【《信息化转型背景下物联网在圆机电控系统中的应用研究》8800字】

第一章绪论1.1课题的背景与现实意义早在数千年前中国便有了纺织业，那时的手工纺织是纺织业的初期阶段。在历史的进程中，手工纺织业一直占据着浓厚的历史笔墨。直到19世纪，外国资本的入侵下，中国进入了机器纺织工业时代。纺织工业一直以来是我国重要的经济支柱，传统的纺织生产已经无法满足现在社会的要求，了顺应现代纺织业的生产，纺织业进入了自动化生产时代。纺织产业作为中国国民生产总经济的支柱产业与关键的民生产业。整个产业面对总人口红利消亡、原生产材料市场价格增高、环境保护压力加大、对外出口降低等实际矛盾问题。面对发展困境，纺织产业积极主动求变，持续推动两化深度有效融合，加开提速新旧动能交换，以人工智能加工制造为方式，推进中国纺织产业向高层次发展进步。伴随着纺织服装产业人工智能化发展进步加快，纺织企业实行人工智能化改进的热情高涨。在传统制造公司里，收集生产加工线的资料信息，主要依赖条形码辨别、人力收集、手工记录的方式，因为人工收集数据，只可以定时展开，生产加工规划不可以准确到日，需要按照周规划、月规划展开。数据信息没有办法展开实时在线自动更新调整，存在严重的落后，造成生产加工流没有办法全面推进，极大限制了产能。除此之外，因为职能有关部门多运用纸笔的记录模式，数据信息极易出现丢失问题，确定性低，降低了劳动生产能力。本课题为实现针织行业的智能管理，利用RFID射频技术将员工的身份信息、工作量记录保存在卡中，实现生产管理和考勤，利用主控单元建立web服务网页，随时接入物联网功能，实现网络化的多机管理，基于web的远程监管。1.2课题发展现状中国纺纱工业把重点放在中国制造业由“大”向“强”的发展上，下一代产业加速了纺织行业绿色、低碳、数字和智能的发展，而精神产业是实现这些巨大变革的必然手段。即使2017年经济运行工作好于预期，但是出自成本费用、环境保护、交易市场竞争的工作压力以及招工难、融资困难等一整套矛盾，都是目前产业发展进步面对的严峻挑战。我国纺织工业联合会副会长夏令敏提出，处理和解决上述矛盾问题的核心所在就是要持续提高产业的改革创新发展进步水平，经过两化深度有效融合推进产业发展进步新旧动能交换，进而加开提速人工智能化发展进程，推动产业变化转型升级提高。中国纺织工业将在中国制造业重点发展，由大变强。互联网+的“信息技术与纺织品”的发展将更加激烈，下一代产业将加速发展绿色纺织产业，智能纺织产业。精神产业是实现这些重大变革的必然途径。从目前全球领先的圆纬机专业技术与交易市场分析，针织第二产业生产加工的细致化、电子信息化、在线化、人工智能化是今后几年针织专业技术分析研究的核心要点，具备电脑计算机专业技术的操控管理体系与多作用功能的圆纬机将会发展成为针织圆纬机发展进步的必然态势"。信息化、网络化、自动化，必然是现代第二产业发展进步的热点词汇，纺织业作为国家的支柱型产业之一，需要紧紧跟随历史时代发展进步。纺机的电子信息化、网络化早已不是今后，而是当下。REF_Ref30063\w\h[1]本课题为以圆纬机为研究对象，将物联网技术应用到圆机电控系统中，致力于研制新型圆机控制管理系统，以达到圆机生产管理的信息化、网络化。1.3设计目的和需求分析本设计意在于开发一种低成本、智能化，适应多产区、多车间的，集人员管理、多机监管控制为一体的针织圆纬机智能生产控制系统。REF_Ref31412\w\h[2]结合圆纬机发展趋势以及生产管理的要求，本系统给出了以下几点功能需求：（1）人机交互功能即人机操作显示功能，为了方便工厂工人对织机操作和了解织机当前生产信息。（2）刷卡功能在传统的针织产业中，生产车间工作的员工往往通过手工记录的方式对织机产量、织机状态等数据进行记录，传统类型的人工手动记录模式，造成织机管理和人机绩效考核工作效率低下。针对上述弊端，引入RFID射频识别技术。实现自动登录，存放相关的生产数据信息。替代了手工记录，提高了效率。（3）多机监管功能通过web访问BOA服务器的方式，由网页显示多台机器的运转情况，产样管理等。第二章系统总体结构设计2.1系统框架如图2.1所示，基于物联网的圆机管理系统REF_Ref7314\w\h[17]主要包含的部分：用于织机前操作人员自动登录的刷卡模块、用于显示织机状况信息的本地人机交互界面，用于实现网页访问的web服务功能，而boa服务器则是建立在主控模块上面的。图2.1系统框架图2.2系统功能分析主控模块：主控模块是系统的核心，是圆机控制系统正常运转的保障，以高性能的ARM微控制器TQ2440为核心。人机交互功能：为了方便工厂工人对织机操作和了解织机当前的生产信息，结合系统设计了人机交互的屏幕显示，具备触摸功能以方便工人操作。刷卡模块：通过射频卡识别（RFID）技术，实现方便员工的自动登录、工作量的记录。Web服务功能：通过浏览器或终端访问主控模块的Web服务，该功能将实时把机器的运转情况显示在网页上。第三章系统硬件3.1刷卡模块模块在整个系统中，刷卡模块负责建立起人机交互模块与电子标签之间的通讯，起着非常重要的作用。而整个刷卡模块的核心，就是射频卡芯片MFRC522。3.1.1RFID系统的基本工作原理当电子标签进入读卡器阅读范围，即进入磁场后，接收读卡器发出的射频信号，将感应到的电流转换为所需要的能量，之后发送出保存在标签内芯片里的数据信息。REF_Ref842\w\h[3]从读卡器设备和电子标签之间的通信及能量自动感应模式区分的话，RFID体系可以划分为两大类：感应耦合、后向散射耦合。通常低频体系多应用第1类模式，而高频体系多应用第2类模式。REF_Ref2824\w\h[4]3.1.2MFRC522射频芯片介绍（1）MFRC522芯片如下图3.1所示，MFRC522使用了先进科学的调节控制与解调概念，完全集中了在13.56.0兆赫兹下每一个种类的被动非直接接触型通讯模式与服务协议。REF_Ref1325\w\hREF_Ref1325\w\h[5]支持14443A兼容应答器信号。数字部分处理ISO14443A帧和错误检测。MFRC522支持MIFARE系列更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424kbit/s。REF_Ref1818\w\h[6]图3.1MFRC522芯片管脚（2）采用PhilipsMFRC522原装芯片设计读卡电路，如图3.2所示，使用方便，成本低廉，适合应用在机器设备研发、读卡器设备研发等高级使用的客户和需要展开射频卡服务终端综合系统设计/生产加工的客户。REF_Ref2174\w\h[7]图3.2MFRC522串口读写器模块电路如图3.3所示，该图为本课题所使用的射频模块的机械图。图3.3RC522串口读写器模块机械图3.1.3与主控模块的连接图3.4MFRC522连接ARM开发板图如图3.4所示，MFRC522射频模块同上电源后，通过RS-232标准串行端口的电平转换芯片MAX232，将TTL电平转换为232电平，通过UART串口连接到ARM开发板。如图3.5所示，该图为模块MFRC522与MAX232芯片的实物图连接；如图3.6所示，该实物图为MAX232芯片的内部接线图，电源与接地端对应连接，TXD端、RXD端交叉连接。图3.5RC522的连线图图3.6TTL转串口芯片MAX32323.2主控模块本课题的主控单元使用的是TQ2440开发板如下图所示：图3.7TQ2440开发板3.2.1主控单元芯片TQ2440开发板所用的处理器为S3C2440芯片，该芯片是三星公司推行的一款功能超强，能耗非常低的ARM9嵌入型CPU，使用范围非常广泛。REF_Ref4388\w\h[8]TQ2440研发板是根据三星企业S3C2440的公版工作电路，性能优化综合设计而来。如下图3.8所示。图3.8S3C2440实物图S3C2440是基于ARM920T的16/32位RISC嵌入式处理器，带有MMU（MemoryManagementUnit）功能，支持WinCE、Linux等操作系统，本课题的开发环境为Linux操作系统，使用S3C2440处理器符合课题要求。3.2.2主控模块硬件接口表3.1TQ2440硬件接口如表3.1所示，TQ2440具有三个UART串口，实物图如图3.9所示。存储接口支持SD卡的读取，可将圆机的织布花样型号等信息存放到SD卡中，增加了花样型号等数据的移动性。如图3.7的TQ2440开发板中还有表3.1中没有提到的接口，这些接口将为本系统之后的完善升级提供需要。图3.9TQ2440外接串口扩展板第四章系统的软件设计本章讲述了刷卡模块、Web服务、本地人机交互QT界面，这三个部分的代码设计及其代码实现的功能说明。4.1刷卡模块4.1.1RC522射频卡通信利用功能测试软件与能够操作RF卡的RC522射频卡模块进行通信。打开的软件界面如图4.1所示。图4.1RC522通讯软件界面首先选择串口。在串行端口组中可以选择使用的串行端口。在正常模式下，先将RFID卡靠近射频模块。点击读卡，即可读取该卡的类型和卡号。如图4.2所示。图4.2读取卡的信息如图4.3所示，输入块地址和密码，即可读取该区块的数据。该数据以16字节的形式存放，像这样的块区，一共有16块扇区，如图4.4所示，每个扇区的块0、块1和块2位数据块，可用于存储数据，每块16个字节。REF_Ref4751\w\h[9]图4.3读取数据写入数据也是按照这个存储结构存放的，选择块地址，写入16个字节数据。在系统中我们将通过程序的编写，将员工的编号，工作量等信息放入不同的块区，通过对卡数据的读取来实现员工的自动识别，以及工作量的记录。图4.4存储结构图4.1.2MFRC522的传输协议RFID读卡器与上位机之间传输的指令格式如表4.1所示。表4.1传输命令格式帧头命令字节数据字节帧尾7FF7/55下面就介绍寻卡、防冲撞、读卡传输指令格式：（1）寻卡发送：7f037f接受：7f040055发送命令0X03一个字节寻卡方式，该参数表示为寻卡，返回值为2字节卡类型号，0400表示使用的RFID卡是S50卡。如图4.5所示。图4.5寻卡命令（2）防冲撞发送：7f047f接受：7fB6F787AB55发送命令0X04防冲撞命令，返回值为4字节卡串口号B6F787AB，表示的是该RFID卡的卡号。如图4.6所示。图4.6防冲撞命令（3）读卡发送：7f077f接受：7f12235678EDCBA9871223567801FE01FE55发送命令0X07读卡命令，返回值为16字节数据12235678EDCBA9871223567801FE01FE，表示的是该RFID卡的存储数据。如图4.7所示。图4.7读取数据命令4.1.3刷卡模块读写程序设计如图4.8所示，该图为刷卡模块读写程序的流程。图4.8读写程序设计流程图（1）宏定义首先程序定义，定义了波特率为115200，定义了两个串口设备号，该定义的串口设备的路径，应该与开发板的一致，所以该开发板的串口设备应该位于/dev/下。程序：#defineBAUDRATEB115200#defineCOM3"/dev/tq2440_serial2"#defineCOM2"/dev/tq2440_serial1"（2）打开串口通过open函数打开串口COM3，参数O_RDWR设置为读写模式，参数O_NOCTTY通知Linux系统，这个程序不会成为这个端口的控制终端。REF_Ref4973\w\h[10]程序：fd=open(COM3,O_RDWR|O_NOCTTY);（3）串口的初始化需要：设置波特率，设置数据流控制，设置帧的格式（即数据ge数，停止位，校验位）。表4.2串口设置程序代码程序说明structtermiosoldtio,newtio;tcgetattr(fd,&oldtio);tcgetattr(fd,&newtio);保存原先串口配置，用tcgetattr(fd,&oldtio)函数tcflush(fd,TCIFLUSH);处理要写入的引用对象，TCIFLUSH

为刷清输入队列cfsetispeed(&newtio,BAUDRATE);cfsetospeed(&newtio,BAUDRATE);设置波特率，使用函数cfsetispeed、cfsetospeednewtio.c_cflag|=(CLOCAL|CREAD);启用接收器和本地模式newtio.c_cflag&=~CRTSCTS;设置硬件流无newtio.c_cflag&=~PARENB;设置偶校验newtio.c_cflag&=~CSTOPB;设置停止位，通过激活c_cflag中的CSTOPB实现。若停止位为1，则清除CSTOPB，若停止位为2，则激活CSTOPB。此处停止位为1newtio.c_cflag&=~CSIZE;newtio.c_cflag|=CS8;设置数据位，需使用掩码设置。此处为数据位为8newtio.c_iflag|=(INPCK|ISTRIP);parity有效接收数据中去除校验位newtio.c_iflag|=IGNPAR;忽略奇偶校验错误newtio.c_lflag&=~(ICANON|ECHO|ECHOE|ISIG);原始方式输入tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio);激活配置。在完成配置后，需要激活配置使其生效。TCSANOW为更改立即发生（4）发送命令和接受数据我们通过串口给MFRC522发送命令，等待芯片回应后将数据读取并打印出来。如下面程序所示，给MFRC522模块发送防冲撞命令7f04f7。程序：unsignedcharc[20];//定义一个长度为20字节的数组c[20]char*buff=malloc(10);//申请长度为10字节的连续存储空间，并将分配到的存储间地址转换为char类型地址，然后把他赋给指针变量buffbzero(buff,10);//将buff中最开始的10个字节清空c[0]=0x7f;c[1]=0x04;c[2]=0xf7;//防冲撞命令n=write(fd,c,4);//发送命令该模块收到后会返回4个字节卡串口号。这四个字节就是该RF卡的卡号。我们用下面的程序接收MFRC522模块的返回值。利用read函数读取buff里的串口收到的数据，buff为存储写入数据的数据缓冲区，然后将接收到的数据打印在屏幕上。程序：char*buff=malloc(10);//10个字节赋给buff bzero(buff,10);ret=read(fd,buff,10);//接收RF卡号我们通过以上方式，建立了与MFRC522射频卡模块的通信，我们通过发送读卡命令来作为员工身份验证的登录，通过发送写入数据命令来记录员工的工作量。（5）主函数刷卡模块的功能是结合人机交互的QT界面显示的，所以在程序中需要用到多线程的方式，如图4.9所示。使程序在读卡时，人机交互的QT界面不会出现无法其他操作的情况。图4.9刷卡程序结构流程图首先程序调用了com_init()子程序，括号中的变量BADRATE为波特率，在定义中已经定义为115200，该程序完成了打开串口并完成串口的波特率，停止位等初始化设置。然后调用send（）子程序发送命令到RC522模块板中，等待回复，回复后执行下一行程序，调用receive（）子程序接收回复的数据。延时一秒后，保存上一次连接的设备设定值，然后关闭串口。程序：com_init(BAUDRATE);//串口设置，波特率设置 send(0);//写入程序调用 receive(0);//接收程序调用tcsetattr(fd,TCSANOW,&oldtio);//激活配置4.2Web服务利用ARM的开发板在Linux操作系统中移植BOA服务器，通过终端，浏览器等网页浏览方式实现监控，并在网页上显示相关信息。如图4.10所示，基于Web模块的流程图。图4.10基于Web的远程监管4.2.1BOA服务器的搭建第一步把Linux系统下的boa服务的源码的压缩包解压到某一个目录里，进入源代码目录，由于BoaWebserver的Makefile中没有install，我们只是进行编译，然后复制编译后的文件到相对应的目录里，所以在运用configure时不需要指定具体位置。因此要求配置./configure。修改src/compat.h之后再进行make编译命令，不然会报错。Boa的配置[11]需要将BOA配置文件boa.conf放到Boa的源码目录下面，根据实际情况对该配置进行了修改，之后需要创建其他的辅助文件放到boa.conf文件内容所对应的目录下。4.2.2网页设计（1）数据采集页面数据采集页面我们命名为da.html，该页面就是显示圆机的转速、花型以及圆机是否在正常工作等信息，并打印到网页上面。该网页代码文件中包含了HTML代码和JavaScript脚本。JavaScript脚本有两个函数：loadXML和getmessageREF_Ref5789\w\h[12]。使用这个脚本的目的就是让页面能动态更新数据，而不用手动对页面进行刷新。LoadXML函数REF_Ref5965\w\h[13]在页面被打开时调用，其中函数：setTimeout("loadXML()",1000);//每1000毫秒（也就是1秒）重新执行一次Getmessage函数被loadXML函数REF_Ref6269\w\h[14]调用，从服务器的da.xml文件中，读取出我们需要的数据，在页面上显示。因此，这个函数和服务器上的da.xml文件是紧密相关的。da.xml文件的内容如下：<measure><ch_0>500</ch_0><ch_1>01</ch_1><ch_2>1</ch_2><stop>A</stop></measure>我们的后台服务程序也会对这个文件进行读写，从而达到服务器和用户进行数据交换的目的。ch_0里面存放的圆机每分钟的圈数，ch_1中存放的是圆机正在编制的花型编号，ch_2显示的是机器是否正常工作，该数值为1表示织机运行正常，该数值为0时表示异常。这些数据将从圆机控制系统采集而来。（2）服务器后台程序当客户按下数据信息采集界面的“开始采集”按钮后，会执行一个后台服务程序，也就是run.cgi。程序的开始会调用fork来创建两个进程：一个主进程，该进程将打印da.html页面的HTML信息，打印完HTML信息后该进程就退出；另一个子进程执行真正的数据采集，它会采集圆机的数据，并对读出来的值进行转换，并且把获取的最终结果写入da.xml文件里，供客户搜索。这样使用两个进程的好处就是，在数据采集的时候，页面不会因为等待而出现无法操作的情况。如图4.11所示，采集页面的功能是由两个进程组成的。图4.11采集页面的两个进程将读到的数据放到temp中，转换之后放到buff中，最后放到da.xml文件中。代码：read(adcfd,&temp,sizeof(int));write(xmlfd,buff,ret);同时，该进程还会通过以下程序检查da.xml的<stop>标签中的内容，如果为‘$’，则说明用户按下了“停止采集”键，那么就结束程序的执行，否则继续执行。如以下代码所示：if(buff[i]=='$'){buff[i]='A';lseek(xmlfd,0,SEEK_SET);write(xmlfd,buff,ret);lock_set(xmlfd,F_UNLCK);close(xmlfd);close(adcfd);return0;}（3）停止采集cgi程序当用户按下数据采集页面的“停止采集”按钮后，会执行一个后台服务程序，即stop.cgi。代码：buff[i+5]='$';lseek(fd,0,SEEK_SET);write(fd,buff,ret);lock_set(fd,F_UNLCK);close(fd);该程序的实现比较简单，主要任务就是改变da.xml文件中的<stop>标签中的内容，如以上代码所示，在其中插入一个‘$’字符，当我们的数据采集程序检测到这个变化后，就会停止采集。4.3本地人机交互界面设计设计一个本地人机交互QT界面，人机操作显示功能，方便工厂工人对织机操作和了解织机当前生产信息。4.3.1新建工程在

Qt

Creator中新建一个QT4GuiApplication工程项目one。新建完成后，该项目中会生成四种文件类型：（1）项目管理文件，存储项目设置的文件。（2）主程序入口文件main.cpp，实现main()函数的程序文件。（3）窗体界面文件mainwindow.ui，一个XML格式存储的窗体上的元件及其布局的文件。（4）mainwindow.h是所设计的窗体类的头文件，mainwindow.cpp是mainwindow.h里定义类的实现文件。C++

中，任何窗体或界面组件都是用类封装的，一个类一般有一个头文件（.h文件）和一个源程序文件（.cpp文件）。4.3.2刷卡登录界面将员工的RF卡读取到的数据与数据库中存放的数据相比较，若信息符合则自动登录，跳转到织机工作页面，该页面显示着织机的运行情况、生产花型等。登录流程如图4.12所示。图4.12刷卡登录流程图4.3.3数据库表的设计创建数据库表，将员工的信息加入到表中，如下几行程序，将员工LiMing的名字加入到表中，并搜索该表格。代码：QSqlQueryquery(db);query.exec("createtableWorkers(idintprimarykey,""namevarchar(20))");//创建Workers的数据库表；query.exec("insertintoWorkersvalues(10,'LiMing')");query.exec("select*fromWorkers");while(query.next()){qDebug()<<query.value(0).toInt()<<query.value(1).toString();}第五章系统调试5.1Web网页访问如图5.1所示，该页面是我们在IE浏览器的地址栏中输入服务器REF_Ref6700\w\h[15]IP地址时所看到的页面。当点击开始采集按钮时，服务器的后台程序run.cgi也会开始运行，对我们的圆机的数据进行采集。REF_Ref6942\w\h[16]圆机01的转速为500r/min，生产花型的编号为01，运行状况为1，该圆机运行正常。当圆机运行状况异常时，如图5.1中的编号为02的圆机所示，运行状况显示数值0，该数值是异常的体现，该圆机的转速也偏离了正常的范围。图5.1圆机监管页面点击异常查看的时候，可以跳转到如图5.2页面所示页面，查看可能产生异常的原因，之后便可以点击报修按钮进行报修，通知工厂工人进行维修。图5.2圆机异常情况管理点击员工管理的时候则会跳转到如图5.3所示页面，该页面会显示员工的工号、姓名、工作量等记录。右下角的管理区域，可以添加或删除员工。图5.3员工管理界面5.2人机交互界面员工将身份卡接近读卡模块后，MFRC522会将身份卡的信息读取到，并由机器上的终端显示出员工的姓名、工号等信息。若信息与数据库和对准确，点击登录即可进入该终端对应的机器界面。如图5.2所示。图5.2刷卡登录界面登陆之后，员工可以在该终端上面看到自己的工作时长，以及该机器的运行状况，如生产花样、工作进度等。如图5.3所示。图5.3机器工作界面点击花样设置即可进入机器花样的选型界面，如图5.4所示。点击添加花型，即可通过读取SD卡上面的花型数据来添加。图5.4花样选型点击工作详情即可进入该织机的运行状况详情，该页面如图5.5所示，该页面进一步将圆机的运行状况的数据更为详细显示出来了。图5.5圆机工作详情结束语虽然每学期都安排了课程设计或者实习，但是没有一次像这样的课题设计能与此次相比，设计限定了时间长，而且是一人一个课题要求更为严格，任务更加繁多、细致、要求更加严格、设计要求的独立性更加高。要我们充分利用在校期间所学的课程的专业知识理解、掌握和实际运用的灵活度。在对设计的态度上的态度上是认真的积极的。两个月的时间非常快的就过去了，从了解课题，到着手去设计它，中间经历的过程确实非常的漫长的。我查阅网上各种关于物联网应用与电控系统的相关文档，了解分析了纺织企业管理者的需求，初步定下了设计方案，之后与导师沟通设计方案可行性的分析，最终确定了设计方案，将物联网应用于系统，通过网页监控来解决客户远程管理生产的需求。设计从最开始的需求分析、系统结构设计，到之后的硬件模块选件、软件设计，只有亲身经历过才知道其中的难度，设计过程中会发现自己学到知识远远不够解决其中的难题，所以在设计过程中时需要大量知识的汲取的，而且设计过程中的学习不需要学的多么的深入，只需学习能够解决设计中碰到的难点即可，因为时间原因，在设计时是没有时间去太深入的学习。之后的深入学习可以留到以后的空余时间。在系统结构设计遇到了很多的问题，对课题的不明确导致系统的结构思路不通，对系统的庞大架构没有一个清晰地概括，我