基于ZigBee 和RFID 的CNC 数据采集系统设计

刘忠凯 段富海

(①深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518100;②大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 116024)

随着数控技术在我国的大规模应用，数控加工车间的信息化已经成为现代企业持续发展的必然选择。数控机床是数控加工车间的主要设备，是MES(manufacturing execution system)重要的研究对象，对其高效利用是提高数字化车间生产效率的根本保障。MES系统是面向车间级的生产信息管理一体化系统，为车间工人及管理者提供生产加工、决策管理等信息［1-4］。随着MES 的逐步应用，智能化的数控机床相关数据采集系统已成为制造企业信息化的重要环节，采集系统的性能优劣直接决定着制造企业的生产效率。

按照功能组成，MES 系统包含生产设备的管理与现场生产信息的管理［5］，具体到数控机床则可分为数控机床状态数据和数控机床生产信息数据两部分。目前，对于数控机床状态数据的采集研究较为成熟，如基于宏命令、PLC 电器电路、外接传感器、嵌入式OPC 及Internet 远程监控等采集方法已经得到了较为全面的研究［6-8］。虽然很多数控机床状态数据采集系统都受数控系统本身开放性的影响，多数接口不能直接获得机床的状态［9］，但通过对多种采集方法的灵活综合应用，基本可以实现对数控机床状态数据的实时采集。但只采集数控机床的状态信息数据并不能全面反映加工过程数据，必须要结合数控机床现场生产加工数据，而目前对于这一方面的研究缺乏一定的实用性，很难反应加工现场状态。所以对数控机床生产数据采集系统的研究具有重要意义。

通过对数控机床现场数据结构的分析，提出了基于RFID 与ZigBee 技术的数控机床生产信息采集系统。系统在采集层及传输层进行了系统性设计，可以实现智能无接触式采集和组网无线数据传输，对加工人员信息与在制品工序信息实现智能化采集。该方法具有便捷、高效、准确率高等优点，不但能实现车间内数据采集，还可以通过更大范围的组网实现厂级甚至更大级别的数据采集。

1 系统总体设计

数控机床生产信息采集系统分为3 个层次:采集层、传输层、管理层，如图1 所示。

RFID 采集层负责与数控机床有关的数据采集，并将采集数据编写为相应的数据帧格式。采集层信息包括工人信息、在制品工序信息、质量信息、批次信息等。

ZigBee 传输层负责将采集层数据帧进行解析与打包处理，并通过ZigBee 无线网络将数据传输到上位机端，由上位机端进行集中管理。

上位机管理端将传输层数据进行解析，根据解析数据类型决定执行动作，实现数据存储与人机交互。上位机管理端提供数据库操作，管理者可对历史数据进行查询。

采集系统结合RFID 与ZigBee 技术实现采集层数据采集与传输层数据传输功能。系统采集层采用RFID 高低频搭配的方案，低频RFID 对读写频率较低、周期时间较长的工人信息进行采集，高频RFID 对读写频率较高、周期时间较短的在制品信息进行采集，避免两者信息之间干扰的同时降低了系统设计难度。传输层利用CC2530 无线射频芯片设计了传输模块，无线模块与RFID 模块采用组合式设计，两种模块可以灵活地进行组合，形成采集传输一体化模块，CC2530 模块与RFID 模块之间采用串口通讯，保证通讯效率。采集与传输一体化模块通过网络协调器与上位机进行通讯，ZigBee 协调模块与上位机之间采用RS232 进行通讯，完成了数控生产信息的集中管理功能。图2 为系统整体结构。

2 系统硬件设计

系统硬件包括采集工人信息的低频RFID 模块、采集在制品信息的高频RFID 模块及ZigBee 无线信息传输模块。

(1)工人信息采集模块。低频工人考勤信息采集采用MCU+射频基站芯片的方式，MCU 与射频芯片通过控制引脚相连。主控芯片采用STC 公司的51 内核单片机STC F1104E，射频芯片采用U2270B 芯片，U2270B 通过2 个线圈驱动引脚外接电容与线圈组成振荡电路，产生射频场载波可以提供100～150 kHz 的射频载波，典型的载波频率为125 kHz。图3 为工人信息采集模块总体结构框图。

(2)在制品信息采集模块。在制品信息采集数据量大，读写频繁，并且要求有一定的读写距离，故采用高频13.56 MHz 的RFID。该模块支持对ISO15693、ISO14333A 协议射频卡的读写操作，可快速地完成对标签卡内部资源的访问与存储。MCU 采用低功耗16位高性能MSP430f2370 处理器，射频模块采用低功耗非接触式读写器射频芯片TRF7960。

图4 中线圈匹配电路决定天线负载，从而调整实际品质因数Qantenna使其更加接近最佳品质因数Qrequred，提高天线性能。天线采用PCB 天线，具有体积小、电路简单的优点。该方案设计射频模块读卡距离可达6～10 cm，可满足在制品加工中的读写要求。

(3)ZigBee 无线数据传输模块。无线模块采用市场上应用较为成熟的CC2530F256 芯片，该芯片集成了基于2.4 GHz 的IEEE802.15.4 标准的RF 无线收发器与增强型的8051 内核。CC2530 通讯模块采用插针的方式接入底板，在底板预留相应的插槽，可以灵活地更换通讯模块。该模块的供电电路、DEBUG 接口及按键、LED 指示灯、I/O 接口等外设也全部通过插针引到相应的底板上。CC2530 节点与射频模块底板MCU之间通讯是通过UART 接口交叉连接的。图5 为CC2530 与MCU 连线示意图。

本文中的设计采用PCB 倒F 天线。倒F 天线具有尺寸小、设计方便等优点，并且在不用增加任何尺寸的情况下将阻抗匹配到50 Ω。

3 传输格式定义

低频125 kHz 工人信息采集模块针对EM4100 射频卡进行读取，卡内存储10 位卡号信息，其数据传输只需将卡号信息采集发送即可。高频RFID 为TI 标准的ISO15693 标签应答器，标签卡最小读写单位是块，也就是每次读写至少要4 个字节，可以分块读写，也可以连续多块读写。工件物流及在制品的工序信息都存储在2 084 bits 的用户数据区中，根据数据类型的不同存储在不同的块区中。工件工序卡分为单件工序卡和批次工序卡，块1 的第1 字节存储卡类型信息，当第1 字节为0×01 表示该卡为批次工序卡，当第1 字节为0 ×02时表示该卡为单件工序卡。如图6 所示。

卡片其他用户数据区存储内容包括:工件或批次编号、订单号、批次或工件数量、工件类型、工序总数、已完成工序数、加工开始标志及加工结束标志、质量信息、设备信息。RFID 卡存储信息定义如表1 所示。

表1 数控机床加工信息卡数据区定义

生产信息采集卡信息共用15 块卡内数据存储空间，读卡器根据卡内信息状态编辑空间信息。其中，工件及批次编号、订单号、工件类型、总工序数信息是在工件进入加工区之前写入，系统将这些工件生产信息与卡号之间进行绑定，并录入数据库，在数据库中可以查询其对应信息。但为提高整体系统的实时性，避免在上位机数据库中搜索数据，所以将这些固定信息提前录入卡内，以便实时、快速地将数据传达到上位机管理端。

数控机床现场生产数据最终要通过ZigBee 网络进行传输，在传输之前需要对数据包进行一定的格式规定，形成统一标准数据帧，便于上位机对数据的管理。表2 为数控机床生产信息采集数据传输帧格式。

表2 数控机床生产信息采集数据传输帧格式

工人信息及在制品信息都嵌入表2 中的数控机床生产信息采集传输数据帧，其中第6 字节用于区分是工人信息还是在制品信息，而读取的射频卡数据存储在数据帧的7 到20 字节。第21 字节和校验值为数据类型与数据之和对256 取余的运算结果，和校验能够在一定程度上保证数据传输的准确性，防止外接电磁干扰导致的数据错误。

4 系统软件设计

4.1 RFID 采集程序设计

采集程序设计分为工人信息低频采集程序设计与在制品信息高频采集程序设计。

(1)工人信息采集程序。采集程序采用轮询的方式，实时检测是否有卡片进入射频区，对进入射频区的卡片读取其卡号。卡号程序编写要按照EM4100 数据传输格式进行编写，在程序开头要对9 位1 的字头进行检测，并且需要对每一行及每一列的数据进行奇偶校验，保证传输的准确率。

(2)在制品信息采集程序。通过RFID 读写模块对射频卡的操作实现在制品工序信息的管理，加工人员只需在加工开始及结束后对工件对应RFID 标签卡进行刷卡，并根据查看工件质量选取相应的质量信息录入，其余工序信息数据管理由RFID 读卡器自动完成。图8 为数控机床在制品信息采集程序流程。

在制品信息工序及质量等信息都对应不同的位，其状态转换也是通过对位进行操作实现的，采集过程中需要对位状态转换进行设计。加工状态转换流程如图9 所示。

4.2 CC2530 模块程序设计

CC2530 节点软件设计基于TI 公司设计的Z-stack协议栈。Z-stack 的网络建立是由协调器来完成的，协调器分配网络中各个节点的地址，在一个子节点加入网络时，协调器就会分配一个网络16 位地址，这个地址在该ZigBee 网络中是唯一的。本文中全部采用RFD 设备，即一个协调器和多个路由器设备，各路由节点自动以多跳的方式将数据传送给协调器［10］，车间生产信息采集节点根据自身位置自动进行组网，通过PC 对路由节点的添加，可以确定其网络短地址，并将短地址与设备编号相对应。当在制品或人员信息进行刷卡操作时，路由子节点就会将带有生产或人员信息的数据帧发送到协调器节点。图10 为路由器节点工作流程图。

协调器节点在创建网络后，监视整个网络是否有节点加入，当节点有数据上传时，协调器通过RS232 接口将数据上传给上位机。协调器节点工作流程图如图11 所示。

4.3 上位机设计

系统上位机完成对数控机床状态信号及生产信息的集中监控及管理工作，同时对采集层部分数据进行解析处理，完成一定量的数据分析任务。本系统上位机系统采用C++进行设计，通过界面及通讯接口的设计，构建底层采集系统与人之间的信息交互平台。采集系统通讯不是单一线程可以完成的，要采用多线程的方式实现数据的处理。图12 为上位机系统线程框架。

5 系统测试

生产信息采集测试是基于RFID 及ZigBee 的采集及传输的综合测试，RFID 的高低频模块分别采集工人及工件工序卡射频卡中的信息，并通过ZigBee 网络进行上传，通过对信息读取正确率评定系统性能。图13和图14 为测试上位机界面。

将测试分为3 组，分别对工人信息与在制品信息进行测试，并读写相应RFID 卡片50 次，观察上位机测试结果。测试结果如表3 所示。

CC2530 通讯距离对于系统传输性能有很大影响，所以需要针对不同功率、不同距离情况下的CC2530通讯效率进行测试。经测试，系统采用默认通讯功率1dBm(1.26 mW)以点对点的方式发送1 000 个数据包时，室外120 m 左右通讯丢包率基本为0，在室内25 m范围内通讯基本无损失，满足一般车间的通讯要求。

表3 数控机床生产信息读卡50 次测试结果

6 结语

对数控机床生产信息采集方法进行了研究，提出了基于RFID 的采集方案与基于ZigBee 网络的数据传输方案。分别设计了工人信息采集低频RFID 模块、在制品工序信息采集高频RFID 模块及基于CC2530的ZigBee 网络传输模块。通过对数控机床现场数据的分析，定义了车间采集系统的通讯规约，并对生产加工信息的采集流程进行了设计。对系统性能进行了测试，测试结果表明:该系统具有通讯效率高、读写速度快、准确率高的特点，能够满足数控机床生产信息的采集要求。

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