0 引言

智能制造是全球制造业变革的重要方向，近年发展迅速，目前美国、德国、日本等工业强国走在世界前列。我国正在加快步伐，深入实施《中国制造2025》^[1]，推进信息技术与制造技术深度融合。为抢占市场，国内外的相关组织开始着手智能制造平台的设计与研发。美国通用动力为军工企业研制了基于RFID射频技术的“生产物料管理系统”；浙江大学研制了集RFID数据、数控机床运行参数、质检台数据等在内的“离散制造车间数据采集系统”；上海交通大学设计了基于条形码技术的“信息采集系统”；武汉科技大学搭建了基于RFID和ZigBee技术的“MES数据采集系统”^[2]。

当前车间自动化、信息化的主要研究集中在车床数据的采集和单台设备的管理，存在数据分散、人机界面不友好、与生产业务结合度差等问题。部分系统中采用了基于Android平板的车间现场终端，但存在普适性差、硬件定制性差、机床联网考虑不足的问题。为解决上述问题，本文设计并研制了基于ARM Cortex-A9的车间生产过程跟踪与管控终端，提供各种通信总线接口，搭载Android系统，能够提供生产过程信息感知、机床设备接入、友好用户交互界面、实时在线管理等服务，满足对车间生产过程跟踪、协调及管控的需要。

1 系统整体设计

系统整体框架如图1所示，包括车间终端、移动端、PC端、服务器等。选用工业以太网与WiFi网络作为车间现场主干网络^[3]，车间终端集成了生产业务，并预留了工业现场常用标准通信接口，能够兼容各类生产设备，采集现场生产数据与设备参数，与此同时，还能实现与现场ZigBee、蓝牙等无线网络的对接；PC端与移动端主要实现生产数据的维护、生产过程的管理、人员管理、生产数据报表的生成等；服务器实现生产数据、设备参数等各类信息的存储、管理、推送、应用。

2 系统功能设计

系统包括PC端、服务器、移动端与车间终端，总体功能包括：基础数据维护、生产模块、生产统计报表、考勤功能、设备管理、质量管理、权限安全，如图2所示。

3 车间终端硬件设计

车间终端由主处理器、电源管理模块、WiFi模块、以太网模块、蓝牙模块、RFID模块、通信接口及相关驱动电路等构成^[4-6]。车间终端的硬件框架如图3所示。车间终端主处理器模块选用Samsung公司的Exynos 4412芯片，终端扩展了内存与固态存储以提高整体的性能，同时，扩展通信接口、采集生产信息与设备参数并通过以太网与WiFi网络转发到服务器；触摸屏、LCD与矩阵键盘可供现场工作人员查看生产、设备等信息并进行相关业务操作；通过RFID射频模块实现读卡鉴权功能。

3.1 主处理模块

主处理器采用Samsung的Exynos 4412作为主处理芯片，4个Cortex-A9的内核，主频为1.6 GHz，可用管脚有320个，具有9路DC/DC和28路LDO输出电源，扩展2 GB双通道DDR3内存，16 GB EMC固态存储，具备SPI、USB、I²C、RS485、RS232、DMA等接口，稳定性强，可靠性高，能适用于对接口、性能、处理能力、稳定性、数据存储要求较高的车间现场应用场景^[7]。

3.2 电源管理模块

车间终端电源管理部分采用MP2012DQ芯片，输入电压范围为2.7 V～6 V，输出可调电压范围在0.8 V～4.8 V，最大关机电流为1 μA，该电源芯片的效率高达95%，100%占空比的低压差应用，1.2 MHz固定开关频率，稳定的低ESR陶瓷输出电容器，支持热关机、逐周期过流保护、短路保护等。适用于嵌入式智能终端设备。驱动电路如图4所示。

3.3 RFID模块

通过RFID射频模块实现车间生产过程跟踪与管控系统中的鉴权机制，RFID射频模块采用RC522芯片^[8]。该芯片是应用于13.56 MHz非接触式通信中高集成度的读写卡芯片，完全集成了在13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议，支持14443A兼容应答器信号，数字部分支持ISO14443A帧和错误检测；此外，还支持快速CRYPTO1加密算法，它与主机间通信采用SPI模式，双向数据传输速率高达424 kb/s，数据传输速率最大10 Mb/s；该芯片的工作电流13 mA～26 mA/直流3.3 V，支持mifare1 S50、mifare1 S70、mifare UltraLight、mifare Pro、mifare Desfire等类型的射频卡；具有低电压、低成本、体积小的优势。射频卡模块的电路如图5所示。

3.4 通信接口

车间终端预留了工业现场常用的通信接口，支持CAN总线、RS485、RS232、USB等接口。丰富的工业现场通信接口便于实现与车间机床、设备的数据交互，增强了车间终端的兼容性与扩展性。RS485通信采用的芯片为MAX13085EESA，该款芯片支持RS422与RS485通信协议，工作电压为4.5 V～5.5 V，具有1个驱动器与1个接收器，数据速率高，全双工的工作方式^[9，10]。图6所示为RS485接口电路图。

3.5 以太网/蓝牙/WiFi

车间终端支持以太网、蓝牙、WiFi等网络通信协议，并为工业现场的ZigBee、3G/4G等无线网络预留了接入接口。以太网模块采用的芯片为DM9621NP芯片，该芯片支持IEEE802.3u 100BASE-TX和IEEE802.310Base-T标准，支持IEEE802.3x流量控制功能的100BASE-TX和10BaseT，支持以太网Link/Act指示，支持以太网速度（10 M/100 M）指示，内置3.3 V～1.8 V稳压器，10个10/100 Mb/s快速以太网PHY自动MDIX，兼容5.0 V宽容的I/O。

蓝牙与WiFi通信部分采用MT6620芯片，该款芯片同时支持WiFi通信与蓝牙通信功能。MT6620为WiFi/蓝牙调频发射接收功能组合模块，具有自动校准功能，支持WiFi 802.11b/g/协议，支持WiFi SDIO2模式^[11-12]。

4 车间终端软件设计

车间终端软件首先进行Linux系统及Android系统平台的构建，根据车间生产和业务需求完成底层设备驱动程序的开发、移植及Android应用程序的设计^[13-14]。在以太网、WiFi等网络的基础上完成数据的传输，实现对生产订单、设备、人员、生产过程的实时跟踪与管控。图7为车间终端软件部分功能界面效果图。

4.1 Android系统平台构建

车间终端软件系统采用Android操作系统，通过Linux操作系统、中间件、用户界面、应用软件等模块构成其操作平台。Android系统的结构框架，按照从上到下的顺序分别为：应用程序(Application)、应用程序框架(Application Framework)、程序库(Libraries)、Android 运行环境(Android Runtime)、Linux核心层(Linux Kernel)。车间终端运行的Android操作系统以Linux2.6.30版本的内核作为核心，并搭配了函数程序库、运行环境以及应用程序框架，用以开发Android的APP 应用程序。

4.2 Linux驱动层开发

要实现Android上层应用对底层显示、通信接口、总线接口、输入接口等设备的访问，首先需要完成Linux底层驱动程序的开发与移植。驱动程序中首先需要定义设备驱动程序类型，然后编写初始化函数，实现驱动程序在内核中的注册和相关硬件资源的申请，定义相关的硬件接口操作方法，实现文件操作方法，为应用层访问硬件层提供统一的文件操作接口。对于LCD、WiFi、以太网卡这类通用设备，开发商和Linux内核中提供了驱动源码及总线接口，需要完成驱动程序的移植和配置工作；对于RC522、触摸屏、矩阵键盘、CAN控制器这类定制外设需要自己编写相关的硬件初始化操作方法，接入相应总线，并设计文件访问接口，完成驱动程序的开发工作。为了更好地满足车间终端特殊操作、管控体系、权限控制的需要，在Linux驱动层设计中，对Linux及Android驱动层的Input子系统进行调整，提高了Android应用对Input设备的管理权限，实现了Input子系统的跨层传递机制，如图8所示。

4.3 JSON通信机制

系统软件的通信方式为JSON(JavaScript Object Notation)。JSON是一种轻量级的数据交换格式，易于阅读和编写，同时也易于机器解析和生成。它提供了一种优秀的面向对象的方法，以便将元数据缓存到客户机上，帮助分离验证数据和逻辑，使用JavaScript解析XML时需要层层解析，不能快捷获取计算所要使用的数据，而JSON能被很好地解析。系统在进行通信设计时对标准的JSON格式进行了优化，数据量减少了一半。

5 结论

系统完成了车间生产过程跟踪与管控终端的设计与研制，配合移动端、PC端、服务器的开发，完成了生产车间的订单、设备、人员、质量的跟踪与管控。车间终端实现了生产、设备、质量等数据的采集，生产相关信息的实时上传与下达，生产过程信息的统计与分析。具有高实时性、在线管控、人机界面友好、生产业务联动、交互性强、适用范围广等优势，系统下一步将研究如何根据采集的生产、设备等数据，进一步优化生产业务流程、减人增效，提高设备的利用率，从而提升车间生产过程的智能化与信息化水平。

参考文献

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作者信息:

毛亚青1，张 立1，黄 凯2，俞 啸1

（1.徐州医科大学 医学信息学院，江苏 徐州221000；2.江苏徐工信息技术股份有限公司，江苏 徐州221000）