CN101556476A - 一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统 - Google Patents

Abstract

一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统，涉及一种无线网络检测系统。提供一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统。设有网络协调器装置、监控节点装置、现场监控电脑和远程监测电脑。监控节点装置与传感器连接并设在机床上，监控节点装置通过串口与运动控制器连接，监控节点装置与网络协调器装置组成一个近场无线网络。网络协调器装置是近场无线网络中心，负责维护、管理无线网络的正常通信，并且通过串口与现场监控电脑进行通信，还可以通过GPRS装置向远程监测电脑发送监测数据。远程数据发送的过程是GPRS装置将数据发送给移动通信网络基站，基站将数据发送到Internet的远程监测电脑上。

Description

一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统

技术领域

本发明涉及一种无线网络检测系统，尤其是涉及一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统。

背景技术

在机械加工过程中，为了保证加工精度，对加工系统的状态进行综合的检测是一项非常关键的技术，它包括对机械状态量(如位移、振动、温度、压力和流量等)的检测，状态特征参数变换的辨别，机械产生振动和损伤时的原因分析、振源判断、故障预防等。随着现代制造企业控制现代化水平的进一步提高以及生产规模的扩大，网络化检测技术已经广泛应用在机械加工制造业中。

目前，在规模化机械加工的网络化检测系统通常采用有线通信方式。一般都以以太网方式组网通信。规模化机械加工过程中加工机床通常较多，这样需检测的面积较大，通常的有线网络化监控存在着布线繁琐、成本高的缺点。本发明的目的是克服上述不足，发明一种无线网络检测系统。

在机械加工过程中，为了保证加工精度，对加工系统的状态进行综合的检测是一项非常关键的技术。它包括对机械状态量(如位移、振动、温度、压力和流量等)的检测，状态特征参数变换的辨别，机械产生振动和损伤时的原因分析、振源判断、故障预防等。随着现代制造企业控制现代化水平的进一步提高以及生产规模的扩大，网络化检测技术已经广泛应用在机械加工制造业中。(参见文献：李厦，乌建中.可重构分布式监控系统研究，仪表技术与传感器.2008(08)：51-53)

数控机床作为一种加工精度高、自动化程度好的加工设备，目前在制造业中得到了越来越广泛的应用。利用网络技术对离散的数控机床进行联网，统一管理，进行分布式控制，实现加工设备集中控制与管理，使得数控机床网络监控变得非常重要。目前的规模化机械加工的网络化检测系统通常采用有线通信方式。一般以以太网方式组网通信，包括局域网和Internet。数控机床通过企业局域网进行分布式联网，在通过Internet接入端口与互联网服务器连接，传输数据，实现远程诊断与监控。(参见文献：郭晓军，王太勇，任宪常，秦旭达，王国锋.数控机床加工过程网络化监控技术的研究，组合机床与自动化加工技术.2008(09)：56-62)

但是，规模化机械加工过程中加工机床通常较多，需检测的场地范围较大，通常的有线网络化监控存在着布线繁琐、成本高的缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的规模化机械加工的要求和目前的检测系统采用有线通信方式的不足，提供一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统。

本发明设有网络协调器装置、监控节点装置、现场监控电脑和远程监测电脑。每个监控节点装置作为网络节点，被分别安装在每台加工机床上，监控节点装置与安装在加工机床上的传感器连接，监控节点装置通过串口与运动控制器连接，监控节点装置用于采集、处理传感器信号，同时可以发送加工控制信号给运动控制器，调整加工操作，所有监控节点装置与网络协调器装置组成一个近场无线网络。网络协调器装置是近场无线网络中心，负责维护、管理无线网络的正常通信，并且通过串口与现场监控电脑进行通信，还可以通过GPRS装置向远程监测电脑发送监测数据。远程数据发送的过程是GPRS装置将数据发送给移动通信网络基站，基站将数据发送到Internet的远程监测电脑上。

网络协调器装置可设有协调器无线通信部分和协调器监控处理部分。协调器无线通信部分设有一个2.4G频率的近场无线通信模块和一个远程无线通信模块，近场无线通信模块可以采用IEEE802.11b、802.15.4无线通信协议，远程无线通信模块采用GPRS模块。协调器无线通信部分作为网络中心协调器，负责维护、管理由监控节点装置组成的无线网络的正常运作与数据通信；还可以通过GPRS模块向远程监测电脑发送监测数据。协调器监控处理部分通过ARM的UART串口连接电脑，使整个无线网络与现场监控电脑进行数据交换。并根据需要基于ARM扩展IDE接口连接硬盘，以便建立数据库。

监控节点装置可设有节点无线通信模块和节点监控处理部分。节点无线通信模块采用2.4G频率的无线通信模块，可采用IEEE802.11b、802.15.4无线通信协议。节点监控处理部分是基于ARM核心的嵌入式系统，ARM通过I/O接口连接多路模数转换器，再连接相应的传感器及其外围电路，负责传感器数据采集。基于ARM的linux操作系统开发传感器数据处理软件，负责传感器的数据融合与检测。根据加工控制装置的接口类型，通过ARM的I/O接口扩展出相应的接口与之通信，可采用RS484、RS232、USB、以太网接口方式。节点无线通信模块通过UART接口与ARM连接。监控节点装置的最大数目由近场无线网络协议决定，如基于IEEE802.11b协议，最多可支持32个。

现场监控电脑是安装基于windows操作系统开发的现场监控平台软件的电脑，通过串口与网络协调器装置进行通信。监控人员通过现场监控电脑监测、控制各个机床的加工过程。现场监控平台软件包括人机界面模块、加工设备控制模块、系统数据库、数据处理模块，串口通信管理模块。

远程监测电脑是安装基于windows操作系统开发的远程监测平台软件的电脑，并且连接internet。它通过internet接收由GPRS模块发送来传感器数据，用于异地的科研人员协助分析监测状况。远程监测平台软件包括人机界面模块、远程数据接收管理模块和监测数据库。

本发明的在线检测工作模式采用应答与自报混合式。自报即监控节点装置监测到传感器数据异常，报告给现场监控电脑的过程。应答式即现场监控电脑发出指令主动查询传感器数据过程。本发明克服了现有的规模化机械加工过程中由于加工机床通常较多，需检测的场地范围较大，而造成的有线网络化监控存在着布线繁琐、成本高等缺点。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成及其工作原理示意图。

图2为本发明实施例的网络协调器装置结构组成框图。

图3为本发明实施例的监控节点装置结构组成框图。

图4为本发明实施例的系统软件模块示意图。

图5为本发明实施例的系统自报工作模式示意图。

图6为本发明实施例的系统应答工作模式示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本实施例设有网络协调器装置1、10个监控节点装置(21，22，23......2n)、现场监控电脑3和远程监测电脑4。每个监控节点装置作为网络节点，被分别安装在每台加工机床5上，10个监控节点装置(21，22，23......2n)与网络协调器装置1组成一个近场无线网络。其中，监控节点装置连接6个安装在加工机床上的传感器61，62，63......66，并通过RS232串口连接运动控制器71，运动控制器71通过伺服系统72与加工机床5连接。监控节点装置采集、处理传感器信号，同时可以发送加工控制信号给运动控制器71，调整加工操作。

网络协调器装置1是近场无线网络中心，负责维护、管理无线网络的正常通信，并且通过串口与电脑端的现场监控电脑3进行通信，还可以通过GPRS装置向远程监测电脑4发送监测数据。本实施例的近场无线网络采用IEEE802.15.4协议。

本实施例中，网络协调器装置结构如图2所示，网络协调器装置设有协调器无线通信部分I和协调器监控处理部分II。协调器无线通信部分I设有一个2.4G频率的近场无线通信模块81和一个远程无线通信模块82，协调器无线通讯部分I的近场无线通信模块81采用Frescale公司的MC13213芯片，该芯片支持IEEE802.15.4协议。远程无线通信模块82采用GPRS模块，GPRS模块采用SIMCOM公司的SIM300C芯片，它们都有独立的微处理器与射频部分，通过UART接口与协调器监控处理部分II的ARM进行通信。ARM芯片采用Samsung公司的S3C2440，微处理器91(S3C2440)通过UART接口和现场监控电脑进行通信，基于S3C2440扩展了IDE接口连接硬盘93。本装置通过UART串口92通信使整个近场无线网络与现场监控电脑进行数据交换，通过GPRS模块向远程监测电脑发送监测数据，为身处异地的科研人员提供及时的监测数据以进行现场数据分析。

本实施例中，参见图3，监控节点装置包括节点无线通信部分I和节点监控处理部分II。节点无线通信部分I的近场无线通信模块101是采用Frescale公司的MC13213芯片，它有独立的微处理器，通过UART串口方式与节点监控处理模块的ARM(S3C2440)进行透明通信。节点监控处理部分II中，微处理器102(S3C2440)通过I/O接口连接TI公司的16路模数转换器103(ADS1158)，再连接16个各种类型传感器1041～10416及其外围电路，完成传感器数据采集功能；基于S3C2440扩展RS232接口105，与加工机床的运动控制器连接，传送加工控制信号；基于S3C2440扩展了IDE接口连接硬盘106，以建立数据库。基于ARM的linux操作系统开发了监控节点装置软件，功能包括传感器数据标定、多通道管理、传感器数据监测以及控制信号管理。本实施例中监控节点装置根据预先的网络设置，可以自动向网络协调器装置发送传感器数据，也可以独立对传感器数据进行监视，在出现异常时，再向网络协调器装置报告。每个监控节点装置有自己的数据库。本发明中监控节点装置的S3C2440与16路模数转换器ADS1158根据需要连接不同传感器。通过修改ARM驱动程序和传感器及其外围电路，监控节点装置可以配置多种型号的模拟信号传感器。本设施例的传感器采用2个位移传感器、2个振动传感器、2个温度传感器。

现场监控电脑安装基于windows操作系统开发的现场监控软件，通过串口与网络协调器装置进行通信。一方面通过网络协调器装置接收传感器数据，另一方面通过网络协调器装置发送控制信号到相应监控节点装置。监控人员通过现场监控电脑监测、控制各个机床的加工过程。

远程监测电脑安装基于windows操作系统开发的远程监测软件，并连接internet。网络协调器装置根据远程监测电脑的IP地址以及端口号，通过GPRS模块向其发送传感器数据。这样可以使得异地的科研人员及时的协助分析监测状况。

系统的软件模块结构如图4所示，本实施例的系统软件11包括现场监控软件111、网络协调器装置软件112、监控节点装置软件113和与远程监测软件114。

现场监控软件111包括人机界面模块1111、加工设备控制模块1112、系统数据库1113、传感器数据处理模块1114，串口通信管理模块1115。各模块功能如下：

1)人机界面模块1111，可视化人机界面，包括界面设置与系统帮助。

2)加工设备控制模块1112，管理加工过程中机床的加工操作，输出各种操作需要的控制信号。

3)系统数据库1113，整个检测系统的数据库。

4)数据处理模块1114，进行传感器数据处理，加工误差补偿。

5)串口通信管理模块1115～1121，管理与网络协调器装置的串口通信。

网络协调器装置软件包括串口通信管理模块1121、远程无线通信管理模块1122、近场无线网络管理模块1123和近场无线数据通信模块1124。各模块功能如下：

1)串口通信管理模块1115～1121，管理与现场监控电脑的串口通信。

2)远程无线通信管理模块1122。管理GPRS模块启动、关闭以及参数配置，管理数据的发送。

3)近场无线网络管理模块1123～1131。作为网络协调器，管理无线网络，配置网络参数，如网络最大容量，拓扑结构，路由方式，安全等级设定，激活或关闭监控节点装置。

4)近场无线数据通信模块1124～1132。管理数据的发送、接收。

监控节点装置软件113包括近场无线网络管理模块1123～1131、近场无线数据通信模块1124～1132、传感器数据采集模块1133、传感器数据处理模块1134和驱动控制管理模块1135。

1)近场无线网络管理模块。作为网络节点，管理路由功能，接收、处理协调器的网络配置命令。

2)近场无线数据通信模块。管理数据的发送、接收。

3)传感器数据采集模块。负责传感器数据的采集与标定。

4)传感器数据处理。处理传感器数据，包括传感器数据融合与异常识别。

5)驱动控制管理模块。管理与加工控制设备的通信。

远程监测软件114包括人机界面模块1141、远程数据接收管理模块1142和监测数据库1143。

1)人机界面模块。可视化人机界面，包括界面设置与系统帮助。

2)远程数据接收管理模块。基于socket编程，接收从internet上传输的GPRS数据包。

3)监测数据库。远程监测电脑的数据库。

图5给出本发明实施例的系统自报工作模式示意图，本发明中无线监控系统采用自报与应答混合工作模式。自报即传感器节点装置监测到传感器数据异常，报告给现场监控电脑3的过程。应答即现场监控电脑3发出指令主动查询传感器数据过程。监控节点装置21～2n检测到传感器数据异常，将数据与异常结果发送给网络协调器装置1，网络协调器装置1得到数据后发往数据库A，并提示现场监控电脑3，对于特殊的异常，会通过GPRS模块发送到远程监测电脑4供相关人员分析数据。现场监控电脑3根据设置，手动或自动方式发送修正控制信号和传感器数据请求给网络协调器装置1，网络协调器装置1将控制信号和传感器数据请求传输到相应监控节点装置21～2n，监控节点装置21～2n将控制信号发送运动控制器，修正加工操作。在一个设定的时间后检查采集的数据，将数据回复给网络协调器装置1，网络协调器装置1将传感器数据送往数据库A并告知现场监控电脑3，现场监控电脑分析数据决定停止修正或是继续上述修正过程。

图6给出本发明实施例的系统应答工作模式示意图，现场监控电脑3查询传感器数据，首先发送传感器数据请求询问数据库A，若有，则数据库A回复数据给现场监控电脑3；若无该数据，则数据库A发送查询传感器数据请求给网络协调器装置1，网络协调器装置1传送数据请求给相应监控节点装置21～2n，监控节点装置21～2n收集传感器数据并回复网络协调器装置1(即监控节点装置21～2n读传感器数据并发送给网络协调器装置1)，网络协调器装置1将数据保存到数据库A，同时发送数据给现场监控电脑3。

Claims (10)

1.一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统，其特征在于设有网络协调器装置、监控节点装置、现场监控电脑和远程监测电脑；每个监控节点装置作为网络节点，被分别安装在每台加工机床上，监控节点装置与安装在加工机床上的传感器连接，监控节点装置通过串口与运动控制器连接，监控节点装置用于采集、处理传感器信号，同时发送加工控制信号给运动控制器，调整加工操作，所有监控节点装置与网络协调器装置组成一个近场无线网络；网络协调器装置是近场无线网络中心，负责维护、管理无线网络的正常通信，并且通过串口与现场监控电脑进行通信，还通过GPRS装置向远程监测电脑发送监测数据；远程数据发送的过程是GPRS装置将数据发送给移动通信网络基站，基站将数据发送到Internet的远程监测电脑上。

2.如权利要求1所述的一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统，其特征在于网络协调器装置设有协调器无线通信部分和协调器监控处理部分，协调器无线通信部分设有一个2.4G频率的近场无线通信模块和一个远程无线通信模块；远程无线通信模块采用GPRS模块，协调器无线通信部分作为网络中心协调器，负责维护、管理由监控节点装置组成的无线网络的正常运作与数据通信；还通过GPRS模块向远程监测电脑发送监测数据；协调器监控处理部分通过ARM的UART串口连接电脑，使整个无线网络与现场监控电脑进行数据交换，并根据需要基于ARM扩展IDE接口连接硬盘，以便建立数据库。

3.如权利要求2所述的一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统，其特征在于所述近场无线通信模块采用IEEE802.11b、802.15.4无线通信协议。

4.如权利要求2所述的一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统，其特征在于监控节点装置设有节点无线通信模块和节点监控处理部分，节点监控处理部分是基于ARM核心的嵌入式系统，ARM通过I/O接口连接多路模数转换器，再连接相应的传感器及其外围电路，负责传感器数据采集；根据加工控制装置的接口类型，通过ARM的I/O接口扩展出相应的接口与之通信，节点无线通信模块通过UART接口与ARM连接。

5.如权利要求4所述的一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统，其特征在于所述节点无线通信模块采用2.4G频率的无线通信模块，采用IEEE802.11b、802.15.4无线通信协议。

6.如权利要求4所述的一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统，其特征在于所述通过ARM的I/O接口扩展出相应的接口与之通信采用RS484、RS232、USB、以太网接口方式。

7.如权利要求1所述的一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统，其特征在于所述现场监控电脑是安装基于windows操作系统开发的现场监控平台软件的电脑，通过串口与网络协调器装置进行通信。

8.如权利要求7所述的一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统，其特征在于所述现场监控平台软件包括人机界面模块、加工设备控制模块、系统数据库、数据处理模块和串口通信管理模块。

9.如权利要求1所述的一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统，其特征在于所述远程监测电脑是安装基于windows操作系统开发的远程监测平台软件的电脑，并且连接internet。

10.如权利要求9所述的一种用于规模化机械加工的无线网络检测系统，其特征在于所述远程监测平台软件包括人机界面模块、远程数据接收管理模块和监测数据库。

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