術(shù)的車間設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

何文廣，李偉，齊建家，孫玉芳，劉桂波

(黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

摘要：針對(duì)車間設(shè)備的現(xiàn)狀問(wèn)題，采用藍(lán)牙技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等進(jìn)行車間設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究。采用LabVIEW軟件進(jìn)行采集界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，采集到的數(shù)據(jù)以藍(lán)牙通訊方式進(jìn)行傳送，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車間設(shè)備部分?jǐn)?shù)據(jù)的無(wú)線監(jiān)測(cè)。該無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，易于調(diào)整，具有較好的可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙技術(shù)；車間設(shè)備；監(jiān)測(cè)；LabVIEW

目前，我國(guó)許多工廠車間的設(shè)備、數(shù)控機(jī)床主要采用有線方式實(shí)現(xiàn)信息交換。車間作為制造企業(yè)的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，擁有大量實(shí)時(shí)信息與資源。車間制造過(guò)程中信息的集中與共享，可以有效地提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、決策水平和市場(chǎng)應(yīng)變能力。因此，如何實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備監(jiān)控及信息集成是有待解決的問(wèn)題。工廠的工作環(huán)境存在高溫、震動(dòng)等情況。而藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)生與運(yùn)用對(duì)這一問(wèn)題的解決提供了新方法。本文采用藍(lán)牙技術(shù)，結(jié)合單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備信息的采集傳送，再通過(guò)計(jì)算機(jī)的虛擬儀器平臺(tái)(LabVIEW軟件)實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及后續(xù)處理分析。

1問(wèn)題的提出

“十二五”規(guī)劃提出我國(guó)由制造大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國(guó)，加強(qiáng)制造業(yè)的信息集成與自動(dòng)化發(fā)展。從美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局對(duì)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)提出工廠級(jí)、車間級(jí)、單元級(jí)、工作站級(jí)、設(shè)備級(jí)來(lái)看，車間設(shè)備的監(jiān)控對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)非常重要。在企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境中，車間擁有各種生產(chǎn)設(shè)備，可提供大量實(shí)時(shí)信息。然而，對(duì)于車間設(shè)備信息采集又有諸多的問(wèn)題，主要有以下幾方面：

1)車間擁有各種各樣的設(shè)備，所使用的控制器又不同，很難實(shí)現(xiàn)設(shè)備的統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)通訊及集中管理，企業(yè)中除了數(shù)控機(jī)床，還有一些是普通設(shè)備，而有些設(shè)備不能直接實(shí)現(xiàn)集成控制，無(wú)法與企業(yè)管理原有的信息系統(tǒng)連通。因信息的多領(lǐng)域性、信息的不確定性和信息來(lái)源的多樣性，給車間設(shè)備數(shù)字化信息集成帶來(lái)了一定的難度。

2)在現(xiàn)有的車間中實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備的布線聯(lián)網(wǎng)也較困難，尤其是搬運(yùn)設(shè)備。車間中大多數(shù)設(shè)備是固定好的，且在混凝土等地面鋪設(shè)電纜會(huì)有一定的影響，若在空中布線，會(huì)影響空中的設(shè)備，因此，采用有線方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

3)存在車間數(shù)控設(shè)備的數(shù)據(jù)處理和聯(lián)網(wǎng)功能較差，實(shí)現(xiàn)信息化所需的相應(yīng)軟件不能安裝等原因。

因此，迫切需要研究一種適合于車間網(wǎng)絡(luò)化制造的新的模式及切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)方法。因而，將藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用于生產(chǎn)車間設(shè)備與監(jiān)控系統(tǒng)之間，建立網(wǎng)絡(luò)通訊是一種較好的形式。其優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)，容易安裝，組網(wǎng)靈活，即插即用，可移動(dòng)性，空間不受限制。

2藍(lán)牙技術(shù)的組網(wǎng)原理

藍(lán)牙系統(tǒng)的連接方式分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)。在點(diǎn)到多點(diǎn)的連接方式中，多個(gè)藍(lán)牙單元共享通信信道，由此構(gòu)成微微網(wǎng)。微微網(wǎng)中的成員設(shè)備之間采用藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行通信。

藍(lán)牙微微網(wǎng)以一種基帶協(xié)議建立規(guī)則的方式形成，設(shè)備之間通過(guò)查詢方式相互通信。按照這些規(guī)則建立連接，設(shè)備之間以同等方式相互通信。

藍(lán)牙技術(shù)最基本的網(wǎng)絡(luò)組成是微微網(wǎng)(Pico net)，其上的單元之間共享一條信道，一個(gè)微微網(wǎng)必須有而且只有一個(gè)主單元(master unit)，其余為從單元(slave unit)，主單元控制微微網(wǎng)從建立到數(shù)據(jù)傳送以及到最后結(jié)束通信的整個(gè)過(guò)程，如圖1所示。

在網(wǎng)絡(luò)的控制中，藍(lán)牙技術(shù)限定了微微網(wǎng)的單元數(shù)量，同一時(shí)間一個(gè)微微網(wǎng)最多只可以有7個(gè)從單元處于活動(dòng)狀態(tài)，其余從單元處于休眠狀態(tài)。

圖1　藍(lán)牙技術(shù)微微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3車間設(shè)備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

市場(chǎng)上各種各樣的數(shù)字化產(chǎn)品使數(shù)據(jù)采集變得多樣化，易于實(shí)現(xiàn)。而車間設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的采集不但是工業(yè)控制系統(tǒng)中重要的組成部分，而且還是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程分析、處理和控制的主要信息來(lái)源。

在車間設(shè)備上有各種各樣的傳感器，采集設(shè)備需要監(jiān)測(cè)的各種信息由調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)藍(lán)牙技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)傳送到虛擬儀器平臺(tái)(LabVIEW系統(tǒng))進(jìn)一步處理，圖2所示為應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)的車間設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖2　基于藍(lán)牙技術(shù)車間設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4信息采集系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

本文采用單片機(jī)控制的采集電路，對(duì)車間設(shè)備的溫度壓力等信號(hào)進(jìn)行采集處理、實(shí)時(shí)控制。其硬件電路原理如圖3所示。

4.1單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊

由于車間設(shè)備的運(yùn)行情況復(fù)雜，為了保證分析得全面準(zhǔn)確，本系統(tǒng)的采樣頻率為100 kHz，采樣精度為8位。又因?yàn)橄到y(tǒng)要工作在車間設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)，要求設(shè)備體積相對(duì)較小、功耗低并具有很強(qiáng)的抗干擾能力，還要有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。數(shù)據(jù)采集模塊包括壓力傳感器、溫度傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，其功能是測(cè)量車間設(shè)備的各種壓力和溫度信號(hào)，并進(jìn)行解調(diào)和放大，以便數(shù)據(jù)采集。單片機(jī)控制其實(shí)現(xiàn)A/D采樣、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等功能。本文采用具有采集處理能力、有可編程和定時(shí)器等豐富功能的單片機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有對(duì)采集信息控制方式的多樣性，使其控制形式更方便靈活。

4.2藍(lán)牙通訊模塊

采用以CSR芯片為主體的USB藍(lán)牙模塊。由廣州匯承信息科技有限公司研發(fā)的HC-10型藍(lán)牙模塊，該模塊支持各種藍(lán)牙相關(guān)協(xié)議，能夠滿足本研究的需求。具有體積小、耗能低、傳輸穩(wěn)定、虛擬串口功能等優(yōu)點(diǎn)。本文所使用的藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用IVT藍(lán)牙軟件進(jìn)行藍(lán)牙通訊連接，達(dá)到微微網(wǎng)的組網(wǎng)要求，能夠同時(shí)進(jìn)行7臺(tái)設(shè)備通訊連接。在電路設(shè)計(jì)中，用穩(wěn)壓電路保證藍(lán)牙模塊工作在3.1～4.2 V，將發(fā)光二極管連接在模塊的STATE引腳上顯示藍(lán)牙模塊所處的工作狀態(tài)。再用一個(gè)六針的排針與單片機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路原理

5車間設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

在數(shù)據(jù)采集和藍(lán)牙通信中，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，單片機(jī)芯片選擇定時(shí)方式2的定時(shí)采樣模式，定時(shí)時(shí)間為100 μs。通過(guò)匯編語(yǔ)言編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)信息讀取以及數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)。其工作方式采用串行口工作方式1，波特率設(shè)為9 600 bps。藍(lán)牙通信中，通過(guò)主機(jī)控制器接口HCI層建立連接，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的藍(lán)牙異步無(wú)鏈接數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)兩個(gè)藍(lán)牙模塊鏈路建立成功后，就可以按照藍(lán)牙規(guī)范規(guī)定的HCI數(shù)據(jù)分組格式收發(fā)數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)的初始化和HCI層流控設(shè)置時(shí)，單片機(jī)作為主控芯片，向藍(lán)牙模塊發(fā)送HCI命令，用來(lái)反饋通訊執(zhí)行的結(jié)果。若反饋的信息有問(wèn)題，重新進(jìn)行藍(lán)牙模塊系統(tǒng)初始化，直到完全正確。在初始化完成之后，由Set_ Host_ Controller_ To_ Host_ Flow_ Control指令打開(kāi)藍(lán)牙模塊的流量控制，再由Host Buffer Size指令對(duì)流量控制進(jìn)行配置。由此，藍(lán)牙模塊的主設(shè)備向周圍查詢其他藍(lán)牙設(shè)備，找到之后，向其發(fā)出建立通訊連接指令，建立ACL連接成功后，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通信完成后，由命令Disconnect斷開(kāi)主設(shè)備和從設(shè)備的連接。

車間設(shè)備監(jiān)控的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　車間設(shè)備監(jiān)控的軟件結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)軟件界面采用當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的LabVIEW軟件編寫。LabVIEW采用圖形化的編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW可以與具有GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件或數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行通訊。在LabVIEW中還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。

本研究利用LabVIEW軟件編寫了車間設(shè)備藍(lán)牙無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括：密碼登錄模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、控制模塊等。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控功能的程序如圖5所示。

圖5　基于LabVIEW車間設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)程序

采用LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)所設(shè)計(jì)的車間設(shè)備的藍(lán)牙無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)車間設(shè)備進(jìn)行信息實(shí)時(shí)采集以及后續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控處理。

6結(jié)束語(yǔ)

本監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試，可在一定范圍內(nèi)用無(wú)線傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集數(shù)據(jù)時(shí)可以實(shí)時(shí)地將所采集到的數(shù)據(jù)傳送到附近的數(shù)據(jù)處理裝置中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量、監(jiān)測(cè)處理，達(dá)到了預(yù)期的要求，同時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整，具有很好的可擴(kuò)展性。今后將進(jìn)一步完善本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，擴(kuò)展傳感器模塊，采集更多的數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備各種運(yùn)行參數(shù)的全部監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間設(shè)備的故障預(yù)報(bào)警。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Research of the workshop equipment monitoring system based on Bluetooth technology

HE Wenguang, LI Wei, QI Jianjia, SUN Yufang，LIU Guibo

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050,china)

Abstract：In this paper, based on the problems in workshop equipment, the Bluetooth and computer technologies are proposed in the workshop equipment monitoring and control system research. LabVIEW software is used to design the assembly language programming design and make real-time data acquisition monitoring by Bluetooth communication in order to realize the wireless monitoring of workshop equipment data.The monitoring system is simple and easy to adjust, which has a good scalability.

Key words：Bluetooth technology; workshop equipment; monitoring; LabVIEW

作者簡(jiǎn)介：何文廣(1971-)，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：傳感器信號(hào)處理;單片機(jī)控制.

中圖分類號(hào)：TD659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-4679(2016)01-0030-05

基金項(xiàng)目：哈爾濱市科技局科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2013RFXXJ053)

收稿日期：2015-09-10