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,，用以開發(fā)Android的APP 應(yīng)用程序,。

4.2 Linux驅(qū)動(dòng)層開發(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,、CAN控制器這類定制外設(shè)需要自己編寫相關(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,，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）