CN102814957A - 基于ZigBee网络的嵌入式模具保护系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种基于ZigBee网络的嵌入式模具保护系统，包括：协调器，用以负责ZigBee网络的建立、维护、子节点的加入、数据的收集以及与上位机之间的通讯；路由器节点，用于负责数据路由，确保主节点与带有无线收发功能的嵌入式模具保护器之间正确的数据交换；带有无线收发功能的嵌入式模具保护器，用以监测模具安全，提供模具状态信息；上位机，用于显示系统中各终端节点的实时状态。以及提供一种基于ZigBee网络的嵌入式模具保护方法。本发明提供一种注塑机模具安全的远程监控方案，保证注塑机的模具安全和产品质量。

Description

基于ZigBee网络的嵌入式模具保护系统及其方法

技术领域

本发明涉及注塑机模具领域，尤其是一种注塑机模具保护系统。

背景技术

塑料注射成型机作为塑料制品的加工设备已有半个多世纪的历史，近年来随着塑料制品应用领域的不断扩大，世界上对注塑机械的需求呈现了持续大幅攀升的趋势。特别是我国，进入20世纪90年代以来，注塑机的销售额以10％左右的年均增长率快速增长，总产量已居世界第一位。

在注塑加工生产中，注塑模具作为注塑制品加工最重要的成型设备，其质量优劣直接关系到制品质量优劣。而且由于模具在注塑加工企业生产成本中占据较大的比例，其使用寿命直接左右注塑制品成本。目前在注塑成型车间中，为了降低修模成本，提升模具的使用率，大部分的厂家采用人工倒班的作业方式，由作业人员通过目视、探头、手摸的方式进行模具夹模的预防作业，效率极其低下劳动强度高，需要投入大量的人力物力，而且容易在人员作业疲劳是发生目视漏看而照成模具损坏，甚至因为探头而产生不安全的人身事故。因此，提高注塑模具质量，并通过机器视觉技术维护和保养好，延长其使用周期，是注塑制品加工企业降本增效的重要课题。

近年来，随着图像处理技术飞速发展，特别计算机处理速度的显著提高，大规模存储器的出现，模具的自动识别报警系统被大量引入注塑行业中，通过CCD视频图像的动态采集，借助计算机数字图像处理技术，对生产过程中模具存在的残留、滑块错位、脱模不良等异常情况进行实时监控以实现对模具的自动保护。这种基于图像的实时监控系统极大提高了注塑模具的安全性，降低了修模成本，提升了工作效率，降低了工作人员的劳动强度。因此，基于机器视觉的模具保护器成为目前众多注塑机必备的配套设备。

而现今市面上大部分国内生产的模具保护器都采用X86平台的工控机作为主控器，价格昂贵且缺乏丰富的接口，和现场PLC或其他设备连接需要外加扩展板卡；需要繁琐的操作来完成监视和检测报警的任务，而现场的操作人员则需要经过专业的培训才能够操作设备；厂房内光线变化、设备振动、模具归位不准以及现场噪声等因素仍然会造成一定概率的误报警；各台注塑机和模具保护器的重要信息缺乏数据远传和远程监控的功能，监测人员必须在现场巡视，十分不方便。

发明内容

为了解决注塑行业中的模具安全问题，并克服现有技术中仍然存在的问题，本发明提供一种检测结果准确，并能远程监控的基于ZigBee网络的嵌入式模具保护系统及其方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于ZigBee网络的嵌入式模具保护系统，所述模具保护系统包括：协调器，用以负责ZigBee网络的建立、维护、子节点的加入、数据的收集以及与上位机之间的通讯；

路由器节点，用于负责数据路由，确保主节点与带有无线收发功能的嵌入式模具保护器之间正确的数据交换；

带有无线收发功能的嵌入式模具保护器，用以提供注塑机模具状态信息；

上位机，用于显示系统中各终端节点的实时状态；

其中，所述带有无线收发功能的嵌入式模具保护器包括：

数据无线收发模块，用以实现状态信息的无线收发功能，使单个模具保护器成为ZigBee网络中的终端节点；

图像采集模块，包括一个红外摄像头、一个红外光源和两个磁性座；

数据处理模块，用以进行图像数据处理，进行异常检测；

人机交互模块，包括液晶显示器和电容式触摸板，用以设置系统参数和显示当前节点监控情况；

I/O信号转接板，用以根据检测结果控制注塑机动作。

进一步，所述的传感器节点中电源模块采用可选的干电池和外部电源两种供电方式。

所述数据无线收发模块由MSP430微处理器、射频收发器CC2520以及节点收发功率放大器CC2591组成。

所述的人机交互模块包括独立的液晶显示屏和电容式触摸板两部分，分别通过VGA接口和232串口与主控板相连。

所述的I/O转接板中输入信号带光电隔离功能，输出信号通过继电器隔离。

一种基于ZigBee网络的嵌入式模具保护方法，所述模具保护方法包括以下步骤：

A:模具保护器根据注塑机工艺流程监控模具安全，具体如下：

A1:模具保护器在注塑成型后对模腔进行异常检测，过程如下：

A11:确认注塑机安全门是否关闭，等待注塑机开模到位信号；

A12:使用红外相机对产品成型后的模腔拍摄图像，与基准图像对比判断是否存在图像偏移，若存在则进行位置补偿；

A13:将拍摄到的图像与当前场景下的背景模型进行比较，判断是否存在缺陷产品及是否存在定模粘膜等异常情况。若正常，则使能允许顶针的I/O信号，并更新背景模型；若异常，则不使能该I/O信号，且在液晶屏上圈出异常区域；

A2:模具保护器在动模落料后对模腔进行异常检测，过程如下：

A21:确认注塑机安全门是否关闭，等待注塑机顶针完成信号；

A22:使用红外相机对产品落料的模腔拍摄图像，与基准图像对比判断是否存在图像偏移，若存在则进行位置补偿；

A23:将拍摄到的图像与当前场景下的背景模型进行比较，判断是否存在落料未完成等异常情况。若正常，则使能允许合模I/O信号，并更新背景模型；若异常，则不使能该I/O信号，且在液晶屏上圈出异常区域；

B:模具保护器采样当前检测状态，打包数据；

C:根据设定的信息发送间隔，将该数据包经最优路径发送至协调器节点；

D:协调器将数据包经232/485发送至上位机；

E:上位机根据汇集各个模具保护器的状态信息，更新整个网络的监控状态。

本发明的有益效果主要表现在：由于采用了嵌入式处理器作为控制核心，本发明的单个模具保护器具有更好的便携型和易扩展性；由于该处理器是TI公司的高速数字信号处理芯片，保证了系统处理图像数据的实时性；由于采用基于机器视觉的异常检测算法，本发明能实时智能检测出缺陷产品和脱模不良等情况，保证产品质量，保护模具安全；由于引入了基于ZigBee无线传感网络技术，本发明实现了模具安全的远程监控，使得技术人员不必依靠现场巡逻实现对注塑机的监测，降低了劳动强度，同时减轻了工业现场噪音与空气污染对员工的影响，保证了工作人员的身体健康。综上，本发明能提高注塑行业的产品质量，保护模具安全，降低工作强度，保证员工身体健康，有效提升注塑行业自动化水平。

附图说明

图1是本发明的系统原理框图

图2是ZigBee网络中协调器节点的硬件结构示意图

图3是网络中单个节点关联接入步骤示意图

图4是本发明中单个嵌入式模具保护器的硬件结构示意图

图5是加入模具保护器后注塑机的工作流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1

参照图1~图5，一种基于ZigBee网络的嵌入式模具保护系统，整个系统由多套模具保护器(终端节点)，多个路由节点，一个协调器节点及一台PC机组成，如图1所示。

传统模具保护器有一个缺点是，在检测到异常后，只通过蜂鸣器和显示装置发出警报。在这种情况下，当一个工作人员需要监控多台设备时，必须不断的巡逻。考虑到这种情况的存在，本发明将单台模具保护器设计成具有数据无线收发能力的无线传感器节点，在车间内构建以模具保护器为终端节点的ZigBee无线网络，实现模具状态的远程监控。

首先对基于ZigBee技术的无线传感器网络进一步说明。网络中包含了一个终端节点，多个路由器和协调器，三种节点类型。这三种节点都具有无线数据的收发功能，但是各自功能都不一样。协调器是整个网络的主控节点，负责网络的建立、维护、子节点的加入、数据的收集以及与上位机之间的通讯；路由器负责转发消息和实现路由功能；终端节点不具备父节点或路由的能力,作为网络的边缘设备提供监控信息。其中协调器和路由器为全功能设备FFD(Full Function Device)，而终端节点被设计为精简功能设备RFD(Reduced Function Device)。本发明中采用的网络拓扑结构原理图如图1所示。

本系统中协调器的无线核心模块由MSP430微处理器、射频收发器CC2520以及节点收发功率放大器CC2591组成。并通过RS232/485接口与上位机进行通信，由无线核心模块负责数据的无线传输与处理，利用LED指示灯和LCD屏实时地显示网络状态和部分监测数据，为方便调试网络，使用按键实现手动控制功能。其硬件结构框图如图2所示。路由器的大部分硬件与协调器相同，只是硬件接口更加简单而已。而终端节点的硬件结构图也类似于协调器，只是将232/485接口换成了I²C。需要注意的是，由于工作环境的特殊性，区别于传统意义上的无线传感器节点，本系统中的节点电源被设计成了外部电源供电和干电池供电两种供电方式，因此系统设计时可及不考虑节点的能耗问题，简化了软件算法的设计。

本发明中模具安全监控网络，首先需要一个全功能设备发起并创建网络，即前文所述的协调器。协调器首先选择一个空闲的信道作为自身网络的通信信道，再发出新标请求，并确定自己的16位网络地址。在信道及协调器初始化后，协调器才开始接受其它节点加入网络，一个未加入任何网络的节点(路由器或者终端节点)，想要加入当前网络，首先需要进行网络发现，即搜索周围的节点，然后更新自己的邻居表，再选择合适的网络及父节点，并向父节点发送入网请求。父节点在接到请求后，首先查询邻居表确认设备，并分配16位地址给申请接入的节点。子节点收到接入确认后，更新自己的地址和邻居表，正式加入当前网络。整个关联接入步骤如图3所示。

ZigBee网络中存在两个地址：一个16-bit网络短地址和一个64-bitIEEE扩展地址。其中的16位地址，虽仅在网络内部使用，但用于路由机制和数据传输，因此非常重要，由父节点动态分配。假定网络中每个父节点最对可以连接C_m个字节点，而这些子节点中最多可以有R_m个路由节点，同时网络最大深度为L_m。Cskip(d)表示深度为d的父节点其子节点拥有的地址间偏移量。通常初始化协调器的网络地址为0，网络深度Depth=0。假设父节点k的深度为d，地址为A_k，则有：

1)若节点Node(n)是父节点的第n个RFD设备，则其分配到的网络地址为：

A_n=A_k+Cskip(d)·R_m+n

2)若节点Node(n)是父节点的第n个FFD设备，则其分配到的网络地址为：

A_n=A_k+1+Cskip(d)·(n-1)

其中：

$\mathrm{Cskip}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{c}1+C_m(L_m-d-1),\mathrm{if}{R}_m=1\\ \frac{1+C_m-R_m-C_m{R}_m^{L_m-d-1}}{1-R_m},\mathrm{othewise}\end{array}\right.$

而当一个路由节点的Cskip(d)=0时，表明该设备不再具备给子节点分配地址的能力，即该路由节点不能再接受新的节点加入网络。

ZigBee网络根据该16-bit地址进行路由及数据传输，其中协议自带的路由算法结合了cluster-tree和AODVjr算法，这里不做详细的阐述。

在本发明的ZigBee网络中，每个终端节点根据设定的采样间隔，从模具保护器中对注塑机状态进行间隔采样，然后根据数据帧格式打包注塑机状态信息。而由于系统中只存在一个协调器，且知道其地址为0，因此系统采用直接方式发送数据包。数据包首先由终端节点发送至其父节点（即路由器），然后其父节点根据路由表将数据包发送至协调器，接着协调器通过232/485接口数据包发送给上位机，上位机解压数据包，并更新节点状态信息。同理，在需要对终端节点进行参数设置（如采样间隔时间）时，首先确定终端节点的地址，然后上位机下发设置命令，经协调器和路由器，最终发送至模具保护器终端节点。系统根据这种方式，实现了网络数据的双向传输。

接下来结合二次成型注塑机的工艺流程，以单台模具保护器为例，对整个系统的实施方式进一步说明，其中单个嵌入式模具保护器的硬件框图如图4所示，具体包括：一个近红外光源、一个红外摄像头、两个磁性座、一个以DM6446为核心的DSP主控板、一套触摸屏、一个与注塑机相连的I/O信号转接板及一个数据无线收发模块。

安装与设置。将近红外光源和红外摄像头对准注塑机模腔内，并通过磁性座固定于注塑机的铁质外壳上，根据液晶屏中显示的图像调节摄像头的光圈直到获得最佳的图像。然后连接I/O信号转接板和注塑机之间的连线，其中输入信号采用并行连接并带有光电隔离，而输出信号采用串行连接并带有继电器隔离。触摸屏作为本装置的人机交互界面，通过触摸屏可以设置单个模具保护器中诸如异常面积阈值、I/O信号等待延时等参数，也可以划定视场中的监测区域。然后结合路由器节点和协调器节点，生成一个以ZigBee协议为基础的无线传感网络。

实施例2

单个模具保护器的实施方法如图5所示，其具体步骤如下：

步骤1：注塑成型后，主控制板等待开模到位信号，注塑机在动模打开至最大位置处时将该信号经I/O信号转接板发送至主控制板，此时主控制板等待一个设置好的延迟时间（以保证能拍摄出清晰的图像）后，控制红外摄像头捕捉此时的模腔图像。需要强调的是，之所以采用红外光源和红外摄像头，是因为普通摄像头拍摄的图像容易受光照变化的影响而造成系统误检，而红外摄像头只接受特定波段的图像，配合红外光源，能有效减轻这一影响。

步骤2：由于工业现场的震动及动模归位不准等原因，容易造成图像间的位置偏差，而造成系统误检。为解决此问题，可以采用选取多幅基准图的方案，但这在对实时性有较高要求的本系统中显然不适用。本系统采用偏差补偿的方案，即将拍摄到图像基准图像比较，计算出两者之间的几何偏差，然后补偿于前者，以降低系统的误检率。

步骤3：将偏差补偿后的图像与背景模型比较，若图像数据落于背景模型内，说明当前场景正常，使能允许顶针信号，更新背景模型，转至步骤4；否则说明当前场景内存在产品缺陷或者定模粘膜等异常情况，此时系统在液晶屏上圈出检测出的异常区域，将注塑机状态置为异常，并禁止使能允许顶针信号，注塑机停止运行，等待工作人员进行异常处理。

步骤4：如步骤1，主控板等待顶针完成信号，当接受到该信号后，等待一段时间，然后控制红外摄像头拍摄脱料后的模腔图像。

步骤5：如步骤2，进行当前图像的偏差补偿。

步骤6：如步骤3，将偏差补偿后的图像与脱料后模具的背景模型背景比较，若图像数据背景落于背景模型内，说明当前场景正常，使能允许合模信号，跳至步骤1，注塑机一个循环结束；否则，说明动模存在粘膜或者物料残留等异常情况，由液晶屏圈出异常区域，将注塑机状态置为异常，并禁止使能允许合模信号，注塑机停止运行，等待工作人员进行异常处理。

步骤7：该步骤与步骤1~6并行运行。数据无线收发模块根据设定的状态采样间隔，通过I²C读取模具保护器的状态信息，根据协议打包模具状态信息，经组建的无线网络将数据包发送至协调器节点，协调器节点再通过232/485接口将数据发送至上位机，上位机实时更新网络的监控状态。工作人员根据上位机的显示信息，监控系统的节点状态和模具安全状态。

单台模具保护器由于采用了嵌入式芯片作为核心处理器，相比于传统采用工控机的方案，提高了便携性和易扩展性，同时又降低了硬件成本。同时从上述步骤中不难发现，本发明中模具保护器针对注塑机的工艺流程，在注塑成型和脱料完成后，进行了两次异常检测，前者可以检测产品的成型质量和定模有无粘膜的情况，后者检测落料后动模上的物料残留情况。通过这两步的检测，既提高了产品质量，又保证了模具安全。更重要的是，由于采用了基于ZigBee的无线网络技术，实现了模具状态的远距离监控，使得工作人员能单人监控多台甚至整个车间的注塑机模具安全，提高了工作效率和注塑行业的自动化水平。

Claims (6)

1.一种基于ZigBee网络的嵌入式模具保护系统，其特征在于：所述模具保护系统包括：

协调器，用以负责ZigBee网络的建立、维护、子节点的加入、数据的收集以及与上位机之间的通讯；

路由器节点，用于负责数据路由，确保主节点与带有无线收发功能的嵌入式模具保护器之间正确的数据交换；

带有无线收发功能的嵌入式模具保护器，用以提供注塑机模具状态信息；

上位机，用于显示系统中各终端节点的实时状态；

其中，所述带有无线收发功能的嵌入式模具保护器包括：

数据无线收发模块，用以实现状态信息的无线收发功能，使单个模具保护器成为ZigBee网络中的终端节点；

图像采集模块，包括一个红外摄像头、一个红外光源和两个磁性座；

数据处理模块，用以进行图像数据处理，进行异常检测；

人机交互模块，包括液晶显示器和电容式触摸板，用以设置系统参数和显示当前节点监控情况；

I/O信号转接板，用以根据检测结果控制注塑机动作。

2.如权利要求1所述的基于ZigBee网络的嵌入式模具保护系统，其特征在于：所述的传感器节点中电源模块采用可选的干电池和外部电源两种供电方式。

3.如权利要求1或2所述的基于ZigBee网络的嵌入式模具保护系统，其特征在于：所述数据无线收发模块由MSP430微处理器、射频收发器CC2520以及节点收发功率放大器CC2591组成。

4.如权利要求1或2所述的基于ZigBee网络的嵌入式模具保护系统，其特征在于：所述的人机交互模块包括独立的液晶显示屏和电容式触摸板两部分，分别通过VGA接口和232串口与主控板相连。

5.如权利要求1或2所述的基于ZigBee网络的嵌入式模具保护系统，其特征在于：所述的I/O转接板中输入信号带光电隔离功能，输出信号通过继电器隔离。

6.一种用如权利要求1所述的基于ZigBee网络的嵌入式模具保护系统实现的模具保护方法，其特征在于：所述模具保护方法包括以下步骤：

A:模具保护器根据注塑机工艺流程监控模具安全，具体如下：

A1:模具保护器在注塑成型后对模腔进行异常检测，过程如下：

A11:确认注塑机安全门是否关闭，等待注塑机开模到位信号；

A12:使用红外相机对产品成型后的模腔拍摄图像，与基准图像对比判断是否存在图像偏移，若存在则进行位置补偿；

A13:将拍摄到的图像与当前场景下的背景模型进行比较，判断是否存在缺陷产品及是否存在定模粘膜等异常情况。若正常，则使能允许顶针的I/O信号，并更新背景模型；若异常，则不使能该I/O信号，且在液晶屏上圈出异常区域；A2:模具保护器在动模落料后对模腔进行异常检测，过程如下：

A21:确认注塑机安全门是否关闭，等待注塑机顶针完成信号；

A22:使用红外相机对产品落料的模腔拍摄图像，与基准图像对比判断是否存在图像偏移，若存在则进行位置补偿；

A23:将拍摄到的图像与当前场景下的背景模型进行比较，判断是否存在落料未完成等异常情况。若正常，则使能允许合模I/O信号，并更新背景模型；若异常，则不使能该I/O信号,且在液晶屏上圈出异常区域；

B:模具保护器采样当前检测状态，打包数据，并将其经最优路径发送至协调器；

C:协调器将数据包经232/485发送至上位机；

D:上位机根据汇集各个模具保护器的状态信息，更新整个网络的监控状态。

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