0 引言
當前制造企業生產過程執行管理系統(Manufacturing Exe．cution svstem，簡稱MES)已開始大量的應用，但對于底層基礎數據的采集，因受到生產現場條件限制，一直還是一個比較難解決的問題。為此，本文主要針對信息監控網絡和節點進行分析和設計，完善底層ZigBee數據采集。
在實際的生產中，大部分生產企業為離散型制造方式，生產的產品種類多、工序多，甚至在同一廠區內作業場地分散，大量生產過程信息難以記錄。對數據的實時收集，以及生產質量的監控，生產進度的管控造成較大困難。對于離散型生產過程的數據的采集問題，已有一些相關的研究。其主要使用的技術為RFID技術，即在每個產品上貼有源或無源標簽，通過標簽閱讀器讀取標簽信息，從而獲得生產狀態信息。與條碼信息相比，缺點就是標簽成本過高。同時對于信息量較大的采集和傳輸，顯然也不太適合，如視頻或圖片信息采集傳輸等。
針對離散型生產過程中的信息分散的特點。對于信息監控，適合選擇無線網絡方式對數據進行采集。在目前無線技術中，應用較多的無線方式為：無線WIFI網、RFID網、無線ZigBee網絡、藍牙、紅外等。其中無線WIFI和ZigBee網絡應用較多。
無線WIFI組網技術是目前在短距離通信，大流量數據的傳際應用中具有較明顯的通信傳輸速度優勢，但功耗較大，使用時間短，在作為移動終端網絡中應用受到一定的限制，靈活性有所降低。而利用ZigBee無線模塊組成無線傳感器網絡，可實現大規模組網，且節點具備自動組網功能。ZigBee是基IEEE802．15．4發展而來的，其特點為：(1)低功耗；(2)節點擴充能力強。ZigBee協議在2．4GHz頻段中。適用于通信數據量小、數據傳輸速率較低以及分布范圍較小，成本低的場合。
綜合上述分析，本文通過分析生產過程中需要監控的信息，設計兩種網絡進行生產過程信息采集，對于高速大流量信息的采集使用WIFI網絡，對于低速分散信息的采集使用ZigBee無線模塊網絡。并基于ZigBee數傳模塊，設計監控節點硬件。
最后在電纜連接器產品生產中進行了組網測試。
1 監控系統網絡
1．1監控系統網絡和功能描述在MES系統中，需要對各項生產要素信息進行采集，這樣才能做到MES系統中的信息準確和實時性。如前所分析，在離散生產過程信息監控系統中設計兩種無線網絡：無線WIFI網絡(見圖1)和無線ZigBee數傳網絡(見圖2)。如圖1所示，無線WIFI網可進行高速批量的生產過程信息數據的采集。組網由無線終端，無線AP和無線路由及以太網構成。
圖1 無線WIFI網絡圖
而在ZigBee模塊組網中，對設備對象定義了三種，分別為協調器(Coordinator)，路由器(Router)以及終端設備(End Device)。組網方式分為三種拓撲結構，分別為星型結構(Star)，簇樹結構(Cluster Tree)，網狀結構(MESH)閣。在實際的生產環節中，生產過程信息監控節點，均具備執行路由和終端設備功能。其網絡組成可以采用網狀結構方式，采用這種結構能擴大網絡范圍，在實際應用中相比星型結構和簇樹結構，網狀結構更靈活。網狀結構通過自組織和路由的功能，提供多條通訊路徑。有效減少信息傳輸時延，提高數據通訊網的可靠性。考慮整個網絡傳輸速度，最高為250Kbps，為了提高數據的傳輸效率，在協調節點與計算機通訊之間采用CAN總線通訊方式。
CAN總線在短距離(小于40m)傳輸通信速率可為lMbps，相比RS232通訊效率較高。因此在本設計中組網結構如圖2所示。
圖2 信息傳輸zlgBee網絡圖
1．2監控網絡節點功能分析
生產過程中的監控信息主要為生產要素(人、機、料、法、環)的實時信息。對人的信息分析為：人員的工作狀態、工位、工作時間等信息。設備信息主要有設備實時運行的狀態，設備的工況等，同時需要對物料(料)、工藝規則(法)、工作環境(環)等信息進行ZigBee數據采集，如表1。
表1 監控節點功能分析
2 ZigBee監控節點硬件設計
對表l的節點功能分析可知，要實現對生產過程中各要素的ZigBee數據采集。監控節點硬件功能的應具備下列功能如圖3所示。
圖3 節點功能設計圖
針對上述硬件功能分析，硬件主要設計為電源、ZigBee數傳模塊、刷卡射頻讀寫，ZigBee數據采集，傳感電路設計。
在較復雜的硬件功能上采用獨立CPU管理方式，這樣提高了工作效率。ZigBee數傳模塊電路設計，采用TI公司的cc2530作為核心器件。該器件可以實現集射頻收發于一體的無線傳感器網絡。外圍器件較為簡單，主要包括晶振和射頻匹配網絡等電阻電容電感器件。天線采用外置高增益SMA桿狀天線，增益達到6dBi，接收靈敏度相對較高。通過對CC2530編寫ZigBee組網程序，使得監控節點上電后可進行自動組網，部分節點失效后，網絡也具備自我修復能力，每個節點均能收發數據，組網后可以在任意節點之間進行數據通信。
對于員工IC卡刷卡電路設計。采用非接觸式的射頻卡。IC卡電路由IC芯片、感應天線組成，封裝在一個標準的PVC卡片內，芯片及天線無外露部分。IC卡片在短距離內(一般為5-10mm)靠近讀寫電路表面，通過無線電波的傳遞來完成數據的讀寫。讀卡電路天線由電路板上線路構成，組成單一模塊電路。對于讀卡器的設計，以NXP公司的MF RC522為核心芯片設計電路，作為單一模塊設計讀卡電路，獲得數據后利用串口與管理CPU通信。
ZigBee數據采集電路設計。設計了一種0～5v和4～20mA共用電路。其原理主要根據電壓等于電流與電阻之乘積(V=I×R)。
在ZigBee數據采集電路端并上二極管和電容進行降噪聲處理，提高了電路的可靠性。電路如圖4所示。
圖4 電壓、電流傳感器共用電路
在外圍傳感器選擇中選擇人體熱釋紅外傳感器LHi878，溫濕度傳感器DHT22，構成了整個監控節點。考慮監控節點安裝位置不影響其他設備工作，體積盡可能小。故在電路布局上進行多層形式，整體結構分為上下兩層，結構緊湊，體積小巧(6cm×6cm)，便于安裝，功能齊全，使用比較方便，也易于維護，并且成本低廉。硬件電路如圖5所示。
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圖5 6×6(cm)雙層緊湊布局實物圖
3 ZigBee監控節點軟設計
3．1軟件功能描述依據ZigBee無線模塊網絡結構，其數據信息流程如圖6。
圖6 系統數據信息流程圖
各ZigBee數據采集節點，對工序中的生產信息進行實時監測，同時將數據通過ZigBee無線模塊傳輸到協調節點，利用CAN總線傳輸到終端計算機，再進入MES系統的服務器數據庫里。
監控節點的軟件流程如圖7所示。系統上電后首先讀取存儲在EEPROM中各項工作參數，初始化系統，在128液晶上顯示相關參數信息。同時傳感器開始采集工作環境中的工作參數，如溫濕度，設備氣壓等，經過預處理電路后送給CPU處理。員工刷卡后將卡號ID通過ZigBee發送到服務器，在數據庫中查找到該員工信息并將員工工號送回。節點收到工號在液晶上顯示。
圖7 監控節點軟件流程圖
員工刷卡后將卡號ID通過ZigBee發送到服務器，在數據庫中查找到該員工信息，從而將員工工號送回，節點收到工號后在液晶上顯示。同時節點監測設備的作業次數以記錄員工的工作量，并將這些數據上報到服務器中的數據庫中。節點能接受上位機的指令并加以處理，此外再通過鍵盤更改部分參數，更改設備狀態，產品質量等信息。熱釋紅外人體檢測傳感器監視本工位上是否有人員工作，若無人員則節點進入休眠狀態
4 網絡性能測試與分析
根據上述設計，在實際的電纜連接器產品生產中采用ZigBee數傳模塊節點進行數據采集。試驗15個節點組網測試系統性能。在點對點數據傳輸中，數據傳輸可以到110m。終端節點向協調節點傳輸數據，兩數據包間的時間間隔最小值為18ms，丟包率在5％以下，并且隨著傳輸距離的增大，傳輸速率降低，丟包率增大。協調節點向終端節點傳輸數據，兩數據包之間的時間間隔最小值在500ms，丟包率在5％以下，并且隨著傳輸距離的增大丟包率增大。
從測試的性能看，整個網絡數據的傳遞滿足現場實際的需求，達到設計目的。使用無線通訊方式的缺點為容易受到現場工作環境的強電電磁場的影響。在實時性要求更高的場合可采用有線方式進行監控。
5 結論
對于離散型生產過程信息監控，本文提出了利用兩種無線網絡采集數據，即基于WIFI和ZigBee模塊的無線網絡相結合的組網方式。設計了ZigBee數據采集監控網絡節點，并在電纜連接器產品生產中對網絡及節點進行測試。ZigBee數傳模塊的網絡數據傳輸速度和距離均達到電纜連機器生產信息采集要求。測試結果表明，該測試節點能滿足一般性生產工序的信息采集，符合生產的使用性能。