（机械电子工程专业论文）面向离散型制造业的嵌入式mes检测终端开发.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密口。 学位论文作者签名：塾楚、 日期： w f q 年弓月f 7 日 年解密后使用本版权书。 指导教师虢式埒 日期：洳7 0 年 多月，- l 国 硕十学位论文 摘要 随着信息技术的发展以及嵌入式技术、自动化检测技术等的广泛应用，催生 企业应用新的管理理念，对设备产能、生产过程稳定性的要求也不断提高。由于 传统的信息化系统e p r 和p c s 之间缺乏连接层，越来越难以满足企业信息化、 智能化的要求。由此产生的制造执行系统( 地s ) 得到了越来越多的企业的青睐。 在流程制造业，m e s 取得了很好的理论研究成功和应用效益。而在离散制造业， m e s 的开发和应用的成功案例很少，尤其是离散制造业m e s 与设备层的集成还 少有实现。 针对m e s 系统的应用领域，在检索阅读了大量相关研究应用的期刊文献的基 础上概括了m e s 概念、发展及应用前景，分析了m e s 在离散制造业中难以实施 的原因。因此本文的主要工作是通过分析当今嵌入式系统软、硬件技术的发展及 应用方案，设计出一套基于a r m 嵌入式系统的m e s 无线检测终端平台。所设计 终端平台的最终目标是要实现一种低成本、高性能并且具备通用性、平台性的嵌 入式m e s 检测终端，能够满足离散型制造业m e s 的应用要求。 论文共分为六章，其组织结构安排如下： 第一章：“绪论”，介绍课题的背景和意义，叙述了制造执行系统m e s 的定 义和功能模型，探讨了m e s 在国内外的发展现状及趋势，并提出了课题的主要 内容和论文的组织结构。 第二章：“无线传感器网络技术原理与协议分析”，概述本课题所涉及的相关 理论。主要包括无线传感器网络的基本原理、z i g b e e 技术的协议结构、z i g b e e 协议的网络拓扑结构。 第三章：“无线检测终端硬件平台的设计与实现”，详细叙述了无线检测终端 硬件结构的设计与实现。包括硬件选型、电路设计、通信接口的实现和硬件的抗 干扰设计。 第四章：“无线检测终端软件平台的设计与实现，这一章从操作系统出发， 主要介绍f r e e r t o s 操作系统在终端硬件平台上的移植、驱动程序的编写和添加、 无线传感器网络中数据传输算法研究。 第五章：“无线检测终端的调试与运行，介绍系统软、硬件调试及调试过程 硕十学位论文 中遇到的问题和解决的办法。 第六章：“总结与展望”，对课题的研究工作进行总结，并提出了有待研究的 工作方向。 关键词：制造执行系统；无线传感器网络；a r m ；f r e e i 盯o s ；x b e e x b e ep r o i i 硕十学位论文 d e v e l o p m e n to f e m b e d d e dm e sd e t e c t i o no ft h et e r m i n a l f o rd i s c r e t em a n u f a c t u r i n g a b s t a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h ew i d ea p p l i c a t i o no fn e w t e c h n o l o g i e sl i k ea se m b e d d e dt e c h n o l o g y , a u t o m a t i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g y , e t c b i r t h e n t e r p r i s ea p p l i c a t i o no fn e wm a n a g e m e n tc o n c e p t e q u i p m e n tc a p a c i t ya n ds t a b i l i t y o ft h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o d u c t i o np r o c e s si sa l s or i s i n g a st r a d i t i o n a li n f o r m a t i o n s y s t e m st h el a c ko fc o n n e c t i o nb e t w e e nt h ee p r a n dt h ep c sl a y e r , m o r ea n dm o r e d i f f i c u l tt om e e tt h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o na n di n t e l l i g e n c er e q u i r e m e n t s t h e r e s u l t i n gm a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m s ( m e s ) h a sb e e na ni n c r e a s i n gn u m b e ro f e n t e r p r i s e so fa l la g e s i nt h ep r o c e s sm a n u f a c t u r i n g ，m e sa c h i e v e dg o o ds u c c e s so f t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ne f f i c i e n c y b u ti nt h ed i s c r e t em a n u f a c t u r i n g ，m e s d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fv e r yf e ws u c c e s ss t o r i e s ，p a r t i c u l a r l y i nd i s c r e t e m a n u f a c t u r i n gm e sa n de q u i p m e n ti n t e g r a t i o nl a y e rt h e r ei sl i t t l et oa c h i e v e a i m i n ga tt h ea p p l i c a t i o no ft h em e ss y s t e m ，b a s e do ns e a r c ha n dr e a dal o to f j o u r n a ll i t e r a t u r e sr e l a t e dt ot h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n ，s u m m a r i z e st h ec o n c e p t ， d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o np r o s p e c to ft h em e s ，a n a l y s i so fm e sd i f f i c u l tt o i m p l e m e n ti nt h ed i s c r e t em a n u f a c t u r i n gr e a s o n s t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l e sm a i nt a s ki s t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft o d a y se m b e d d e ds y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n s ，d e s i g nas e to fa r m - b a s e de m b e d d e ds y s t e m sm e s w i r e l e s sd e t e c t i o nt e r m i n a lp l a t f o r m t h eu l t i m a t e g o a l o ft h et e r m i n a lp l a t f o r m d e s i g n e di st oa c h i e v eal o w - c o s t ，h i g h - p e r f o r m a n c ea n dh a v eu n i v e r s a l ，p l a t f o r mf o r m e sd e t e c t i o no fe m b e d d e dt e r m i n a l s ，a b l et om e e tt h ed i s c r e t em a n u f a c t u r i n gm e s a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s t h ep a p e ri sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r s ，i t so r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r ea sf o l l o w s ： c h a p t e ro n e ：”i n t r o d u c t i o n ”，i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h e s u b j e c t ，d e s c r i b e st h em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e mm e sw h i c hi t sd e f i n i t i o n sa n d i i i 硕七学位论文 f u n c t i o n a lm o d e l d i s c u s s e st h es t a t u sa n dt r e n d so fd e v e l o p m e n to ft h em e sa th o m e a n da b r o a d ，t h e n p u tf o r w a r d t h em a i ne l e m e n t so ft o p i c sa n dp a p e r so ft h e o r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r e c h a p t e rt w o ：”t h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yt h e o r ya n dp r o t o c o l a n a l y s i s ”，s u m m a r i z e st h et o p i c sc o v e r e db yt h er e l e v a n tt h e o r y m a i n l yi n c l u d et h e b a s i cp r i n c i p l e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，z i g b e et e c h n o l o g ya n di t sp r o t o c o l s t r u c t u r e ，z i g b e ep r o t o c o ln e t w o r kt o p o l o g y c h a p t e rt h r e e ：”d e t e c t i o no f t e r m i n a lh a r d w a r ep l a t f o r mf o rw i r e l e s sd e s i g na n d r e a l i z a t i o n , ”d e s c r i b e di nd e t a i lt h es t r u c t u r eo ft h ew i r e l e s sd e t e c t i o no ft e r m i n a l h a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n i n c l u d i n gh a r d w a r es e l e c t i o n , c i r c u i td e s i g n , c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，a n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fa n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g n c h a p t e r f o u r ：”w i r e l e s sd e t e c t i o nt e r m i n a ls o f t w a r ep l a t f o r m d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n ”，i nt h i sc h a p t e rs t a r t i n gf r o mt h eo p e r a t i n gs y s t e mm a i n l yi n t r o d u c e s f r e e r t o s o p e r a t i n gs y s t e m w h i c ht r a n s p l a n t si nt e r m i n a lh a r d w a r ep l a t f o r m ， c o m p l i e sa n da d d e dd r i v e r s ，r e s e a r c hw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa l g o r i t h mf o rd a t a t r a n s m i s s i o n c h a p t e rf i v e ：”w i r e l e s sd e t e c t i o no ft h et e r m i n a ld e b u g g i n ga n dr u n n n i n g , t h e c h a p t e ri n t r o d u c et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h es y s t e md e b u g g i n ga n dd e b u g g i n g p r o b l e m se n c o u n t e r e d a n dh o wt os o l u t i o nt h e m c h a p t e rs i x ：”s u m m a r ya n dp r o s p e c t ”，w h i c hs u m m a r i z et h er e s e a r c ht o p i ca n d p r o p o s e dd i r e c t i o no fw o r k t ob es t u d i e d k e yw o r d s ：m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ；w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ；a r m ； f r e e i u o s ：x b e e x b e ep r 0 i v 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t a c t i i i 目录、， 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义。1 1 2 制造执行系统m e s 概述2 1 3 国内外m e s 检测系统研究现状与发展趋势3 1 3 1m e s 在国外的研究现状3 1 3 2m e s 在国内的研究现状一5 1 4 课题的主要内容和论文的组织结构6 第二章无线传感器网络技术原理与协议分析8 2 1无线传感器网络技术原理8 2 1 1 无线传感器网络的体系结构8 2 1 2 应用于传感器网络的无线通信技术比较8 2 2z i g b e e 技术概述9 2 3z i g b e e 协议栈1 0 2 4z i g b e e 的网络拓扑结构1 3 2 5 本章小结1 4 第三章系统硬件平台的设计与实现l5 3 1 系统概述15 3 2 基于a t 9 1s a m 7 s 6 4 的核心控制模块硬件设计1 6 3 2 1 电源电路设计1 9 3 2 2 时钟电路设计18 3 2 3u s a r t 电路设计19 3 2 4 按键电路设计1 9 3 2 5 系统j t a g 调试接口设计2 0 3 2 6l c d 显示模块接口设计2 0 3 2 7 传感器接口电路设计2 2 3 3 无线通信模块设计错误! 未定义书签。 3 3 1x b e e x b e ep r o 模块的性能特点错误l 未定义书签。 3 3 2x b e e x b e ep r o 芯片的引脚功能及应用2 3 3 。3 3r s 4 8 5 通讯电路设计。2 5 3 4 硬件抗干扰设计2 5 3 5 本章小结2 7 第四章无线检测终端的软件设计与实现2 8 4 1f r e e r t o s 实时操作系统简介2 8 4 2f r e e r 了d s 系统的移植。2 9 4 2 1f r e e r t o s 开发环境的选取2 9 4 2 2f r e e r l 、o s 的移植3 0 4 2 3 任务的创建与调度3 1 4 3 系统驱动开发3 4 v 硕十学位论文 4 3 1u a r t 驱动开发3 5 4 3 2l c d 驱动开发3 6 4 4 终端软件设计方案3 9 4 5 无线传感器网络的数据传输4 2 4 5 1 无线传感器网络传输协议需要解决的问题4 2 4 5 2 基于p s f q 的数据传输协议4 3 4 6 本章小结一4 4 第五章系统测试与数据分析4 5 5 1x b e e 无线模块测试4 5 5 1 1x b e e 模块的测试软件配置4 5 5 1 2 点对点与点对多点传输测试4 6 5 1 3m e s h 网配置测试。4 9 5 2 检测终端在生产车间中的应用5 0 5 3 本章小结5 3 第六章总结与展望5 4 参考文献5 6 附录1 部分硬件实物图5 9 附录2 串口通信源代码6 1 致谢6 9 攻读硕士学位期间完成的科研成果7 0 v i 硕+ 学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 制造业是我国国民经济的支柱产业，也是推动工业化的原动力，现代制造业 已经并且正在深刻地改变着人们的生产方式、生产方式甚至社会文化。随着经济 全球化的发展，制造企业面临日益激烈的国际竞争，想要赢得市场，赢得用户， 必需通过各种有效的途径提升自身实力，提高国际竞争力。信息化是当前多数制 造企业提升自身实力的主要措施之一。制造业信息化，就是以信息技术运用于企 业的产品设计、制造、管理、销售和维护的全过程。信息化的大趋势使世界各 国争先恐后的把先进技术和信息化引进到传统工业和制造业。 近十年来，工业自动化技术发展迅速，p l c 、d c s 、工控机广泛应用于工业 过程控制，使得我国的工业自动化水平上升到了一个新的台阶。然而，随之而来 的是，企业面临的是一个又一个局部自动化的孤岛。生产过程实现了自动化控制， 生产管理仍然是人工作业；局部优化了，全局不优，制约了生产效率和效益的进 一步提升。另一方面，很多企业都在建设e r p 系统，随着企业信息化工作的不 断深入，人们发现，e r p 系统不能解决企业复杂的生产管理问题，而且，没有实 时的生产过程信息，e r p 系统如同空中楼阁，也不能很好运行，达不到企业资源 优化的目标。上层信息化系统与下层自动化系统出现了一个很大的鸿沟。 上世纪末，解决这个问题的m e s 生产执行系统应运而生。m e s 系统是面向 企业生产管理的新一代信息系统。它以提高生产效率、减低生产成本、缩短交货 期，改善客户服务为目标，运用计算机网络把各个自动化孤岛连接起来，运用信 息化手段管理和优化全局生产流程，实现从产品定单开始、直到产品交付的整个 生产管理流程自动化。有了m e s 系统，下层自动化系统与上层e r p 系统就能实 现无缝的集成。显而易见，m e s 系统是企业信息化系统的不可缺少的组成部分， 将为我国企业信息化水平提高，企业整体运行效率的提升发挥巨大作用。 目前，国内对m e s 概念和应用的研究还不太多，更不用说有成熟的软件产 品。随着企业计算机应用的不断推广，企业信息化应用水平逐渐提高，企业越来 越需要车间执行层的管理信息系统。因此如何深刻理解m e s 内涵，把握它的发 硕士学位论文 展趋势，在我国企业中开发和应用m e s ，对于提高企业竞争力，缩小与发达国 家企业差距是迫在眉睫的事情，也将是企业信息化水平深层次推进的需要。 根据m e s 系统的实际应用需求，利用嵌入式系统小型化、功耗低、性价比 高等优点，并与无线通信新技术z i g b e e 相结合，通过对已有m e s 系统终端的构 架、软硬件平台的研究，设计一种新型的基于嵌入式系统的m e s 无线传感器网 络检测终端，以达到硬件接口丰富、应用灵活、扩展性强，软件可配置性、移植 性较好等目的，更好的满足离散制造业m e s 系统的要求。 通过对这种新型嵌入式m e s 无线检测终端的研究，以期改善离散型制造业 m e s 系统与设备层的集成，提高设备效能，推广嵌入式系统的应用范围，使其 通用性增强，促进m e s 的发展，将对企业信息化技术的发展起到一定的推动作 用。 1 2 制造执行系统m e s 概述 制造执行系统3 ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e mm e s ) 是由美国先进制造研 究机构( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c ha m r ) 提出的，a m r 将m e s 定义为“位 于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”， 它为操作人员管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源( 人、设备、物料、 客户需求等) 的当前状态。它定位于企业上层e r p 与底层设备自动控制系统( c s ) 之间的、面向车间层的管理系统。其内容包括：制造过程中的生产调度、生产过 程监控、物料跟踪管理、质量管理、设备管理等，强调制造计划的执行和产品制 造过程的控制，使生产现场的信息收集、传递、处理和反馈做到准确、及时。一 方面，m e s 可以对来自e r p 的生产管理信息进行细化、分解，将来自计划层操 作指令传递给c s ；另一方面，可以采集设备、仪表的状态数据，以实时监控底 层设备的运行状态；同时，可以为e r p 、s c m 提供生产现场的实时数据，实现 生产制造数据的自动化采集，从而加强计划管理层与底层控制之间的沟通。 按照国际m e s 学会( m e s a ) 的定义1 4 ，m e s 生产执行系统包含资源分配、 计划排程、产线跟踪、生产调度、质量管理、设备维护、人员管理、过程管理、 统计分析、文档控制、数据采集等十一项功能。归纳起来，m e s 系统可以分为 a p s 系统( a d v a n c e dp l a n n i n g & s c h e d u l i n g ) 和w i p 系统( w o r ki np r o c e s s ) 两 个层次。a p s 主要完成生产计划排程功能( 资源分配计划排程生产调度等) ， 2 硕士学位论文 与e r p 系统接口；w i p 主要完成产线作业执行功能( 产线跟踪、过程管理、质量 管理、统计分析、数据采集等) ，与自动化系统接口。针对多分厂大型生产企业， m e s 还有专门解决方法，如企业供应链计划s c p ( s u p p l yc h m np l a n n i n g ) 等。 从a m r 于2 0 世纪9 0 年代提出的企业集成模型( 如图1 1 所示) 可以看出， 制造执行系统m e s 在计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁，填补了两者 之间的空隙。m e s 是一个可以将业务系统和控制系统结合在一起的中间系统。 通过采集实时数据，m e s 对随时可能发生变化的生产状态和条件做出快速反应， 响应和报告工厂的活动，从而推动有效的工厂运行和管理隋3 。由于其特殊的位置 和功能，越来越引起企业界和学术界的关注，因此m e s 检测系统在国内外被广 泛的研究和应用。 图1 1a m r 的三层企业集成模型 m e s 的目标是为企业提供快速反应的、有弹性的、精细化的生产管理环境， 协助企业保证产品质量、提高劳动生产率、减少在制品、降低资源能源消耗，从 而实现先进制造的管理要求。 1 3 国内外m e s 检测系统研究现状与发展趋势 1 3 1m e s 在国外的研究现状嗍m 自二十世纪7 0 年代美国首次提出制造执行系统这个概念以来，经过3 0 多年时 间的研究，国外已经形成一套比较被认可的理论和标准，这套理论和标准涵盖了 m e s 的定义、定位模型、功能模型、数据流模型，甚至包括了实施方法模型。而 且一些专业的m e s 研究机构也形成了，这些专业m e s 研究机构定期发表m e s 研 究最新成果以及制定m e s 相关的一些工业标准。其中比较著名的机构有先进制造 研究机构a m r ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ) 、国际制造执行系统联合 3 硕士学位论文 m e s a ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e ma s s o c i a t i o n ) 、美国仪器系统自动化协会 i s a ( a m e r i c a ni n s t r u m e n t ，s y m e m ，a u t o m a t i o na s s o c i a t i o n ) 。 在理论方面，1 9 9 0 年，a m r 首次对m e s 进行了规范描述，将m e s 定义为“位 于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统”；1 9 9 2 年，a m r 提出了企业信息集成的三层模型：计划层、执行层、控制层，明确了 m e s 在企业整体信息中的位置及其重要作用；1 9 9 7 年，m e s a t 8 】【9 1 发布了一系列 白皮书，对m e s 提出了新的定义，并根据标准化、功能组件化、模块化的原则， 提出了著名的m e s 功能组件和集成模型。该模型主要为儿个功能模块：资源分配 与状态、详细排程、生产调度、文档控制、数据采匆获取、人力管理、质量管理、 过程管理、产品跟踪和谱系、维护管理、性能分析。1 9 9 8 年，a m r 提出了制造 业务过程的r e p a c ( r e a d y 、e x e c u t i o n 、p r o c e s s 、a n a l y z e 、c o o r d i n a t e ) 模型，即 包括准备、实行、处理、分析、调整五个阶段组成的过程周期n 0 。 目前，全球m e s 市场规模每年约1 2 亿美元，增长率在1 0 - - 1 4 左右。一些小 公司被大公司收购了，还有一些则被市场淘汰了，而2 0 年来，罗克韦尔软件、 g ef a n u c 、西门子等大公司为用户创造了很多解决方案。除如半导体等个别行业 在亚洲和欧洲应用比较强以外，6 5 的公司是以北美为基地的，北美是全球最大、 最成熟的m e s 市场。现在看来m e s 市场正在逐渐走向成熟，这是一个令人激动 的巨大市场，而且发展势头也是越来越好了n 引。 国际上的m e s 系统发展到现在，主要有专用m e s 系统和整合m e s 系统两类。 专用的m e s 是指为解决某个特定领域问题，如车间维护、生产调度或s c a d a 而开 发的单独应用系统。由于是专用的，它的缺点是系统重构性能弱，很难随业务过 程的变化而进行功能配置和动态改变。整合的m e s , l j 是针对一特定行业如航空、 装配、半导体、食品和卫生等行业而设计，具有一定的通用性。并且逐步加强了 与上层事务处理和下层实时控制系统的集成能力。整合的m e s 系统具有良好的集 成性，能实现客户化、可重构、可扩展和互操作等特性，能方便地实现不同厂商 之间的集成和原有系统的保护等功能。所以整合m e s 系统有更为广阔的前景、更 灵活的应用场合1 。 1 3 2m e s 在国内的研究现状 中国最早的m e s 是2 0 世纪8 0 年代宝钢建设初期从s i e m e n s 公司引进的。中 4 硕士学位论文 国工业信息化基本上是沿着西方工业国家的轨迹前进，只是慢半拍而己。7 0 8 0 年代以工厂自动化为主，8 0 9 0 年代流行管理信息化。进入2 1 世纪初，仍然以提 升工厂自动化水平，普及d c s 、s c a d a 、p l c 、f c s 和提升管理信息化水平，由 开发m i s 转向推广普及e r p 为主。但是，尽管m e s 层仍然是断层、残缺环和狭缝， 人们对m e s 的概念、m e s 在企业信息化的地位己不陌生，并开始形成共识。但 是，从总体上看，相对于应用来说，仍以研究居多，而且仍处于浅层研究。就产 品来讲，自主研发才刚刚开始，尽管有少数国内i t 公司一方面模仿国外的模式， 同时也总结提炼适合中国工业的m e s 层面的经验，但是仍以实验室产品居多，离 商品化还有一段路程。尽管如此，仍然有一批出类拔萃者或佼佼者，如和利时公 司和浙大中控等国内知名企业n 羽。 我国十五期间，科技部8 6 3 计划将会把节能和环保放在首位，而m e s 必定是 首当其冲。中国的整个工业结构不完善，导致了大多数的企业在管理等方面都是 粗放型的，工业里最重要的是能源和原材料两大行业，如果在节能和环保方面不 发挥作用，这就会大大影响我国工业的可持续发展，因此要紧紧围绕节能降耗， 用m e s 来优化某些单元的降耗，来进行整体的优化，全面提升企业的节能降耗水 平。目前，m e s 己在钢铁、石化等行业得到成功应用，m e s 应用效益得到用户 认可，并且推进了企业信息化的深度，m e s 成为企业信息化的主体n 引。根据中国 电子信息产业发展研究院的一份报告，至u 2 0 0 3 年底，共有1 1 0 套m e s 应用于国内 的钢铁企业。十五期间还对离散制造m e s 进行了探索性研究，并针对汽车、航空 等典型离散行业进行了重点应用开发，已取得初步成效( 如西飞m e s 等) 。 m e s 在应用方面，国内明显落后于西方发达国家。中国一大部分制造企业还 过度依赖人力进行生产，因此收集完整可靠的，经过过滤和分析的信息非常困难。 目前，在中国石化、钢铁这两个行业开发了自己的m e s ，并且在系统的推广应用 中产生了很好的效果，此外，m e s 也在其他的行业里得到了相应的推广应用。 制造业主要分为流程型行业、离散型行业和混合型行业。由于各个行业的生 产过程和特点不同，m e s 系统在不同制造业中应用中的发展程度也不同。m e s 目前在流程型行业和混合型行业的应用中已经取得了相当的效果。经过这几年的 推广，我国的流程工业自动化水平已经有了很大的提高，以前我们国家在这个领 域非常弱，比如大的石化装置全部依赖进口，包括钢铁行业也是如此。目前，我 5 硕士学位论文 国的m e s 的整体技术和单元技术都得到了很好的推广应用，特别是在流程工业自 动化的基础上，开发应用研究的m e s 技术，已经全面地提升了流程工业的整体水 平。 而在离散型行业中成功的案例却很少，主要原因是中国的离散型制造业往往 都是按照订单单件设计，小批量地进行生产，或者就是单件设计，单件生产，使 产品结构复杂，制造工艺复杂，生产中各制造过程的关联性很强。离散型行业的 特点使得m e s 的实施相对比较困难，制造设备种类繁多，大多数设备与信息化系 统集成困难。还有一些传统制造企业，手工操作依然是车间没有完全摆脱的生产 方式，全厂管理的功能目前仍然由文件和人工系统进行，通常有经验的人员执掌 着工厂生产效益的钥匙。由于市场要求产品的品种和数量经常变化，靠人工和经 验调整生产显然效率低、反应慢、缺乏竞争力n 引。 因此，2 0 0 7 年8 月2 5 日，第二届中国制造业信息化m e s 产业技术论坛在北京 举行，业内专家分析了m e s 在我国制造业，特别是离散制造业应用中存在的难题 及应对办法，提出了加强国内制造领域自主研发与使用m e s 系统对行业节能与产 业升级的重要性。 1 4 课题的主要内容和论文的组织结构 本课题针对m e s 系统的应用领域，在检索阅读了大量相关研究应用的期刊文 献的基础上概括了m e s 概念、发展及应用前景，分析了m e s 在离散制造业中难 以实施的原因。因此本文的主要工作是通过分析当今嵌入式系统软、硬件技术的 发展及应用方案，设计出一套基于a r m 嵌入式系统的m e s 无线检测终端平台。 本文所设计的嵌入式m e s 检测终端平台的最终设计目标是要实现一种低成本、高 性能并且具备通用性、平台性的嵌入式m e s 检测终端，能够满足离散型制造业 m e s 的应用要求。 论文共分为六章，其组织结构安排如下： 第一章：“绪论”，介绍课题的背景和意义，叙述了制造执行系统m e s 的定 义和功能模型，探讨了m e s 在国内外的发展现状及趋势，并提出了课题的主要 内容和论文的组织结构。 第二章：“无线传感器网络技术原理与协议分析”，概述本课题所涉及的相关 理论。主要包括无线传感器网络的基本原理、z i g b e e 技术的协议结构、z i g b e e 6 硕十学位论文 协议的网络拓扑结构及其组网方式。 第三章：“无线检测终端硬件平台的设计与实现”，详细叙述了无线检测终端 硬件结构的设计与实现。包括硬件选型、电路设计、通信接口的实现和硬件的抗 干扰设计。 第四章：“无线检测终端软件平台的设计与实现”，这一章从操作系统出发， 主要介绍f r e e r t o s 操作系统在终端硬件平台上的移植、驱动程序的编写和添加、 无线传感器网络中数据传输算法的研究。 第五章：“无线检测终端的调试与运行”，介绍系统软、硬件调试及调试过程 中遇到的问题和解决的办法。 第六章：“总结与展望”，对课题的研究工作进行总结，并提出了有待研究的 工作方向。 7 硕士学位论文 第二章无线传感器网络技术原理与协议分析 本论文设计的m e s 信息采集系统的通讯主体为工业无线网络，本章首先对 与本文有关的无线传感器网络及其相关技术进行分析、设计。 2 1 无线传感器网络技术原理 无线传感器网络【1 5 】( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 是由多个节点组成的 面向任务的无线自组织网络。一个无线传感器网络由一组毫米般大小、设备齐全 的微型机电系统组成，覆盖一个物理地理区域。它综合了传感器技术、嵌入式计 算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种技术领域，通过 各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算元件对信息进行处理， 并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。 2 1 1 无线传感器网络的体系结构1 1 6 l 无线传感器网络体系结构包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n k n o d e ) 、外部网络和用户界面。大量传感器节点部署在监测区域内，通过自组织 方式构成网络，传感器节点将监测到的数据沿着其他传感器节点逐步跳跃地进行 传输，在传输过程中数据被多个节点处理，经过多跳路由后到汇聚节点，通过串 行通讯方式把数据传送到监控中心进行处理。 传感器节点是一个微型的嵌入式系统，从网络功能上看，传感器节点兼顾传 统网络节点的终端和路由的功能，在采集、接收、处理及发送数据的同时，还要 对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，并与其他节点协作完成 一些特定任务。 传感器节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块 组成。传感器模块负责进行监控区域内传感器信号的采集、接收和转换；处理器 模块用来进行节点设备控制、任务调度、功能协调等，存储和处理自身所采集的 和其他节点发来的数据；无线通信模块用来进行节点之间的数据交互、传输控制 信息等；能量供应模块为传感器节点提供必要的能量和进行能量管理。 2 1 2 应用于传感器网络的无线通信技术比较 目前，无线传感器网络中常用的通信技术主要有w i f i 、b l u e t o o t h 、u w b 、 r 硕士学t ：7 ：论文 r f i d 、i r d a 、z i g b e e 等【1 7 1 。 从各种通信技术的优缺点可以看出，w i f i 因为功耗高而应用不多；b l u e t o o t h 和u w b 的传输距离都只有1 0 m 左右，而r f i d 与i r d a 传输距离更短。在无线 传感器网络中应用最多的是z i g b e e 无线通信技术，它是一种近距离、低复杂度、 低功耗、低传输速率、低成本的双向无线通信技术，完整的技术协议栈只有3 2 k b ， 可以嵌入各种设备中。因此在本系统中，选择z i g b e e 无线传输技术应用于无线 传感器网络。 2 2z i g b e e 技术概述 z i g b e e 一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过z i g z a g 形舞蹈来告知同伴， 达到交换信息的目的，通过简捷的方式实现“无线”的沟通。2 0 0 0 年1 2 月i e e e ( 美国电气与电子工程师协会) 成立了8 0 2 1 5 4 工作组，2 0 0 1 年8 月z i