基于Zigbee无线网络的注塑机控制系统的设计

周文辉，黎 萍，何瑞彬

（电子科技大学 中山学院，中山 528402）

塑料注射成型机能一次成型外形复杂、尺寸精确或带有金属嵌件的质地密致的塑料制品，被广泛应用于国防、交通运输，以及人们日常生活各个领域。目前，注塑生产企业的注塑机普遍采用单机设定、单机工作模式，缺乏统一有效的管理。管理者对每台注塑机不能进行更具体和快速的考核，生产中出现的问题也不能直观及时地反映出來。这种生产管理模式决定了注塑机的生产效率普遍不高。政府大力推进产业转型升级以来，注塑企业正由劳动密集型向技术密集型转变，实现“高效、低耗、优质”的注塑生产管理模式是每个注塑企业的目标。

注塑机普遍处于温度高、噪音大的生产环境中，以往调整机器参数需要工人进入车间逐台调整，不仅人力资源成本高，生产效率低，而且对工人健康产生一定影响。因此，引入Zigbee无线传感网络技术，把注塑机连接起来，形成一个控制群，实现系统集中管理、远程参数设置、产能管理等[1]，能够有效降低人力资源消耗，提高生产效率，降低设备维护成本。

1 总体设计

基于Zigbee无线网络的注塑机控制系统主要包括注塑机控制器、控制面板、Zigbee网络模块和上位机监控端，系统总体结构如图1所示。典型的Zigbee网络拓扑包括星形、树形和网状3种。针对系统只有一个控制终端，各控制器处于平行关系的控制特点，选择星形拓扑。Zigbee的网络角色包括协调器、路由、终端3个角色。Zigbee协调器用于启动整个无线网络，处于控制中心。在启动网络后就由其他2个角色加入网络。路由能提供节点路由功能，同时能够扩张网络覆盖范围。终端是Zigbee网络的最边缘节点，网络负载最小，通常在终端上连接各种传感器和控制设备。各个Zigbee节点与Zigbee协调器在IEEE 802.15.4无线协议下进行控制命令以及数据的传输。注塑机控制器和Zigbee终端节点，上位机监控端和Zigbee协调器均使用串口进行通信，达到数据交换的功能[2-3]。

图1 系统总体结构Fig.1 Diagram of the overall system structure

2 硬件设计

控制系统硬件包括注塑机控制器、Zigbee网络模块、控制面板。注塑机控制器是系统的核心部件，主要功能是通过对机器状态信息的采集，并根据设定的参数和工作模式，以及机器本身的控制要求，进行数据处理，输出控制信号，完成对注塑机的运行控制，同时把注塑机的各种状态信息传送到控制面板。Zigbee网络模块用于无线通信，以及管理主机与外部的通信，主机控制权限的管理。控制面板用于现场设定机器工作模式和参数，显示机器状态信息。

2.1 注塑机控制器

注塑机控制器采用TI公司的TMS320F2812，具有丰富的外设接口，系统时钟可达150 MHz，系统运行速度高，满足控制器对多任务、实时性的要求。外设A/D采样、D/A输出、I/O模块、串口通讯[4]。A/D采样模块实现注塑机上压力、速度、温度、转速、位移等传感检测的处理、放大；利用对外界传感器或监测装置访问的方式，对慢变信号采用轮询方式按周期T采集，对快变信号采用中断的方式；对采集到的信号按一定的通信协议传输。D/A输出模块主要是将数字信号转换为模拟信号输出，用于控制液压系统的比例阀和流量阀。I/O模块主要用来驱动继电器、电磁阀等，同时检测限位开关以及其他开关量信号，以此来判断当前注塑机的工作状态。

2.2 Zigbee网络模块

Zigbee网络模块使用Jennic公司的JN5139R1芯片，片上拥有2.4 GHz无线收发器的32位高性能低功率单片机，支持Zigbee协议技术规范，具有中继、自动路由、自组网的功能，实现近距离无线通讯的目的。Zigbee终端节点处于注塑机控制器和控制面板之间，用于转发两者的通信数据。对注塑机控制器既可以通过无线网络远程控制，也可以通过控制面板现场控制。Zigbee路由功能用于网络扩展以及无线消息的传递。Zigbee协调器处于监控位置，所有Zigbee终端都向协调器收发消息，通过串口与上位机监控端连接。

2.3 控制面板

控制面板需要设计良好的人机界面，方便修改并存储注塑成型所用信息，如各段料筒温度设置、开锁模、射胶、熔胶等的位置、时间参数、注塑机的运行历史数据等。这些信息也可以通过USB接口保存至U盘，或者通过网络上传至中央控制室，便于进行数据分析。本系统的控制面板采用SAMSUNG2410作为微处理器，主频高达203 MHz，配备大容量的SDRAM、NAND FLASH，采用底板与核心板分离的设计架构，便于扩展外围设备。底板集成了所需外围接口，包含串口、LCD接口、音频接口、USB接口等，键盘采用C51控制。

3 软件设计

3.1 控制面板与控制器软件设计

控制面板软件包含显示和通信模块，程序流程如图 2所示。 系统软件在 Linux 2.6.31内核和YAFFS2文件系统上开发，程序采用C++编写，通过MinGWStudio进行代码编译，利用QT/E进行人机界面开发。

图2 控制面板程序流程Fig.2 Program flow chart of control panel

控制器是以DSP为核心的控制系统，其主要任务是A/D采样、D/A输出、I/O扫描、接受上位机指令并做出相应的处理，控制注塑机的工序动作。控制器软件包括通信模块、温度检测控制模块、比例阀控制模块、位移检测模块、工艺流程控制模块等，控制器主程序流程如图3所示，主程序采用单任务循环处理的程序结构，可以提高系统响应中断的实时性。

图3 控制器主程序流程图Fig.3 Main program flow chart of controller

3.2 Zigbee节点软件设计

JN5139芯片上电后由AppColdStart函数启动，在AppColdStart函数中设置网络相关参数，如：PAN的channel，PANID。只有网络的 channel和PANID相同，才能加入同个网络。通过bBosRun函数启动BOS基本任务调度系统，此后进行初始化操作。接着调用JZS_u32initsystem初始化Zigbee协议栈，如果协议栈初始化成功，协议栈则调用JZA_boappstart函数。JZS_vstartstack函数用以启动Zigbee协议栈。如果在初始化中没有指定手动组网，那么信道扫描、能量扫描、发现网络、尝试加入网络等将由协议栈自动完成。当发生网络事件时，协议栈便会调用JZA_vStackEvent函数通知用户发生的网络事件。如果在协调器发生JZS_EVENT_NWK_STARTED表示启动网络成功，其他网络角色发生JZS_EVENT_NWK_JOINED_AS_ROUTER或者JZS_EVENT_NWK_JOINED_AS_END-DEVICE表示加入网络成功。其中协调器的启动流程如图4所示，其他网络节点的启动过程类似，只是判断的网络事件不一样而已[5]。

图4 Zigbee协议栈启动流程Fig.4 Startup process of Zigbee protocol stack

Zigbee协调器在网络启动成功后由BOS定时调用loop中断定时程序，在loop中断定时程序中完成各个节点发送回来的数据整合，并把数据通过串口回传给上位机监控端。Zigbee协议栈管理网络事件、启动网络，检测网络事件的发生，包括节点加入、数据发送接收，串口中断检测是否有指令下达，继而完成指令的执行与反馈。路由节点具有网络路由功能，它维护一个节点连接列表，有网络数据经过路由时，通过查找连接列表，如果节点在连接列表中则路由数据到连接节点，否则将路由到下一个路由器。Zigbee终端在BOS定时中断中采集相关数据，将数据打包后发送给Zigbee协调器，由Zigbee协调器进行下一步的处理。当节点启动网络成功或者加入网络成功后，就由BOS管理资源。协调器、路由器、终端的主要逻辑就在硬件中断、协议中断或者BOS中断上，其处理中断的逻辑如图5所示。

3.3 上位机监控终端软件设计

上位机监控端软件设计运行在Windows系统，并且使用 MFC（microsoft foundation classes）构架，监控界面如图6所示。设计了注塑机状态、无线网络状态、产能管理、远程参数设定、系统设定等5个功能模块。通过注塑机状态页面能实时监测注塑机的联网状态以及工作状态；无线网络状态页面用于配置无线组网，添加删除网络节点，观察节点数据情况；产能管理页面管理注塑机的产能，生成生产报表；远程参数设定用于远程设定注塑机参数；系统设定页面提供软件系统的全局设置。将各功能封装成DLL（dynamic linkable library）动态链接库，DLL为进程提供了一种可以调用不属于其可执行代码范围内的函数。系统中DLL为各个模块提供服务，有利于资源共享，提高代码利用率，同时也方便软件的维护[6]。各DLL实现的功能如下。

图5 Zigbee软件的逻辑框架Fig.5 Logical framework of Zigbee software

图6 上位机监控界面Fig.6 Monitor interface of host computer

（1）ZigbeeStack.dll 定义上位机和主控芯片的通信协议栈，对串口发送过来的数据进行协议分析处理。

（2）Uart.dll 管理串口连接，扫描串口、连接串口、串口验证、接收、发送数据。

（3）LogMark.dll 记录系统日志，保存历史，读取配置文件、写入配置文件。

（4）DBServer.dll SQL 服务，写入、读取记录。

（5）NetServer.dll管理网络服务，监听网络状态，接受连接，实现远程监控。

4 系统组网测试

系统测试需要首先验证Zigbee模块组网的功能。通过串口连接Zigbee协调器与上位机，启动Zigbee协调器，等待网络启动成功，启动Zigbee路由节点，再启动Zigbee终端节点。通过串口可以将Zigbee组网状态打印出来，包括节点的短地址和MAC地址等节点信息。Zigbee组网测试正常后将Zigbee终端节点安装到注塑控制器上，连接好必要的线路，与注塑控制器进行通信，继而实现对控制器的检测和控制。线路连接正确后运行上位机软件，选择正确的串口后上位机将连接上Zigbee协调器，通过上位机监控界面可以查看各注塑机的状态，包括查看各个节点的通信是否正常，发回的注塑机状态信息是否完整、正确等。点击任一注塑机节点进入设置界面，通过发送测试参数可验证对应的注塑机控制器是否能正确接收。Zigbee无线网络的节点无遮挡可靠通信距离是80 m左右，如遇遮挡物则会出现信号快速衰减。因此对于车间内距离超过80 m或有墙壁阻隔的注塑机之间，需加装Zigbee路由节点以扩大网络传输范围，保证通信的有效性和可靠性。

5 结语

Zigbee无线传感网络技术应用到注塑机控制系统中，不仅避免了复杂的现场布线施工，而且Zigbee无线网络具有自组织、低成本、低功耗，可靠性高等特点。通过Zigbee无线网络对注塑机控制器进行远程操控，实现了注塑车间多台注塑机的参数设置、运行调试和产量控制。系统的投入使用将大大降低注塑生产对人力资源的依赖程度，进一步提高生产效率。

[1]刘子恒.我国注塑机控制技术及发展趋势[J].中国包装工业，2011（3）：46-47.

[2]王志强.精密注塑机控制系统设计[D].浙江：浙江大学，2010.

[3]吕治安.Zigbee网络原理与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4]肖鼎新，吴旭光，冯欢欢，等.基于PC_104的工业注塑机控制器设计[J].制造业自动化，2010，32（10）：70-73.

[5]赵端，纵鑫.基于Zigbee技术的井下液压支架压力监测系统设计[J].工矿自动化，2014，40（1）：31-34.

[6]张宏林.精通Visual C++串口通信技术与工程实践[M].北京：人民邮电出版社，2008.