可组网的智能配方管理称量系统的设计与实现

陈达聋，洪永强，郑文楷，马向辉，何珊珊，陈劲夫，薛文东

（厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门361005）

可组网的智能配方管理称量系统的设计与实现

陈达聋，洪永强，郑文楷，马向辉，何珊珊，陈劲夫，薛文东*

（厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门361005）

针对国内配料生产型企业中普遍存在的人工称量低效能、生产数据管理分散等问题，综合利用嵌入式系统、数据库、计算机网络通信，开发设计了一种可组网的智能配方管理称量系统，该系统由称量终端、监控终端、服务器端组成.称量终端具有智能配方管理功能，可以进行准确的配料称量及生产流程控制，确保产品质量.服务器端与称量终端通过无线网络连接，管理人员可远程监控终端工作情况，并实时下发配方数据及工作计划.系统通过组网实现配方和称量数据远程管理，提高企业生产效率及管理水平.

嵌入式系统；组网；配方管理；称量系统

在一些配料生产型企业中，目前配料称量仍处于依赖工人经验进行生产的模式，容易受人为因素的影响，准确度和效率低，数据管理分散，影响产品质量监控［1］.大型工厂采用的自动投料生产线，如梅特勒-托利多公司的自动配料终端，其价格昂贵，一般企业难以承受.而一些较为廉价的配料称量仪表，大多数是基于单片机和小型嵌入式系统，受限于处理速度和系统支持，无法提供完整的网络和数据库功能.本文基于嵌入式系统设计了一套低成本、可组网、可定制的智能配方管理称量系统.该系统可贯穿企业管理、生产、监控、追溯全流程.管理者可远程同步配方数据，实时监控称量数据，实现了产品生产的远程监控、远程管理及质量管理信息化，应用前景广泛.

1 智能配方管理称量系统的设计方案

为了实现智能配方管理称量系统的三大功能——组网、智能配方管理、配料称量.本文所设计的系统按照结构分为3部分：称量终端、生产监控终端、服务器端［1-2］.系统构成详见图1.

如图1所示，称量终端作为整套系统核心，分布于生产线各个环节上，用于显示配方数据和进行配料称量，并辅以扫描枪等外设，使用户可以快速搜索配方配料，确保正确操作.称量完成后生产数据保存在本机数据库中，并通过无线网卡接入网络，上传至服务器端.此外，称量终端还具有出入库管理、条码打印等功能.

图1 系统结构图Fig.1 System structure

服务器端是实现系统组网及配方管理的重要组成部分.服务器端运行后可自动连接已开机的称量终端，并自动同步各终端未同步数据.管理人员还可通过服务器端管理配方，并通过网络直接下发配方及生产计划.同时服务器端历史数据查询模块可供管理人员更好地了解生产情况，制定科学的生产计划.

生产监控终端既可以是个人电脑也可以是手机、平板电脑等移动设备.在系统中，其既可以与称量终端直接通信，获取称量终端实时工作情况，也可以访问服务器端数据库，查询历史数据.

2 称量终端的设计与实现

称量终端在系统中提供配方称量，配方显示，数据临时存储等功能，其硬件由主控制模块，人机交互模块、电源模块、数据采集模块组成.其硬件结构图如图2所示.

图2 称量终端硬件结构图Fig.2 Weighing terminal hardware structure

2.1 主控制模块及人机交互模块

主控制模块用于实现终端控制系统的控制逻辑、数据处理分析、数据存储、提供条码打印机、U盘和网络等外设接口，为人机交互模块、数据采集模块提供数据接口.

系统采用ARM11 CPU（S3C6410）作为主控制器，主频为533 MHz，系统内存为256 MB，闪存NAND FLASH为256 MB用于存储操作系统及用户程序，系统设计有SD卡接口电路，SD卡用于存储终端称量的历史数据.主控板设计有2个RS232串口，可用于连接热敏打印机及PC机等，一个RS485串口，可用于外接自动投料设备和其他控制器.以太网口包括100 MB以太网口和无线网卡，使终端可以通过路由器或交换机连接到服务器端，进行组网和数据传输.3个USB2.0接口可用于连接鼠标、键盘、U盘等设备，可以在无网络支持的情况下从U盘导入配方及导出称量历史数据.主控制模块上还设计有声卡电路和报警蜂鸣器，用于连接外置功放器、耳机或直接发出设备报警信号.

主控制模块运行Linux嵌入式操作系统，界面程序通过驱动程序访问数据采集模块和网络等其他外设实现配料称量、数据同步等功能，并构建了适于嵌入式系统使用的SQLite数据库以保存配方数据和历史生产数据，利用Linux文件系统，使用XML文件保存系统设置等信息.

人机交互模块硬件主要包括主要包含15.2 cm× 9.1 cm LCD显示屏、电容屏、背光源控制电路以及相关的驱动和稳压电路.软件基于QT4编写图形化的人机界面，能够直观友好地实现人机交互.

2.2 数据采集及滤波模块

数据采集模块硬件主要由压力传感器、滤波电路和A/D转换器组成.本文中的A/D转换器与主控制模块通过SPI串口通信.本文基于Linux SPI总线驱动编写了驱动程序，实现称量数据采集和后期数据处理.

终端采用的传感器为电阻应变式传感器.选用的传感器系列灵敏度为2 m V/V，精度为0.02%.当采用5 V电源供电时，满量程输出为10 m V［3］.

终端采用的A/D转换器CS5532-BSZ是Cirrus Logic公司的高精度双通道24位串行A/D转换器.其内部有一个极低噪声的斩波稳定仪表放大器（6 n V/Hz＠0.1 Hz），7种增益可选.CS5532内部还有一个4阶的ΔΣ调制器，其后跟随一个数字滤波器，提供20种可供选择的输出字速率（MCLK=4.915 2 M Hz）.高动态范围、可编程输出字速率和灵活的电源配置选项等优点，使得CS5532成为用于称量仪表和过程控制的理想产品.

对于称量数据采集模块，其称量精度由A/D芯片分辨率和传感器共同决定.

称量精度=VSENSORFS/VADmin，（1）式（1）中，VSENSORFS为传感器满量程输出电压，VADmin为A/D芯片能分辨的最小电压变化.

A/D芯片能分辨的最小电压是有关A/D芯片满量程输入信号（VFS）和A/D芯片无噪声分辨率的函数.

式（2）中，Bits为A/D芯片无噪声分辨率，可由芯片手册获得.

CS5532的VFS由增益设定和VREF+、VREF￣之间的参考电压决定.

式（3）中，G为放大器增益，CS5532有7种放大增益可选，A取决于配置寄存器中的电压基准选择位VRS，如果VRS设置为0，A的值为2，若VRS设置为1，则A的值为1.本文中VRS设置为0.

称量数据采集模块电路如图3所示，为保证芯片供电稳定，数据采集模块的5和3.3 V采取单独供电的方式，并可由主控制模块控制通断（图3中EN_5 V和EN_3.3 V），可在终端不处于称量状态时停止芯片工作，减小芯片发热和系统功耗.为了避免参考电压的精度、温度漂移、输出噪声等因素引起转换误差，选用低噪声、超低温度漂移的2.5 V参考电压芯片REF5025，以提高采样精度［4］.设置芯片输出字速率30 Hz，放大倍数64倍，该模式下芯片无噪声分辨率为18位，由式（1）～（3）可得系统称量分辨率为1/ 140 000.当传感器量程为60 kg时，此时最高称量精度可达0.42 g，用户可根据实际需求设置分辨率，当分辨率设为1/60 000时，此时称量精度为1 g，虽然精度降低了，但是系统称量稳定性和抗干扰能力增强.

传感器经CS5532转化输出的数值仍存在一定的噪声，因此还需要通过数字滤波和线性转化输出称量值显示在称量显示界面.因此本文数据采集模块驱动程序除了与CS5532的通信还加入了数字滤波和线性转化.

数字滤波算法方面，静态称量时滑动均值滤波有更好的滤波效果，在动态称量时，卡尔曼滤波有较好的动态响应，且其动态滤波效果比滑动均值滤波效果更好［5］.因为本文在静态称量和动态称量时分别采用滑动均值滤波和卡尔曼滤波.

静态称量时本文采用自适应滑动均值滤波.首先，控制CS5532连续采样N个数据，然后进行去极值平均滤波，抑制脉冲干扰［4］.随后，将去极值平均滤波后的值放入长度为L的缓冲区，并对缓冲区中的L个数据进行均值移动处理，得到输出值Zn.上述滤波方法虽然能有效降低随机干扰的影响.但系统响应较慢，因此本文在上述滤波处理后加入自适应判别算法——将CS5532采样值与上次滤波器Zn进行比较，当连续5次差值大于阂值时则认为称上配料发生变化，则以这5次采样均值快速更新滑动均值滤波缓冲区，提高系统响应速度.

经过上述滤波后，通过实验测得滑动均值滤波后Zn无噪声分辨率可达19位，称量精度可达1/ 280 000.系统静态滤波效果如图4所示，图4为静态称量过程中加载和卸载情况，从图中可以看出，数字滤波后的数据比较稳定，同时由于采用了自适应的滑动均值滤波算法，在加载卸载瞬间，滤波结果都能准确地跟踪CS5532输出值.

图3 称量数据采集模块电路图Fig.3 Weighing data acquisition module circuit

当连续检测到10次采样值误差大于阂值或用户设定工作于动态工作模式时，进入动态称量模式，此时系统采用卡尔曼滤波，并提高系统采用频率至120 Hz，以提高系统响应速度.卡尔曼滤波基本原理在很多文献中有详细描述［5］，这里不再赘述，仅根据本文所述称量系统进行建模，确定卡尔曼滤波方程·系统属于单测量卡尔曼滤波，所以I=1，而根据经验公式及查阅相关文献［5-7］，设定A=1，系统无控制量，所以UK=0·系统测量值Y为相同系统传感器称量信号，所以H=1·因此本系统的卡尔曼滤波5个基本方程为：

图4 静态称量数字滤波效果Fig.4 Static weighing digital filtering effect

式（5）、（6）中Q和R分别为过程和测量噪声协方差，经过MATLAB仿真和实验确定，本文计算中选定Q为0.001，R为0.1，设定P（0｜0）为1，并将上次传感器采样值作为卡尔曼滤波初始值X（0｜0）代入计算，提高系统响应速度.图5为系统动态称量滤波效果，图5（a）所示为一个成人上称，并在称上做一定幅度动作，图中静态滤波曲线与原始值曲线基本重合，说明静态滤波方法在此时滤波效果极差，而卡尔曼滤波效果更为平滑，从放大图中可以看出，系统阶跃响应时间约为300 ms.图5（b）为连续投料时系统滤波效果图，图中可见在连续投料时卡尔曼滤波效果更好.

3 服务器端的设计与实现

智能配方管理称量系统软件结构如图6所示，基于嵌入式Linux的称量终端通过数据采集模块，配方显示模块等实现配料显示、配料称量、生产数据保存.而服务器端通过网络连接各称量终端，获取历史生产数据，实时信息或者向称量终端同步配方，并可通过交互界面管理配方，或从数据库中查询历史数据.为了实现上述功能，系统服务器端基于C＃和SQLServer搭建，主要包含历史数据模块、用户管理模块、配方管理模块等.服务器端与称量终端数据交互由网络通信模块实现.本节主要介绍服务器端网络通信模块，并结合终端介绍系统智能配方管理功能的实现.

图5 动态称量数字滤波效果Fig.5 Dynamic weighing digital filtering effect

3.1 网络通信模块

网络通信模块将分布于生产线各环节的称量终端与服务器端、监控端紧密联系起来，构建一个可组网的智能配方管理称量系统.其软件流程图如图7所示，系统网络通信基于TCP/IP Socket编程，采用TCP/IP客户机/服务端模式［8］，端口1主要用于服务器主动向终端发送指令和信息，端口2主要用于终端主动发起的通信.

称量终端开机后调用QT中QTcpServer类创建一个服务端，之后调用Start Listen（）绑定IP地址和端口1并开启监听客户端连接请求，若有连接信号则调用ClientConnet（）槽函数接受用户连接.服务器端开机后调用C＃中Socket（）创建一个套接字并绑定IP地址和端口1，随后调用Connect（）尝试与服务端建立套接字连接，若成功则表示终端已开机，将该套接字放入终端列表，连接失败则表示终端未开机.随后继续调用Socket（）和Connect（）绑定网段内下一IP地址并尝试连接［8］.完成遍寻终端后，用户可从终端列表中选定终端，系统将调用相应终端套接字的Send（）发送命令和数据，并调用Receive（）等待终端返回响应数据.

图6 系统软件结构图Fig.6 System software structure

为了使称量终端可以主动向服务器端发送数据，称量终端中还调用QTcpClient类创建一个客户端并绑定端口2.服务器端调用Socket（）创建一个套接字并绑定端口2，随后调用Listen（）和Accept（）监听客户端连接，当有客户端连接时则调用Receive（）准备接受消息.当称量终端主动向服务器发送数据时，首先判断服务器端是否已连接至端口1，若已连接则表示服务器端已开机.调用Connect（）建立连接.连接成功后，调用Send（）发送数据.

服务器端终端管理界面如图7所示，用户可通过这个界面远程同步终端历史称量数据和配方，也可以实时监控终端工作情况［9］，图7所示界面中即通过服务器端实时获取3台终端工作情况.

3.2 智能配方管理功能设计

智能配方管理是整个配方管理称量系统最重要的功能.由服务器端及称量终端共同实现.

服务器端采用SQLServer数据库保存配方数据和历史数据.管理人员可以通过界面添加配料，新建或修改配方，并在终端管理界面选定称量终端下传配方和生产计划.同时管理人员可在历史数据查询界面查询所有终端的历史生产数据，为管理人员制定生产计划提供参考.为了更好的了解终端生产情况，服务器端还可以实时获取各称量终端当前称量的配方及配料数据.

图7 服务器端终端管理界面Fig.7 Terminal management interface of server

称量终端方面，终端启动且用户登录后，终端首先检索数据库获取配方，并在主界面显示相应图标，若不存在配方也可以新建配方或等待服务器端传送配方.选择配方后进入配料称量界面，称量界面显示配料、标准值和允许误差等信息，并调用数据采集模块获取称量信息.为确保生产流程准确规范，所有配料需符合标准方能完成当前配方称量.终端还设计了扫描枪锁定模式，即跳转至新配料时，用户需扫描相应配料条码方能解锁称量模块进行称量.此外，用户可以通过扫描枪快速搜索相应配方及配料，配方称量完成后，终端自动保存数据至数据库，并在接入服务器端后上传至服务器端，并由用户选择是否打印条形码.

4 系统测试结果

为了验证称量终端的精度，对称量结果进行测试，结果表明，系统测量误差在0.4%以内，可以满足称量系统的要求.

系统运行情况如图8所示.经过样机测试，系统性能指标如下：

称量精度：提供2路传感器接口，可选配不同量程、型号传感器.每路传感器称量精度最高可达1/280 000.

动态称量响应速度，阶跃信号响应时间约为300 ms.

人机交互接口：LCD彩色屏幕及电容触摸屏，开机及复位键各一个.

通信接口：串口（串口3个，其中RS232接口2个，RS485接口1个），USB接口（3个），以太网接口，无线网卡，耳机/麦克风接口.

图8 系统工作图Fig.8 System work

支持外设：条码打印机，条码扫描枪，U盘，SD卡，USB键盘/鼠标等.

5 结 论

本文设计和实现的智能配方管理称量系统，具备配方显示、配料称量、数据保存、服务器端远程管理和同步数据，能够准确、可靠、方便地实现配方称量过程.该系统应用在配料生产型企业，可以实现数字化称量和称量质量管理信息化，提高企业的生产效率和管理水平，应用前景广泛.

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The Design and Realization of Networking Intelligent Proportioning Weighing System

CHEN Da-yun，HONG Yong-qiang，ZHENG Wen-kai，MA Xiang-hui，HE Shan-shan，CHEN Jin-fu，XUE Wen-dong*
（School of Physics and Mechanical＆Electrical Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，China）

To solve the problems of manual weighing inefficient，decentralized production data management，A Intelligent Proportioning weighing system was proposed based on the embedded system，database，and network communications.The solution was presented and realized，which consisted of weighing terminal，server and monitoring terminal.Weighing terminal was designed for accurate，reliable and easily proportioning weighing with Embedded System.Server can remotely monitor and manage the weighing terminal via wireless network.The system′s high precision，stable performance，adaptability can improve production efficiency and management level and make it to meet the requirements ofindustrial production.

embedded system；network communications；recipe management；weighing system

TP 274

A

0438-0479（2015）04-0569-06

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.04.023

2014-12-31 录用日期：2015-01-30

福建省高端装备制造协同中心项目

*通信作者：xwd＠xmu.edu.cn

陈达贇，洪永强，郑文楷，等.可组网的智能配方管理称量系统的设计与实现［J］.厦门大学学报：自然科学版，2015，54（4）：569-574.

：Chen Dayun，Hong Yongqiang，Zheng Wenkai，et al.The design and realization of networking intelligent proportioning weighing system［J］.Journal of Xiamen University：Natural Science，2015，54（4）：569-574.（in Chinese）