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,、德國、日本等工業(yè)強(qiáng)國走在世界前列,。我國正在加快步伐,，深入實(shí)施《中國制造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,，國內(nèi)外的相關(guān)組織開始著手智能制造平臺的設(shè)計(jì)與研發(fā)。美國通用動力為軍工企業(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)前車間自動化、信息化的主要研究集中在車床數(shù)據(jù)的采集和單臺設(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)合度差等問題,。部分系統(tǒng)中采用了基于Android平板的車間現(xiàn)場終端,，但存在普適性差、硬件定制性差,、機(jī)床聯(lián)網(wǎng)考慮不足的問題,。為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)并研制了基于ARM Cortex-A9的車間生產(chǎn)過程跟蹤與管控終端,，提供各種通信總線接口,，搭載Android系統(tǒng)，能夠提供生產(chǎn)過程信息感知,、機(jī)床設(shè)備接入,、友好用戶交互界面、實(shí)時在線管理等服務(wù),，滿足對車間生產(chǎn)過程跟蹤,、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)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)與設(shè)備參數(shù),，與此同時，還能實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場ZigBee,、藍(lán)牙等無線網(wǎng)絡(luò)的對接,；PC端與移動端主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的維護(hù)、生產(chǎn)過程的管理,、人員管理,、生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表的生成等；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,、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)存儲以提高整體的性能,，同時,，擴(kuò)展通信接口、采集生產(chǎn)信息與設(shè)備參數(shù)并通過以太網(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Cortex-A9的內(nèi)核,，主頻為1.6 GHz,，可用管腳有320個，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，具備SPI,、USB,、I²C,、RS485、RS232,、DMA等接口,，穩(wěn)定性強(qiáng)，可靠性高,，能適用于對接口,、性能、處理能力,、穩(wěn)定性,、數(shù)據(jù)存儲要求較高的車間現(xiàn)場應(yīng)用場景^[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)動電路如圖4所示,。

3.3 RFID模塊

    通過RFID射頻模塊實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)過程跟蹤與管控系統(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下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議,，支持14443A兼容應(yīng)答器信號,，數(shù)字部分支持ISO14443A幀和錯誤檢測,；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。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個驅(qū)動器與1個接收器,，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)場的ZigBee、3G/4G等無線網(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10/100 Mb/s快速以太網(wǎng)PHY自動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)對生產(chǎn)訂單,、設(shè)備、人員,、生產(chǎn)過程的實(shí)時跟蹤與管控,。圖7為車間終端軟件部分功能界面效果圖。

4.1 Android系統(tǒng)平臺構(gòu)建

    車間終端軟件系統(tǒng)采用Android操作系統(tǒng),，通過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,。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(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,、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)動層開發(fā)

    要實(shí)現(xiàn)Android上層應(yīng)用對底層顯示,、通信接口,、總線接口、輸入接口等設(shè)備的訪問,，首先需要完成Linux底層驅(qū)動程序的開發(fā)與移植,。驅(qū)動程序中首先需要定義設(shè)備驅(qū)動程序類型，然后編寫初始化函數(shù),，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動程序在內(nèi)核中的注冊和相關(guān)硬件資源的申請,，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)用層訪問硬件層提供統(tǒng)一的文件操作接口。對于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)動源碼及總線接口，需要完成驅(qū)動程序的移植和配置工作,；對于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)文件訪問接口,，完成驅(qū)動程序的開發(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)動層設(shè)計(jì)中，對Linux及Android驅(qū)動層的Input子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,，提高了Android應(yīng)用對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是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，易于閱讀和編寫,，同時也易于機(jī)器解析和生成,。它提供了一種優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮姆椒ǎ员銓⒃獢?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)時對標(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)過程跟蹤與管控終端的設(shè)計(jì)與研制,，配合移動端、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)時上傳與下達(dá)，生產(chǎn)過程信息的統(tǒng)計(jì)與分析,。具有高實(shí)時性,、在線管控、人機(jī)界面友好,、生產(chǎn)業(yè)務(wù)聯(lián)動,、交互性強(qiáng)、適用范圍廣等優(yōu)勢,，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）