0 引言

    智能制造是全球制造業變革的重要方向，近年發展迅速，目前美國、德國、日本等工業強國走在世界前列。我國正在加快步伐，深入實施《中國制造2025》^[1]，推進信息技術與制造技術深度融合。為搶占市場，國內外的相關組織開始著手智能制造平臺的設計與研發。美國通用動力為軍工企業研制了基于RFID射頻技術的“生產物料管理系統”；浙江大學研制了集RFID數據、數控機床運行參數、質檢臺數據等在內的“離散制造車間數據采集系統”；上海交通大學設計了基于條形碼技術的“信息采集系統”；武漢科技大學搭建了基于RFID和ZigBee技術的“MES數據采集系統”^[2]。

    當前車間自動化、信息化的主要研究集中在車床數據的采集和單臺設備的管理，存在數據分散、人機界面不友好、與生產業務結合度差等問題。部分系統中采用了基于Android平板的車間現場終端，但存在普適性差、硬件定制性差、機床聯網考慮不足的問題。為解決上述問題，本文設計并研制了基于ARM Cortex-A9的車間生產過程跟蹤與管控終端，提供各種通信總線接口，搭載Android系統，能夠提供生產過程信息感知、機床設備接入、友好用戶交互界面、實時在線管理等服務，滿足對車間生產過程跟蹤、協調及管控的需要。

1 系統整體設計

    系統整體框架如圖1所示，包括車間終端、移動端、PC端、服務器等。選用工業以太網與WiFi網絡作為車間現場主干網絡^[3]，車間終端集成了生產業務，并預留了工業現場常用標準通信接口，能夠兼容各類生產設備，采集現場生產數據與設備參數，與此同時，還能實現與現場ZigBee、藍牙等無線網絡的對接；PC端與移動端主要實現生產數據的維護、生產過程的管理、人員管理、生產數據報表的生成等；服務器實現生產數據、設備參數等各類信息的存儲、管理、推送、應用。

2 系統功能設計

    系統包括PC端、服務器、移動端與車間終端，總體功能包括：基礎數據維護、生產模塊、生產統計報表、考勤功能、設備管理、質量管理、權限安全，如圖2所示。

3 車間終端硬件設計

    車間終端由主處理器、電源管理模塊、WiFi模塊、以太網模塊、藍牙模塊、RFID模塊、通信接口及相關驅動電路等構成^[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，終端擴展了內存與固態存儲以提高整體的性能，同時，擴展通信接口、采集生產信息與設備參數并通過以太網與WiFi網絡轉發到服務器；觸摸屏、LCD與矩陣鍵盤可供現場工作人員查看生產、設備等信息并進行相關業務操作；通過RFID射頻模塊實現讀卡鑒權功能。

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，擴展2 GB雙通道DDR3內存，16 GB EMC固態存儲，具備SPI、USB、I²C、RS485、RS232、DMA等接口，穩定性強，可靠性高，能適用于對接口、性能、處理能力、穩定性、數據存儲要求較高的車間現場應用場景^[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，輸出可調電壓范圍在0.8 V～4.8 V，最大關機電流為1 μA，該電源芯片的效率高達95%，100%占空比的低壓差應用，1.2 MHz固定開關頻率，穩定的低ESR陶瓷輸出電容器，支持熱關機、逐周期過流保護、短路保護等。適用于嵌入式智能終端設備。驅動電路如圖4所示。

3.3 RFID模塊

    通過RFID射頻模塊實現車間生產過程跟蹤與管控系統中的鑒權機制，RFID射頻模塊采用RC522芯片^[8]。該芯片是應用于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議，支持14443A兼容應答器信號，數字部分支持ISO14443A幀和錯誤檢測；此外，還支持快速CRYPTO1加密算法，它與主機間通信采用SPI模式，雙向數據傳輸速率高達424 kb/s，數據傳輸速率最大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

    車間終端預留了工業現場常用的通信接口，支持CAN總線、RS485、RS232、USB等接口。豐富的工業現場通信接口便于實現與車間機床、設備的數據交互，增強了車間終端的兼容性與擴展性。RS485通信采用的芯片為MAX13085EESA，該款芯片支持RS422與RS485通信協議，工作電壓為4.5 V～5.5 V，具有1個驅動器與1個接收器，數據速率高，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/藍牙/WiFi

    車間終端支持以太網、藍牙、WiFi等網絡通信協議，并為工業現場的ZigBee、3G/4G等無線網絡預留了接入接口。以太網模塊采用的芯片為DM9621NP芯片，該芯片支持IEEE802.3u 100BASE-TX和IEEE802.310Base-T標準，支持IEEE802.3x流量控制功能的100BASE-TX和10BaseT，支持以太網Link/Act指示，支持以太網速度（10 M/100 M）指示，內置3.3 V～1.8 V穩壓器，10個10/100 Mb/s快速以太網PHY自動MDIX，兼容5.0 V寬容的I/O。

    藍牙與WiFi通信部分采用MT6620芯片，該款芯片同時支持WiFi通信與藍牙通信功能。MT6620為WiFi/藍牙調頻發射接收功能組合模塊，具有自動校準功能，支持WiFi 802.11b/g/協議，支持WiFi SDIO2模式^[11-12]。

4 車間終端軟件設計

    車間終端軟件首先進行Linux系統及Android系統平臺的構建，根據車間生產和業務需求完成底層設備驅動程序的開發、移植及Android應用程序的設計^[13-14]。在以太網、WiFi等網絡的基礎上完成數據的傳輸，實現對生產訂單、設備、人員、生產過程的實時跟蹤與管控。圖7為車間終端軟件部分功能界面效果圖。

4.1 Android系統平臺構建

    車間終端軟件系統采用Android操作系統，通過Linux操作系統、中間件、用戶界面、應用軟件等模塊構成其操作平臺。Android系統的結構框架，按照從上到下的順序分別為：應用程序(Application)、應用程序框架(Application Framework)、程序庫(Libraries)、Android 運行環境(Android Runtime)、Linux核心層(Linux Kernel)。車間終端運行的Android操作系統以Linux2.6.30版本的內核作為核心，并搭配了函數程序庫、運行環境以及應用程序框架，用以開發Android的APP 應用程序。

4.2 Linux驅動層開發

    要實現Android上層應用對底層顯示、通信接口、總線接口、輸入接口等設備的訪問，首先需要完成Linux底層驅動程序的開發與移植。驅動程序中首先需要定義設備驅動程序類型，然后編寫初始化函數，實現驅動程序在內核中的注冊和相關硬件資源的申請，定義相關的硬件接口操作方法，實現文件操作方法，為應用層訪問硬件層提供統一的文件操作接口。對于LCD、WiFi、以太網卡這類通用設備，開發商和Linux內核中提供了驅動源碼及總線接口，需要完成驅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需要自己編寫相關的硬件初始化操作方法，接入相應總線，并設計文件訪問接口，完成驅動程序的開發工作。為了更好地滿足車間終端特殊操作、管控體系、權限控制的需要，在Linux驅動層設計中，對Linux及Android驅動層的Input子系統進行調整，提高了Android應用對Input設備的管理權限，實現了Input子系統的跨層傳遞機制，如圖8所示。

4.3 JSON通信機制

    系統軟件的通信方式為JSON(JavaScript Object Notation)。JSON是一種輕量級的數據交換格式，易于閱讀和編寫，同時也易于機器解析和生成。它提供了一種優秀的面向對象的方法，以便將元數據緩存到客戶機上，幫助分離驗證數據和邏輯，使用JavaScript解析XML時需要層層解析，不能快捷獲取計算所要使用的數據，而JSON能被很好地解析。系統在進行通信設計時對標準的JSON格式進行了優化，數據量減少了一半。

5 結論

    系統完成了車間生產過程跟蹤與管控終端的設計與研制，配合移動端、PC端、服務器的開發，完成了生產車間的訂單、設備、人員、質量的跟蹤與管控。車間終端實現了生產、設備、質量等數據的采集，生產相關信息的實時上傳與下達，生產過程信息的統計與分析。具有高實時性、在線管控、人機界面友好、生產業務聯動、交互性強、適用范圍廣等優勢，系統下一步將研究如何根據采集的生產、設備等數據，進一步優化生產業務流程、減人增效，提高設備的利用率，從而提升車間生產過程的智能化與信息化水平。

參考文獻

[1] 周濟.智能制造“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015，26(17)：2273-2284.

[2] 王宏志，宇皓林.基于ARM-Linux遠程視頻監控系統的設計[J].吉林大學學報，2014，52(1)：104-108.

[3] 車楠，李治軍.異構無線網絡中Relay節點部署算法[J].計算機學報，2016，39(5)：906-910.

[4] 鞏琛，蔡文.基于ARM的Linux驅動調試技術研究[J].計算機應用與軟件，2016，33(3)：232-236.

[5] 楊碩，沈振軍.基于Linux的步進電機嵌入式控制系統[J].儀表技術與傳感器，2015，1(1)：78-80.

[6] 周海峰，李俊.基于Linux的外部AD驅動程序設計[J].儀表技術與傳感器，2015，5(5)：53-56.

[7] 徐彪，朱健銘.通用型工業級數據采集和監控系統設計[J].計算機測量與控制，2014，22(10)：3192-3198.

[8] 李京文，王江.基于RFID技術的多通道信息識別機設計與實現[J].北京工業大學學報，2014，40(12)：1791-1795.

[9] 蘇虎平，沈三民.基于冗余CAN總線的實時通信系統設計[J].自動化與儀表，2013，30(12)：24-29.

[10] 張昊，崔永俊.基于CAN總線的傳感器網絡設計[J].計算機測量與控制，2013，21(11)：3103-31025.

[11] 王昭順，徐柏權.一種基于藍牙的交互式系統設計與實現[J].計算機工程與科學，2014，36(8)：1501-1505.

[12] 李眾，陸海空.基于ZigBee、以太網、WiFi技術的網關設計[J].測控技術，2015，34(3)：97-103.

[13] 鄭龍全，鄒海林.基于嵌人式操作系統的故障錄波器通信接口設計[J].測控技術，2013，32(10)：116-120.

[14] 楊衛，王正言.基于藍牙技術的語音通信傳輸系統設計[J].計算機測量與控制，2013，21(2)：499-511.

作者信息:

毛亞青1，張  立1，黃  凱2，俞  嘯1

（1.徐州醫科大學 醫學信息學院，江蘇 徐州221000；2.江蘇徐工信息技術股份有限公司，江蘇 徐州221000）