何文廣，李　偉，齊建家，孫玉芳，劉桂波

(黑龍江工程學院 機電工程學院,黑龍江 哈爾濱 150050)

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基于藍牙技術(shù)的車間設備監(jiān)測系統(tǒng)研究

何文廣，李偉，齊建家，孫玉芳，劉桂波

(黑龍江工程學院 機電工程學院,黑龍江 哈爾濱 150050)

摘要：針對車間設備的現(xiàn)狀問題，采用藍牙技術(shù)、計算機技術(shù)等進行車間設備監(jiān)控系統(tǒng)的研究。采用LabVIEW軟件進行采集界面設計，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，采集到的數(shù)據(jù)以藍牙通訊方式進行傳送，從而實現(xiàn)對車間設備部分數(shù)據(jù)的無線監(jiān)測。該無線監(jiān)測系統(tǒng)易于實現(xiàn)，易于調(diào)整，具有較好的可擴展性。

關(guān)鍵詞：藍牙技術(shù)；車間設備；監(jiān)測；LabVIEW

目前，我國許多工廠車間的設備、數(shù)控機床主要采用有線方式實現(xiàn)信息交換。車間作為制造企業(yè)的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，擁有大量實時信息與資源。車間制造過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、決策水平和市場應變能力。因此，如何實現(xiàn)車間設備監(jiān)控及信息集成是有待解決的問題。工廠的工作環(huán)境存在高溫、震動等情況。而藍牙技術(shù)的產(chǎn)生與運用對這一問題的解決提供了新方法。本文采用藍牙技術(shù)，結(jié)合單片機控制實現(xiàn)車間設備信息的采集傳送，再通過計算機的虛擬儀器平臺(LabVIEW軟件)實現(xiàn)車間設備的數(shù)據(jù)監(jiān)測及后續(xù)處理分析。

1問題的提出

“十二五”規(guī)劃提出我國由制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆妵?，加強制造業(yè)的信息集成與自動化發(fā)展。從美國國家標準局對計算機集成制造系統(tǒng)提出工廠級、車間級、單元級、工作站級、設備級來看，車間設備的監(jiān)控對于生產(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)設備，可提供大量實時信息。然而，對于車間設備信息采集又有諸多的問題，主要有以下幾方面：

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

2)在現(xiàn)有的車間中實現(xiàn)車間設備的布線聯(lián)網(wǎng)也較困難，尤其是搬運設備。車間中大多數(shù)設備是固定好的，且在混凝土等地面鋪設電纜會有一定的影響，若在空中布線，會影響空中的設備，因此，采用有線方式費時費力。

3)存在車間數(shù)控設備的數(shù)據(jù)處理和聯(lián)網(wǎng)功能較差，實現(xiàn)信息化所需的相應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)絡化制造的新的模式及切實可行的實現(xiàn)方法。因而，將藍牙技術(shù)的無線局域網(wǎng)應用于生產(chǎn)車間設備與監(jiān)控系統(tǒng)之間，建立網(wǎng)絡通訊是一種較好的形式。其優(yōu)點是功能強，容易安裝，組網(wǎng)靈活，即插即用，可移動性，空間不受限制。

2藍牙技術(shù)的組網(wǎng)原理

藍牙系統(tǒng)的連接方式分為點對點和點到多點。在點到多點的連接方式中，多個藍牙單元共享通信信道，由此構(gòu)成微微網(wǎng)。微微網(wǎng)中的成員設備之間采用藍牙無線通信技術(shù)進行通信。

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

藍牙技術(shù)最基本的網(wǎng)絡組成是微微網(wǎng)(Pico net)，其上的單元之間共享一條信道，一個微微網(wǎng)必須有而且只有一個主單元(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)束通信的整個過程，如圖1所示。

在網(wǎng)絡的控制中，藍牙技術(shù)限定了微微網(wǎng)的單元數(shù)量，同一時間一個微微網(wǎng)最多只可以有7個從單元處于活動狀態(tài)，其余從單元處于休眠狀態(tài)。

圖1　藍牙技術(shù)微微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3車間設備的監(jiān)測系統(tǒng)

市場上各種各樣的數(shù)字化產(chǎn)品使數(shù)據(jù)采集變得多樣化，易于實現(xiàn)。而車間設備實時數(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)進行生產(chǎn)過程分析、處理和控制的主要信息來源。

在車間設備上有各種各樣的傳感器，采集設備需要監(jiān)測的各種信息由調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)藍牙技術(shù)組成的網(wǎng)絡傳送到虛擬儀器平臺(LabVIEW系統(tǒng))進一步處理，圖2所示為應用藍牙技術(shù)的車間設備監(jiān)測系統(tǒng)。

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

4信息采集系統(tǒng)的電路設計

本文采用單片機控制的采集電路，對車間設備的溫度壓力等信號進行采集處理、實時控制。其硬件電路原理如圖3所示。

4.1單片機數(shù)據(jù)采集模塊

由于車間設備的運行情況復雜，為了保證分析得全面準確，本系統(tǒng)的采樣頻率為100 kHz，采樣精度為8位。又因為系統(tǒng)要工作在車間設備的現(xiàn)場，要求設備體積相對較小、功耗低并具有很強的抗干擾能力，還要有較強的數(shù)據(jù)處理能力。數(shù)據(jù)采集模塊包括壓力傳感器、溫度傳感器和信號調(diào)理電路，其功能是測量車間設備的各種壓力和溫度信號，并進行解調(diào)和放大，以便數(shù)據(jù)采集。單片機控制其實現(xiàn)A/D采樣、數(shù)據(jù)處理和存儲等功能。本文采用具有采集處理能力、有可編程和定時器等豐富功能的單片機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有對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藍牙通訊模塊

采用以CSR芯片為主體的USB藍牙模塊。由廣州匯承信息科技有限公司研發(fā)的HC-10型藍牙模塊，該模塊支持各種藍牙相關(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。本文所使用的藍牙技術(shù)應用IVT藍牙軟件進行藍牙通訊連接，達到微微網(wǎng)的組網(wǎng)要求，能夠同時進行7臺設備通訊連接。在電路設計中，用穩(wěn)壓電路保證藍牙模塊工作在3.1～4.2 V，將發(fā)光二極管連接在模塊的STATE引腳上顯示藍牙模塊所處的工作狀態(tài)。再用一個六針的排針與單片機連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路原理

5車間設備監(jiān)控系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

在數(shù)據(jù)采集和藍牙通信中，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的實時性，單片機芯片選擇定時方式2的定時采樣模式，定時時間為100 μs。通過匯編語言編寫程序來實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)信息讀取以及數(shù)據(jù)信息的存儲。其工作方式采用串行口工作方式1，波特率設為9 600 bps。藍牙通信中，通過主機控制器接口HCI層建立連接，實現(xiàn)點對點的藍牙異步無鏈接數(shù)據(jù)傳輸。當兩個藍牙模塊鏈路建立成功后，就可以按照藍牙規(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層流控設置時，單片機作為主控芯片，向藍牙模塊發(fā)送HCI命令，用來反饋通訊執(zhí)行的結(jié)果。若反饋的信息有問題，重新進行藍牙模塊系統(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指令打開藍牙模塊的流量控制，再由Host Buffer Size指令對流量控制進行配置。由此，藍牙模塊的主設備向周圍查詢其他藍牙設備，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，進行數(shù)據(jù)通信。通信完成后，由命令Disconnect斷開主設備和從設備的連接。

車間設備監(jiān)控的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　車間設備監(jiān)控的軟件結(jié)構(gòu)

監(jiān)測軟件界面采用當前應用較為廣泛的LabVIEW軟件編寫。LabVIEW采用圖形化的編程語言進行編程，被視為一個標準的數(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)采集卡進行通訊。在LabVIEW中還內(nèi)置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)。

本研究利用LabVIEW軟件編寫了車間設備藍牙無線監(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)存儲模塊、報警模塊、控制模塊等。實現(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車間設備監(jiān)控系統(tǒng)程序

采用LabVIEW虛擬儀器平臺所設計的車間設備的藍牙無線監(jiān)控系統(tǒng)可對車間設備進行信息實時采集以及后續(xù)的實時監(jiān)控處理。

6結(jié)束語

本監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)測試，可在一定范圍內(nèi)用無線傳輸進行數(shù)據(jù)采集。采集數(shù)據(jù)時可以實時地將所采集到的數(shù)據(jù)傳送到附近的數(shù)據(jù)處理裝置中，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)測量、監(jiān)測處理，達到了預期的要求，同時電路結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，具有很好的可擴展性。今后將進一步完善本監(jiān)測系統(tǒng)，擴展傳感器模塊，采集更多的數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)車間設備各種運行參數(shù)的全部監(jiān)控，實現(xiàn)對車間設備的故障預報警。

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[責任編輯：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

作者簡介：何文廣(1971-)，男，高級實驗師，研究方向：傳感器信號處理;單片機控制.

中圖分類號：TD659

文獻標識碼：A

文章編號：1671-4679(2016)01-0030-05

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

收稿日期：2015-09-10