洪英漢　余梓民　羅海城　林浩岳

【摘 要】針對傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人在工作過程中缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)測，難以掌控工作狀態(tài)等特點(diǎn)，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程故障監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)首先利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和整理，利用云服務(wù)使得系統(tǒng)支持PC端和移動(dòng)端同步監(jiān)測數(shù)據(jù)，最后對積累下來的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對異常狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。通過該系統(tǒng)的研究，能夠提高工業(yè)機(jī)器人的工作質(zhì)量，減少設(shè)備維護(hù)成本，對推進(jìn)數(shù)字化工廠有著重要的意義。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；工業(yè)機(jī)器人；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號： TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0065-002

Remote Fault Monitoring and Early Warning System for Industrial Robots

HONG Ying-han YU Zi-min LUO Hai-cheng LIN Hao-yue

（Hanshan Teachers College，Chaozhou Guangdong 521041，China）

【Abstract】In view of the lack of real-time monitoring of traditional industrial robots in the process of work，it is difficult to control the working conditions and other characteristics，this paper presents the Internet-based industrial robot remote fault monitoring and early warning system.The system uses the Internet of Things technology to collect and collate the working state data of the industrial robots.The cloud service makes the system support the synchronous monitoring data between the PC and the mobile side.Finally，the historical data is analyzed and the early warning is carried out in time.Through the system of research，can improve the quality of industrial robots work，reduce equipment maintenance costs，to promote the digital factory has important significance.

【Key words】Internet of things；Industrial robots；Data acquisition；Data analysis

1 基于物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)機(jī)器人故障監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的意義

1.1 研究意義

從第二次工業(yè)革命開始，人類進(jìn)入了“電氣時(shí)代”，發(fā)展到現(xiàn)在，人類生產(chǎn)生活中大部分的負(fù)擔(dān)大條件惡劣的工作已經(jīng)基本都交給了電子機(jī)械等設(shè)備來完成。電子機(jī)械設(shè)備憑借其對復(fù)雜環(huán)境的耐受能力，能夠完成很多人類完成不了的工作。在當(dāng)今工業(yè)化的時(shí)代，工業(yè)機(jī)器人的高效安全工作對生產(chǎn)和生活都有著非常重要的意義。因此，準(zhǔn)確采集工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，提高工業(yè)機(jī)器人的工作質(zhì)量，才能達(dá)到對工業(yè)機(jī)器人的的安全性能提出來的越來越高的要求。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測預(yù)警的優(yōu)勢

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的概念：物品通過各種傳感器設(shè)備，實(shí)時(shí)采集各種需要的信息和數(shù)據(jù)，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制。本文介紹的系統(tǒng)配合多種傳感器，將工業(yè)機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù)采集并發(fā)送到云端服務(wù)器；并且在手機(jī)端和電腦端均能通過配套開發(fā)的軟件從云端服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取所需數(shù)據(jù)，同時(shí)能結(jié)合實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)結(jié)果做出故障預(yù)警分析，對工業(yè)機(jī)器人做出相應(yīng)的控制調(diào)整，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中應(yīng)用這一系統(tǒng)，可采集參數(shù)、監(jiān)視和記錄生產(chǎn)現(xiàn)場，為安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、以及降低成本和減少損失提供信息和手段。

2 故障監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的搭建

2.1 核心技術(shù)

2.1.1 系統(tǒng)框架

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2.1.2 TCP/IP協(xié)議棧

TCP/IP協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議、Internet國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，由網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成。TCP/IP 定義了電子設(shè)備如何連入因特網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。協(xié)議采用了4層的層級結(jié)構(gòu)，每一層都呼叫它的下一層所提供的協(xié)議來完成自己的需求。本文介紹的系統(tǒng)就是以TCP/IP協(xié)議作為通訊核心。

2.1.3 核心控制板

本文介紹的系統(tǒng)的核心控制板采用了以STM32F407VET6為核心運(yùn)算CPU的兼有基本最小系統(tǒng)電路的電路模塊，STM32F407VET6擁有內(nèi)置的32位基ARM核心，低功耗，運(yùn)算速度快。帶512K字節(jié)閃存的微控制器，具有較大的閃存存儲器、RAM空間和更多的片上外設(shè)，如硬件PWM、SPI、SDIO、FSMC、I2C和DAC等。選用此CPU芯片更易于與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和處理，可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量的各種傳感。

2.2 服務(wù)器搭建方案

運(yùn)用了目前最流行的Web開源服務(wù)器——Apache服務(wù)器，可以運(yùn)行在不同的操作系統(tǒng)上，具有快速，穩(wěn)定，安全，可靠等特點(diǎn)。與之相結(jié)合的免費(fèi)小型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，再加上PHP服務(wù)器端腳本語言。Apache+PHP+MySQL三者強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手具有免費(fèi)獲取，支持不同的操作系統(tǒng)，可移植性好，因此，它們的組合是最佳的搭配方案。endprint

2.3 數(shù)據(jù)采集流程

由于核心控制板有著良好的處理性能和方便調(diào)用的通訊協(xié)議，本系統(tǒng)應(yīng)用了4中傳感器與其進(jìn)行通訊，其中四種傳感器分別為：

1）溫濕度傳感器，用于采集系統(tǒng)周圍的溫濕度；

2）壓力傳感器，用于采集系統(tǒng)特定位置所收到的壓力；

3）電流傳感器，用于檢測系統(tǒng)的工作電流大??；

4）九軸傳感器，用于反饋系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)加速度及其軌跡；

以上傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過WiFi通訊模塊發(fā)送到服務(wù)器。

2.4 數(shù)據(jù)交互流程

2.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)得合理、嚴(yán)密，是數(shù)據(jù)交互的關(guān)鍵。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫后臺設(shè)計(jì)如下：

數(shù)據(jù)庫1：user_union

2.6 程序?qū)崿F(xiàn)

在核心控制板STM32中，為了合理配合各個(gè)傳感器，必須嚴(yán)格遵各個(gè)守傳感器的通訊協(xié)議，這樣才能保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集傳輸。這里以溫濕度傳感器為例：

本系統(tǒng)采用的溫濕度傳感器型號為DHT22，DHT22采用簡化的單總線通信協(xié)議。單總線表示主從機(jī)之間交互數(shù)據(jù)只通過一根線進(jìn)行傳輸，有MCU通過漏極開路或三態(tài)端口連接該數(shù)據(jù)線，以此達(dá)到釋放總線的目的，方便其他設(shè)備使用總線。通常情況下，單總線通過一個(gè)上拉電阻來達(dá)到總線空閑時(shí)保持高電平的目的。雙方通過單總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測工業(yè)機(jī)器人的工作狀態(tài)，用戶可以通過PC、手機(jī)和網(wǎng)頁端進(jìn)行對工業(yè)機(jī)器人的一系列操作，滿足不同用戶的各式各樣需求。

1）PC端上位機(jī)：采用C#來構(gòu)建PC操作平臺，部分界面功能如圖2。

2）手機(jī)app：采用JAVA構(gòu)建安卓手機(jī)應(yīng)用，部分功能如圖3。

3）PHP后臺管理：采用PHP構(gòu)建后臺頁面，部分功能如圖4。

3 總結(jié)

本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程故障監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)是為了解決眾多工廠在管理工業(yè)機(jī)器人正常運(yùn)行、安全工作生產(chǎn)和數(shù)據(jù)采集分析等諸多問題。不僅實(shí)時(shí)監(jiān)測工業(yè)機(jī)器人的工作數(shù)據(jù)，通過pc端程序、手機(jī)app和網(wǎng)頁后臺三個(gè)終端進(jìn)行展示和管理，確實(shí)為工廠安全、有效率地運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人作業(yè)提供了良好的方案。在研究開發(fā)過程驗(yàn)證了方案可行性的同時(shí)也存在著不足，即數(shù)據(jù)交互一多，加載速度就變慢，在今后的研究中，我們將對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互問題做進(jìn)一步的優(yōu)化。

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