CN102681504A - 一种工业数据采集和反馈系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于无线传感器网络的工业数据采集、反馈系统，包括主机服务器、无线协调器节点、若干个无线路由节点、若干个数据采集节点。本发明可以随时随地灵活地采集各关键工位的条码数据、感知数据和设备数据等多种数据，并及时将这些数据通过无线网络传输给主机，主机在对数据进行处理和分析后，向数据采集节点发出反馈信息，从而指导工作人员进行相应的操作，提高生成效率，降低生产成本。本发明操作简单，部署方便、灵活，可重复利用，基于无线传感网络技术，易于维护和扩展。

Description

一种工业数据采集和反馈系统

技术领域

本发明涉及一种工业数据采集和反馈系统，尤其涉及一种基于无线传感器网络技术的工业数据采集和反馈系统。

背景技术

要提高企业的管理效率，高效可靠的自动化数据采集系统是一个重要基础。大型工业现场的数据源庞大，而分散。例如要通过实时采集工业现场上关键位置的数据来实时监控整个工厂的运作情况。这些数据通常包括了待装配线上装配零件的条码扫描信息(零件名称、批次等)、仓库的温度和湿度、质量检测部关节臂式测量机检测数据等等。可见这些数据信息分散并且数据种类繁多。在这种监控面向多元化，系统面向分散化的总体趋势下，传统的人工数据采集方式暴露出效率低下的弱点，传统的工业总线以及以太网总线采集方式在复杂控制指令作用时显现出数据采集传输鲁棒性与安全性的不足。而随着微电子技术、射频技术和网络通信技术的飞速发展和日益成熟，使得制造体积小、低成本、抗干扰能力强的工业无线传感器网络成为可能，也成为能够有效满足上述需求的一种方案。

无线传感器网络是一种短距离、低速率、低功耗、自组网的无线网络通信技术。它集成了片上系统(SOC，system on chip)、无线通信技术和低功耗嵌入式技术等技术，能够实时感知网络覆盖区域中各监测对象的信息，并以自组多跳的无线网络方式传送给观察者，具有数据位中心、高密度分布、多跳自组网技术、安全加密服务、低功耗、低延时技术、廉价、快速灵活部署、可扩展性强、能在恶劣和特殊的环境下正常工作等优点。因此，无线传感器网络非常适合应用于大规模分散性数据采集。

借助于无线传感器网络技术，可以构建一个高效率、高鲁棒性、灵活性强的无线自动数据采集系统。满足工业监控中实时自动采集分散、多样种类数据的需求。为提升工业效率打下坚实的基础，同时还能大大降低工业数据采集、反馈的成本。

在专利文献201020244712.5中，提出了一种基于无线传感网络的多点、多类型数据采集系统，利用智能节点监测电流、电压和功率因数，并通过无线传感网络传送给监测主机处理。该数据采集系统可以实现多监测点的电流、电压和功率数据的采集，但该数据采集系统只能采集有限的几种电信号，不能采集条码数据、温湿度数据等工业中常见的数据，功能较少，而且其不具有反馈功能，不能根据采集结构进行实时的操作控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业数据采集和反馈系统，通过将条码阅读、温湿度传感采集、总线协议转换三种数据采集手段与无线传感器网络技术有机结合在一起，可以采集到工业现场的分散的多种类的数据(如装配线、流水线、仓库等处的条码扫描数据，物料存储仓库的温湿度数据，质检部关节臂测量机测得数据，已有工业总线采集到的数据)并通过人机交互模块提供反馈功能，实现高效可靠实时采集工业现场分散数据和及时的反馈信息。

为了实现上述目的，本发明的一种工业数据采集和反馈系统，包括：

多个无线数据采集节点，分别位于工业现场的对应关键位置上，以采集这些关键位置的数据，并发送所述的数据，并与操作人员交互。

所述的无线数据采集节点用于采集工业现场的各种生产数据，并传输所述采集的数据，其中，无线数据采集节点包括：条形码阅读模块、温湿度传感器模块、协议转换模块、数据处理模块、无线通信模块和人机交互模块。

其中条形码阅读模块用于采集例如总装线、涂装线以及物料仓库的物料的条码数据，然后将所述条码数据传给所述的数据处理模块，经数据处理模块处理后输入所述的无线通信模块。

温湿度传感模块用于采集对温湿度要求较高的存储仓库的温湿度数据，采集的温湿度数据温湿度模块经过所述的数据处理模块转换，或直接向所述的无线通信模块输入数字信号。所述的温湿度模块具有采集温湿度测量范围大、精度高并自带AD转换。

所述的协议转换模块，用于连接工业已有的总线或设备。本发明涉及工业领域常用的总线协议转换，如现场总线和工业以太网总线到无线协议的转换。所述的协议转换模块还包括驱动RS458、RS232、usb三种接口，用于采集带RS485或RS232接口的数控机床的数据，采集带RS232或usb接口的激光坐标测量仪、关节臂测量机内的数据。

所述的数据处理模块，用于处理所述的条码阅读模块、所述的协议转换模块输入数据，将所述的输入数据输出给所述的无线通信模块。所述的数据处理模块包含A/D、D/A转换能力。

所述的无线通信模块，用于无线接收和发送数据。无线通信模块接收所述的数据处理模块和所述的温湿度传感模块的数据，将所述的数据打包发送到无线网络；还接收无线网络发送过来的反馈数据，将所述的反馈数据分解，根据所述的反馈数据的内容直接驱动所述的人机交互模块。

所述的人机交互模块，用于给工业现场的工人传达视觉和听觉信息，指导工人作业，例如蜂鸣器报警信息，LCD显示信息，指示灯等。同时提供工人输入对象，例如键盘。

还可以包括辅助模块，用于给所述无线数据采集节点提供电源供应和管理。

无线协调器节点，与所述的无线数据采集节点无线连接，用于建立和管理无线网络，通过建立的无线网络传输所述的无线数据采集节点发送的数据；

主机，与所述的无线协调器节点连接，用于接收所述无线协调器节点收到来自无线网络的数据，将数据存入数据库，对所述的数据进行分析，并将分析结果保存、广播或显示，以指导工人工作。

本发明中，所述系统还包括：多个无线路由节点，用于分别向所述无线协调器节点发送加入所述无线通信网络的加入请求，待无线协调器节点允许加入所述无线通信网络后，接收其他无线数据采集节点发送的加入请求将所述其他无线数据采集节点加入所述无线通信网络，向所述无线协调器节点转发所述其他无线数据采集节点的数据或转发所述无线协调器节点回复的反馈信息至所述其他无线数据采集节点。

本发明中，所述主机与所述无线协调器节点连接，用于接收所述无线协调器节点转发的数据，分析所述数据，判断是否存在异常和错误，如果存在异常和错误则通过所述的无线网络向所述的无线数据采集节点发送警报信息，并将异常和错误信息录入数据库。

本发明的效果在于：

(1)基于无线传感网络的数据采集系统是能够实时采集各个分散位置的多种类型的数据，克服了传统CAN总线、OSI/RM模型、以太网总线只能集中采集数据的弊端，可以同时采集多种类型的数据便于数据融合数据库优化，有利于数据分析，全面统一管理。

(2)本发明是一个实时的数据采集系统，为工业管理系统实现可视化管理提供了条件，提升了企业的效率。

(3)本发明采用低功耗的低成本无线网络传送数据为企业降低了成本。无线数据采集系统不用布线，安装维护方便简单。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明无线数据采集节点示意图。

图3为本发明无线协调器节点示意图。

图4为本发明无线路由节点示意图。

图5为本发明的系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的系统结构示意图。如图1所示，所述工业数据采集和反馈系统包括多个无线数据采集节点、一个无线协调器节点、多个无线路由节点、以及一个主机。

所述的多个无线数据采集节点分别位于工业现场多个分散的位置，用于实时采集现场多种类型的数据，包括涂装线、总装线、物料仓库等的条码数据，质检部的激光坐标测量仪、关节臂测量机的测量数据，存储仓库的温湿度数据。实时采集动态的上述所述的数据，可以准确实时反映整个工业现场的运行情况，以此保证了能对工业现场出现的异常情况做出迅速的处理。如及时发现装配线上误装了某零件，及时发现仓库某原料储备不足，及时发现仓库湿度过高等等异常情况，可以有效避免企业损失。

无线数据采集节点包括条形码阅读模块、温湿度传感模块、协议转换模块、人机交互模块、数据处理膜和无线通信模块。

其中，条形码阅读模块用于采集例如总装线、涂装线以及物料仓库的条码数据。从总装线上待装配的零件的条码数据中可以清楚的知道零件的批次，型号是否正确。从涂装线上待喷涂的汽车车身的条码数据中可以知道该汽车车身需要喷涂什么颜色的油漆。采集物料仓库内的条码数据，可以计算仓库的剩余物料，以便及时补充物料。

温湿度传感模块用于高精度采集对温湿度要求较高的存储仓库的温湿度数据。温湿度模块具有采集温湿度测量范围大、精度高并具有在恶劣环境下正常工作的工业品质，其可以设定警戒温湿度数值，例如仓库的湿度值超过所述的警戒温湿度数值，人机交互模块的蜂鸣器会被驱动报警，指示灯变红，LCD显示指示信息，直到现场工人通过人机交互模块的按键复位清除报警状态。

协议转换模块用于连接工业已有的总线或设备。本实施例中的总线协议转换优选为现场总线和工业以太网总线到无线协议的转换。这样可以在工业已有的数据采集系统的基础之上迅速搭建新的无线数据采集系统。该协议转换模块还包括驱动RS458、RS232、usb三种协议转换接口，用于采集带RS485或RS232接口的数控机床的数据，采集带RS232或usb接口的激光坐标测量仪、关节臂测量机内的数据。

人机交互模块用于给工业现场的工人传达一些视觉和听觉信息，指导工人作业，例如蜂鸣器报警信息，LCD显示信息，指示灯等。同时提供工人输入对象，例如键盘。

数据处理模块由DSP芯片、A/D、D/A转换芯片和相应电路组成。用于处理所述的条码阅读模块、所述的协议转换模块输入数据，将所述的输入数据输出给所述的无线通信模块。

无线通信模块用于无线接收和发送数据。无线通信模块接收所述的数据处理模块、所述的温湿度传感模块的数据，将所述的数据打包发送到无线网络；还接收无线网络发送过来的反馈数据，将所述的反馈数据分解，根据所述的反馈数据的内容直接驱动所述的人机交互模块。

还可以包括辅助模块，其用于给所述无线数据采集节点提供电源供应和管理。

如图3所示，无线协调器节点包括射频天线、Soc无线芯片、指示灯、上位机通信接口。无线协调器节点与无线数据采集节点无线连接，用于建立和管理无线网络，通过建立的无线网络传输所述的无线数据采集节点发送的数据。所述的Soc无线芯片通过所述的射频天线收发无线信息，建立无线网络。所述的Soc无线芯片通过所述的上位机通信接口与上位机通信，向上位机传输采集到的数据。上位机通过所述的上位机通信接口向所述的无线协调器节点发送反馈信息。

无线协调器节点，与无线路由节点和无线数据采集节点无线连接，建立无线网络，通过建立的无线网络接收无线数据采集节点发送的数据，并转发所述的数据。

主机通过串口或usb口与无线协调器节点连接，用于无线协调器节点传输转发的数据，主机对采集到的数据进行分析，并判断是否发送反馈信息。若分析后发现所述数据异常，则通过无线无线网络向无线数据采集节点发送报报警反馈信息。

下面说明图1所述工业数据采集和反馈系统采集数据的过程，步骤是：

步骤1，无线协调器节点建立无线网络；

步骤2，每个无线数据采集节点采集工业现场的数据，并发送所述的数据；

步骤3，无线协调器节点通过建立的无线网络接收所述无线数据采集节点发送的数据，并转发所述的数据；

步骤4，所述主机通过串口或usb接口接收所述无线协调器节点转发的现场数据，并对所述的数据进行分析处理，然后将数据存入数据库，同时还将判断数据是否异常，是否要发送反馈信息。

步骤5，如果主机发现所述的数据存在异常，通过串口或usb接口向无线协调器节点发送反馈信息。

步骤6，无线协调器节点通过建立的无线网络向所述的无线数据采集节点发送反馈信息。

步骤7，无线数据采集节点收到所述的反馈信息后，在其LCD屏上显示反馈信息，指示灯有正常的绿色变为红色，同时驱动蜂鸣器报警。

步骤8，现场工人得知所述的蜂鸣器报警后，根据所述的LCD屏显示的反馈信息，处理异常情况。工人处理完异常情况后通过无线数据采集节点上的按键解除报警状态，所示指示灯变为绿色。

Claims (9)

1.一种工业数据采集和反馈系统，用于工业现场的数据采集和反馈，其特征在于，该系统包括协调器节点、主机和多个数据采集节点，其中，

所述数据采集节点位于工业现场的采集工位上，用于采集工业现场中的生产数据，并发送所采集的数据；

所述协调器节点用于建立无线传感器网络，所述多个数据采集节点通过该无线传感器网络与所述协调器节点连接，采集的数据通过该无线传感器网络发送至该协调器节点，或通过该无线传感器网络将主机的反馈数据传输到数据采集节点；

所述主机与所述协调器节点连接，所述协调器节点接收的数据传输到所述主机，由该主机对接收的数据进行处理并反馈，处理后的反馈信息通过所述协调器节点发送至相应的数据采集节点；

其中，所述的无线数据采集节点包括：条形码阅读模块、温湿度传感器模块、协议转换模块、无线通信模块、人机交互模块和数据处理模块，其中，

所述条形码阅读模块用于读取物料的条形码以采集条码数据，并将所采集的条码数据传给所述数据处理模块；所述的温湿度传感模块用于采集工业现场的温湿度数据，并将所采集的温湿数据传给所述的数据处理模块；所述的议转换模块，与工业现场的总线或工控设备连接，用于采集总线或工控设备上的数据，并经数据传输协议之间的转换后传输给所述数据处理模块；所述无线通信模块接收所述数据处理模块的数据并发送，同时接收主机的反馈数据，并发送给所述数据处理模块进行处理后反馈到所述人机交互模块或工业现场的总线或工控设备上；所述人机交互模块接收数据处理模块的信息，并根据接收的信息产生相应的交互信息，以与操作者交互。

2.根据权利要求1所述的工业数据采集和反馈系统，其特征在于，所述系统还包括无线路由节点，其分别与所述协调器节点和和数据采集节点无线连接，用于扩展所述无线传感器网络，以向所述协调器节点转发与其连接的数据采集节点发送的数据，或转发所述无线协调器节点传输的反馈数据至与其连接的数据采集节点。

3.根据权利要求1或2所述的工业数据采集和反馈系统，其特征在于，所述协议转换模块包括将现场总线和工业以太网总线协议转换到无线协议的转换接口，用于转换现场总线和工业以太网总线上的数据，以通过无线网络传输。

4.根据权利要求1-3之一所述的工业数据采集和反馈系统，其特征在于，所述协议转换模块还包括驱动RS458、RS232和usb三种协议转换接口，用于采集并转换带RS485、RS232或usb接口的工控设备数据，以通过无线网络传输。

5.根据权利要求1-4之一所述的工业数据采集和反馈系统，其特征在于，所述协调器节点包括射频天线、Soc无线芯片和上位机通信接口，其中，所述的Soc无线芯片通过所述的射频天线收发无线信息，建立无线网络，该Soc无线芯片通过所述上位机通信接口与上位机通信。

6.根据权利要求1-5之一所述的工业数据采集和反馈系统，其特征在于，所述数据采集节点还包括电源模块，用于给所述无线数据采集节点供电。

7.根据权利要求1-6之一所述的工业数据采集和反馈系统，其特征在于，所述人机交互模块包括蜂鸣器、指示灯、LCD显示屏和/或键盘。

8.应用权利要求1-6之一所述的工业数据采集和反馈系统进行数据采集和反馈的方法，其具体包括如下步骤：

（1）数据采集节点采集工业现场的数据，并发送所述数据；

（2）协调器节点接收所述无线数据采集节点发送的数据，并转发所述数据；

（3）所述主机接收所述无线协调器节点转发的现场数据，并对所述数据进行分析处理，然后将数据存入数据库，同时判断所述数据是否异常；

（4）如果主机发现所述的数据存在异常，向所述协调器节点发送反馈信息；

（5）所述协调器节点通过无线网络向所述数据采集节点发送反馈信息；

（6）无线数据采集节点接收所述反馈信息，并发送到与其连接的工业现场的总线或工控设备，或发送到人机交互界面以进行人机交互。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述工业现场的数据包括工业现场的总线或工控设备上的数据，以及数控机床、激光坐标测量仪和关节臂测量机上的数据。

Images