基于wsn的车间数据智能采集与监控系统的设计与研究-张新.pdf

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1、2018年第1期基于WSN的车间数据智能采集与监控系统的设计与研究术张 新 孙文磊 张建杰 徐楚桥(新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047)摘要：针对汽车设备、工程机械零件、装备制造工艺等制造行业而言。需涉及到多人员、多物料、多设备的机械制造，考虑到车间复杂性、准时性、不确定性等生产因素，研究了无线传感器网络节点的应用优势，设计AP组网模式，利用ZigBee短距离无线通信技术，通过传感器进行车间数据采集，依托无线传感器网络进行数据传输。从而实现车间多源状态数据采集。关键词：无线传感网络；网络节点；AP组网；数据采集中图分类号：TP391 文献标识码：ADOI：1019287jcnki1

2、52402201801028Design and application of intelligent data acquisition and monitoring system based on the WSNZHANG Xin，SUN Wenlei，ZHANG Jianjie，XU Chuqiao(School of Mechanical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，CHN)Abstract：In view of the manufacturing industry of automobile equipment，engin

3、eering machinery parts and equipmerit manufacturing technology，it is necessary to carry out the multipersonnel，multimaterial andmultiequipment machinery manufacturing，taking into account the factors of complexity，punctualityand uncertainty，this paper introduces the application of wireless sensor net

4、work node，designs AP networking mode，utilizes ZigBee short distance wireless communication technology，carries on theworkshop data acquisition through the sensor，and carries Off the data transmission through the wirelesssensor network，thus realizes the multisource state data gathering in the workshop

5、Keywords：wireless sensor network；network node；AP networking；data acquisition随着先进制造技术的发展，我国大多数的制造业将迎来新的挑战。一方面，全民生活质量的提高，从而提升了我们对产品的个性化、舒适度、多样性等多种需求要求市场产品的更新换代速度持续加快所以制造企业必须要考虑缩短产品的生命周期。另一方面制造商需优化升级制造车间体系进一步优化生产方式，全面提高生产效率降低制造成本，以至于在市场竞争中脱颖而出11-4。物联网是新型信息技术的重要组成部分，也是时代“信息化”的进一步发展”!。利用网络通讯技术把传感器技术、机器设备

6、、人员与物物等有机的链接，实现了数据信息化、远程管理控制和智能化管理6。将物联网的思想运用到生产车间中，制造物联网将人员、机器以及通信数据等有机的联系，使得管控系统分散化，生产信息联系密集化7。对于传统制造业的生产数据复杂、时效、异构等特点，采用工业以太网或车间新疆高技术项目(201513102)；自治区自然科学基金(2016DOtC055) 136 现场总线等有线的传输方式8】。此模式受车间物料多变、地点限制、外界加工环境的影响，满足不了现阶段大数据交流、实时响应的车间制造一。1 3I。本文将车间机床RS232、RS485串口通过串口服务器转换为RJ45以太网口，然后接人到无线接入器转换为无

7、线网络接人到车间局域网或WIFI网络，并利用ZigBee通信技术实现车间内数据采集与数据传输。1无线AP组网通信11 AP组网无线接入器也可称为无线AP(如图1)，它可认为是无线路由器的网络信号增强设备，可有效扩展车间无线网络的覆盖区域。在生产加工车间中，事先只预留了一个有线网口，与较远区域交换信息若要进行网络布线将会造成资源浪费，还有其他信息区域由于地到也般求善札带万方数据2018年第1期形复杂多变，不可能实现有线网络连接。由于以上情况，我们要监控的区域往往都超出了单个网络接入点的有线区域，我们可以采用在车间设置多个无线接入点集成协作，可扩展无线网络的有效范围。AP接入点工作模式构建了以无线

8、AP为核心的集成管控式网络，车间数据通信都经过AP转发，实现网络信息的数据交换。：固一无线PCS厄!蓬H图1无线AP组网拓扑图12机床通信车间机床通信通过机床RS232、RS485经串口经串口服务器转换为RJ45以太网口由无线AP接人器转换成无线网络。无线连接器采用“末端跨接法”(EndSpan)供电方式，不需要设置独立输电的专用线，让AP摆脱了电源接人点的限制。将无线接人器装夹在车间机床床身上，然后通过无线接入器的APclient(AP客户端)模式下和其他AP连接，对车间内所有机床以及显示PC分配IP地址，对AP统一管配，实现AP零配置使用。然后将固定IP和MAK地址与总无线AP相连，通过E

9、thernet(以太网)局域网把总AP连接服务器和PC终端上达到车间机床和PC终端的无线联网。2车间无线传感网络的设计21 WSN需求分析无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是一种分布式传感网络，可以监测、控制外部设备。传感器网络实现了信息数据的获取和处理功能1415。以数据为中心的动态网络，它与通信技术和计算机技术有机的联系为感知外部世界提供了可能性。在车间内建立无线传感网络(WSN)，一方面进行实时数据采集。对机床设备状态参数进行信号检测，如加工过程中机床的温度、压力、位移、速度以及加工产生的震动等信号作为数据检测，以便保证工件的加工质量；另一方面监控

10、物料的生产调度，由传感网络采集基I也叛工喜抽筋到的数据充分了解机床设备正在加工或闲置的状态，智能进行物料调度提高设备的利用率及减少生产时间。分析信号特征与状态识别。描述机床使用中参数的运行规律，对非正常信号进行识别，避免机床出现重大故障问题，降低设备对人员的影响。22无线传感网络结构无线传感器网络的结构体系如图2所示，主要构成包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点16-17。在被感知区域附近部署大量的微小传感器节点，这些节点以自组织方式形成分布式的无线网络区域。以多跳(multihop)的无线通信方式采集、处理节点区域中所需的数据信息，通过互联网或卫星将检测的数据传输到管控节点中心统一处理，从

11、而可以采集、处理和分析车间区域任何机床的实时数据。 鬲赢任务管理节点、图2无线传感网络结构体系3车间无线传感网络数据采集在车间内部设计传输数据到网络中心节点的最佳路由方案，并布置拓扑结构的传感器网络节点。由于拓扑式多分支结构都会配有接收数据的根节点，所以采集的数据以周期性的方式由子节点向上传送到父节点，然后传给根节点。由此构建车间无线传感网络(WSN)，具有较长的工作寿命以及减少数据转换率，此过程中产生的网络延迟一定程度上提高网络的利用率。31 WSN网络节点无线传感网络由许多个网络节点组成，而每个网络节点主要构成包括：数据采集模块，无线通讯模块，处理器模块，感知模块，能量供应模块等。传感网络

12、节点通过节点通信自组网，然后将采集的数据传输到任务管理节点处统一管理。如图3所示无线传感网络节点结构，感知模块采集自定义检测区域中的待检测物体的基本信息以及所需信息，并传输转换采集到的数据信息，以便后续处理；处理器模块通过格式转换、信息识别处理由传感器模块传输的数据以及存储、备份数据；无线通讯模块将数据信息通过转换器转换为无万方数据201 8年第1期线信号，与邻居传感器网络节点进行数据交换。能量供应模块(电源)为网络节点供电保证正常工作。无线通信模块能量供应模块图3无线传感网络节点结构图32车间WSN数据采集系统的设计与实现在车间内部利用无线传感网络实现数据采集，需针对不同的具体应用来分别设计

13、研究。由于考虑到车间机床通常位置固定，且使用率较高在其区域分布大量密集固定的网络节点。由节点通讯产生了多跳的自组织网络，与远距离节点数据传输时需借助邻居节点及中间节点的转发。采用ZigBee标准的ZigBee网络、IEEE自定义协议网络以及物理MAC网络协同工作系统安全性能较高、网络通信功能较大、灵活的网络结构，对用电功耗、网络延迟和其他网络冲突方面有较好的改进，如图4所示。高图4车间无线传感网络设计框架对于以上各网络节点供电以后，系统初始化，网络接口与监控中心通信，实现无线传输。然后参数初始化输人信号经过数模转换器(AD)转换成需要的信号格式再由相同频率的输出通道将从传感器节点采集的数据信息

14、传给协调器，按照异步模式的接口通信方式流经处理器存储、处理后转换为无线信号，接人到车间无线传感器网络，最终监控中心PC管控制造数据信息。无线传感网络数据采集流程如图5所示。图5无线传感网络数据采集流程图4应用案例根据以上理论基础和研究方法，本文用Java语言和SQL Server 2008数据库为开发环境，设计开发了智能车间无线传感网络实验平台，并在新疆大学工程训练中心进行了应用。根据实际的业务流程。该平台主要分为DNC、智能车间、跟踪查询、刀具管理和统计分析等模块。(1)智能模块。主要向车间设备发送和接收NC代码、工艺卡片、2D图纸、3D模型等工艺文档，如图6所示。图6智能模块图(2)智能车

15、间。主要实时提取各车间设备运行参数、运行状态、当前加工工件、完成加工任务情况等详细过程数据并实时调整设备运行参数、监测设备健康稀蓉【也j!筻工占扣硝万方数据201 8年第1期状态等，并据此进行按需配送生产任务、故障诊断、维护报警等行为，如图7所示。5结语图7车间智能监控图在车间实行无线传感网络技术，不仅削弱了空间环境的影响，还提高网络的利用率。本文对车间内采取AP组网拓扑构架，与车间机床无线通信。设计车间传感网络节点结构，模块化的统一管理，进一步地优化了基于无线传感网络的制造车间数据采集。经过具体实际应用说明了车间无线传感网络结构具有一定的实用价值。参考文献1王鑫，丛龙海，乔祯空分车间二压站6

16、#dL控制系统升级改造J化工自动化及仪表，2017，44(7)：7077082亓学鹏基于局域网的远程监控系统的研究与开发D济南：山东大学20093Chen Guangzhu，Meng Qingchun，Zhang LeiChaintype wireless sensornetwork node scheduling strategyJJournal of Systems Engineering andElectronics，2014，25(2)：2032104屈青成品车间汽车装油台计量装车系统升级改造J科技与企业2014(12)：3505刘君物联网技术的认识论研究D上海：东华大学，20156耿

17、红生云制造下网络协同和人机交互融合的关键技术研究D沈阳：东北大学20147周正贵基于物联网技术的车间管理系统设计J长江大学学报：自然科学版，2013，10(22)：73748王蔚基于现场总线的车间监控和管理集成D沈阳：东北大学20099聂志，冷晟，叶文华，等基于物联网技术的数字化车间制造数据采集与管理J机械制造与自动化，2015，44(4)：9810110Li Bin，Wang Wenjie，Yin QingeAn energyefficient geographicrouting based on cooperative transmission in wireless sensor net

18、worksJScience China(Information Sciences)，2013，56(7)：425111Melchizedek Alipio，Nestor Michael Tiglao，Antonio Grilo，et a1Cachebased transport protocols in wireless sensor networks：A survey and fu-turc directionsJJoumal of Network and Computer Applications，2017，88：294912王骥，林杰华，谢仕义基于无线传感网络的环境监测系统J传感技术学报

19、，2015，28(1 1)：1732174013郭剑岚，陈俞强刘怡俊感知策略下的无线传感网络保密容量问题研究J电子测量与仪器学报，2015，29(8)：115卜115614周益基于ZigBee技术的无线传感网络拓扑设计与实现D苏州：苏州大学200915雷阳，尚凤军，任宇森无线传感网络路由协议现状研究J通信技术，2009，42(3)：11712016吴键智能无线传感网络节点的设计和研究D南京：南京航空航天大学200617牟连佳，牟连泳无线传感网络及其在工业领域应用研究J工业控制计算机，2005(1)：35第一作者：张新，男，1992年生，硕士，主要研究方向为智能车间。(编辑 汪 艺)(收稿日期：

20、20171017)文章编号：180138如果您想发表对本文的看法。请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。知识窗功能评价值(function evaluation value)产品功能用货币表示的指标，它是某一特定功能所需的最低费用或必需费用并以这个费用与目前费用相比之比值。功能评价不是评价某零件费用的高低，而是评价这个功能价值的高低。功率放大器(power amplifier)供给负载一定功率的放大器。它主要考虑如何获得效率高、失真小和足够大的输出功率。而不是得到最大的功率增益。它通常用在多级放大器的末级或末前级。用于音频的功率放大器常采用变压器耦合。由于损耗小、能变换阻抗，使负载能与晶

21、体管相匹配。音频功率放大器的工作状态分甲类、甲乙类和乙类。功率限制器(10ad limiter)与速度检测装置发出的信号无关，它控制调节阀开度使其不得超过规定开度以上的装置另外利用功率限制器也可以启动或停机。功率因素补偿(power factor compensation)电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等，大多属于电感性负荷，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率。因此在电网中安装并联电容器无功补偿设备后，将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率。减少了无功功率在电网中的流动，可以降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗，这种措施称作功率因数补偿。击穿延时(ignition time delay)电火花加工时，从间隙两端加上脉冲电压到介质击穿之间的时间。蕊刹皂教木占耀弋=|：=：， 一 139 万方数据