CN209433234U - 基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测装置 - Google Patents

Abstract

提供一种基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测装置，包括水分仪、电子流量计、温度传感器、PLC、I/O服务器、太网交换机、管理应用服务器以及实时数据服务器；PLC通过电缆连接交换机，且交换机通过电缆连接Raspberry Pi的网卡模块；Raspberry Pi的GPIO引脚通过电缆连接触摸屏；Raspberry Pi的音频输出模块通过电缆连接扬声器，Raspberry Pi的电源模块连接输出电压为5V的电源，且电源连接市电交流电；且市电交流电通过空气开关并联电连接扬声器和电源。本实用新型通过基于Raspberry Pi的微型计算机完成制丝工艺参数监测及语音报警功能，具有体积小巧、方便与现有设备集成安装、功耗低、经济实用的特点。

Description

基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测 装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测装置。

背景技术

卷烟生产中，制丝工艺的稳定性直接决定着烟丝的优劣，对后期的卷接和评吸有着深远的影响。其中，授权公告号为CN207754531U的制丝关键工艺参数预警装置设计提出了采用PLC、传感器、服务器、交换机和PC机解决现有制丝生产中依靠人力将实施采集数据与工艺知道标准做匹配来判断工艺参数准确性导致的工作效率低的技术问题。但是，该技术目前的缺陷在于：1、 PC端采用计算机来实现，而配齐一套完整的带显示器、键盘、鼠标和主机的计算机设备，以市场较低配置计算，资金投入在2600-2800元左右，对于完成制丝工艺的自动化监测改进来说，资金投入过多，在现场实施，不具最优性价比优势；2、主机、显示器、键盘、鼠标构成的PC主体，体积庞大，需要占据较大场地空间，与此同时，系统功耗高，电耗大；3、缺少语音报警功能，预警功能有待完善。对此，现提出如下改进技术方案。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题：提供一种基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测装置，解决现有制丝工艺参数预警装置不便小型化设计，成本高，功耗大，不具最优性价比，以及尤其缺少语音报警功能，不利于与制丝设备集成嵌入式安装的技术问题。

本实用新型采用的技术方案：基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测装置，包括水分仪、电子流量计、温度传感器、PLC、I/O服务器、交换机、管理应用服务器以及实时数据服务器；其特征在于：交换机为以太网交换机，PLC通过电缆连接交换机，且交换机通过电缆连接Raspberry Pi的网卡模块；所述Raspberry Pi通过GPIO引脚连接触摸屏；所述Raspberry Pi的音频输出模块通过电缆连接扬声器，Raspberry Pi的电源模块连接输出电压为5V的电源，且电源连接市电交流电；且市电交流电通过空气开关并联电连接扬声器和电源。

进一步地：为实现与各种设备机体的嵌入式或集成固定安装：所述 Raspberry Pi和触摸屏分别与机壳固连为一体；所述机壳为长方体壳体结构，机壳内部固定安装Raspberry Pi，机壳侧壁开制多个与Raspberry Pi若干接口对应的通孔；机壳外部正面固定安装触摸屏。

优选地，为小型化设计：所述机壳长×宽尺寸与触摸屏尺寸相匹配；机壳机身厚度小于等于100mm。

进一步地，与机壳后侧壁固连为一体设有机壳安装架，所述机壳安装架制有若干方便将机壳与任一设备机体嵌入或集成安装的安装孔。

优选地，为有利网络通讯，有利系统扩展：所述Raspberry Pi为2代及 2代以上的B型或B+型Raspberry Pi。

优选地，为以较低成本，较简单的结构满足制丝车间吵杂环境的语音报警需求：所述扬声器为音响；且扬声器包括电源线以及连接市电交流电的插头。

进一步地，为采用市面常见配件实现供电，如实现与手机电源适配器的通用转换，所述电源由输出电压为5V的USB电源适配器和USB电源线组成。

本实用新型与现有技术相比的优点：

1、本实用新型的Raspberry Pi(树莓派微型计算机)与触摸屏结合，连同触摸屏在内，机壳的体积较显示器、键盘、鼠标和主机组成的成套计算机设备体积缩小80％以上，包括机壳在内的各硬件成本控制在1000元以内，借助现有基于Raspberry Pi的Python编程语言逻辑程序，可替代完成制丝工艺参数的在线智能监测及智能自动报警功能，体积小巧、功耗低、经济实用；

2、本实用新型方便与制丝车间各生产设备嵌入式集成固定安装，通过编写的运行程序，当数据异常时，可实现语音报警功能，更加智能化，能获得更加方便省力的监测体验；

3、本实用新型将基于Raspberry Pi、连同触摸屏在内的硬件与音响、电源等外接设备通过电缆直接插接即可使用；本实用新型可与多台设备固化集成安装，实现具有语音报警功能的智能监测；接口与市面常见接口插线相匹配，插即用；除适用于制丝监测语音报警外，通过软件参数的修改，可与其它在线参数智能监测语音报警系统相匹配，通用性理想；

4、本实用新型以监测1629加料机热风管内温度智能监测为例：按下空气开关为装置上电；温度传感器采集并经电缆传输1629加料机热风管内温度实际值；Raspberry Pi比对热风管内温度实际值与热分管内温度设定值；如果超过温度设定值上限，扬声器扩音播放预存的预警语音文件；并保存预警信息；Raspberry Pi获取用户是否同意执行器进行操作的信号，若是，Raspberry Pi控制执行器作出相应诸如调节风门大小的执行动作，完成一个周期的程序运行。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型一种实施例的工作流程以及原理图；

图3为本实用新型机壳固化安装Raspberry Pi以及触摸屏的一种实施例结构示意图；

图4为本实用新型基于Raspberry PiB+连接扬声器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图1-4描述本实用新型的具体实施例。

以下的实施例便于更好地理解本实用新型，但并不限定本实用新型。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为市售。下述实施例中控制电路的实现，如无特殊说明，均为常规控制方式。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，需要理解的是：术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。再例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过其他中间构件间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测装置，包括水分仪1、电子流量计2、温度传感器3、PLC4、I/O服务器5、交换机6、管理应用服务器7以及实时数据服务器8。上述各结构部件之间的连接方式与授权公告号为CN207754531U的制丝关键工艺参数预警装置公开的前述各部件之间的连接结构相同，故在此不做赘述。

不同之处在于：所述交换机6优选为更为经济、实用、通用性、兼容性优良更为优良的以太网交换机，所述PLC4通过电缆连接交换机6，为最大限度缩小结构体积，以达到降低功耗、控制经济成本的目的：所述交换机6通过电缆连接Raspberry Pi9的网卡模块；(Raspberry Pi通常简称“树莓派”，是一种尺寸与手掌大小近似的微型计算机，又称迷你电脑，预装Linux系统，搭载ARM架构处理器，运算性能和智能手机相仿。在接口方面，Raspberry Pi 提供了可供键鼠使用的USB接口，此外还有快速以太网接口、SD卡扩展接口以及1个可与显示器或者TV相连的HDMI高清视频输出接口)进一步地，相较鼠标、键盘等外设输入设备，为达到进一步缩小装置体积的目的：所述 Raspberry Pi9通过GPIO引脚连接触摸屏11，(GPIO：全称General-purpose input/output，直译为“通用型输入输出”)，即通过触摸屏11建立人机交互界面，实现键盘鼠标的输入操作功能；在此基础上，为利用Raspberry Pi 的微型电脑功能当数值比对差异时实现语音报警，所述Raspberry Pi9的音频输出模块通过电缆连接扬声器10，上述功能的实现相关程序后文有述。此外，为利用常规诸如手机充电器实现对Raspberry Pi的供电，即插即用。 Raspberry Pi9的电源模块连接输出电压为5V的电源12，且电源12连接市电交流电；与此同时，为实现Raspberry Pi连接扬声器10的供电的通断控制，市电交流电的供电回路通过空气开关13并联电连接扬声器10和电源12。

进一步地：为实现与各种设备机体的嵌入式或集成固定安装：所述 RaspberryPi9和触摸屏11分别与机壳14固连为一体；其余诸如扬声器10 等外设，分别通过相应电缆对应Raspberry Pi各接口与之相连。所述机壳14 为长方体壳体结构，机壳14内部固定安装Raspberry Pi9，机壳14侧壁开制多个与Raspberry Pi9若干接口对应的通孔141；机壳14外部正面固定安装触摸屏11。

优选地，为小型化设计：所述机壳14长×宽尺寸与触摸屏11尺寸相匹配；机壳14机身厚度小于等于100mm。

进一步地，与机壳14后侧壁固连为一体设有机壳安装架15，所述机壳安装架15制有若干方便将机壳14与任一设备机体嵌入或集成安装的安装孔16。

需要说明的是，图3仅仅是本实用新型机壳集成固化安装触摸屏以及 RaspberryPi后一种实施例的简易结构，还可进一步优化，例如机壳采用上下壳体可拆卸的组合安装结构。该结构与现有技术中的手机、平板电脑等机壳结构类似，因此不再赘述。需要说明的是，凡是能实现Raspberry Pi与触摸屏通过机壳固连为一体的结构均适用于本案。

优选地，为有利网络通讯，有利系统扩展：所述Raspberry Pi为2代及 2代以上的B型或B+型Raspberry Pi。以至少满足除触摸屏人机交互外的互换性扩展连接键盘以及鼠标的USB接口；至少包括太网接口、SD卡扩展接口以及可以连接调试用具有更大显示界面的显示器或者TV的HDMI高清视频输出接口。

优选地，为有利小型化设计并方便借助触摸屏手动输入操作：所述触摸屏11可选用Waveshare针对Raspberry Pi定制生产的3.5-7英寸电容性触摸屏(Waveshare中文通称“微雪”)。该触摸屏由深圳市微雪电子电子有限公司生产，该电容性触摸屏特点在于：其屏体背面具有专门匹配插接 Raspberry Pi的GPIO引脚接口，价位在200-500元区间，并专门针对 Raspberry Pi的GPIO引脚接口省去电缆接线可直接与GPIO引脚接口插接对接相连实现显示以及触控功能。安装时，该触摸屏屏体背面的可直接插接 Raspberry Pi的GPIO引脚的插接口，与Raspberry Pi的对应GPIO引脚省去电缆线插接相连后的硬件体积，硬件整体体积小巧且结构紧凑。

所述LCD电容性触摸屏通过电缆与Raspberry Pi的GPIO引脚连接实现触控人机交互功能。其控制电路属于现有技术，故在此不做赘述。

优选地，为以较低成本，较简单的结构满足制丝车间吵杂环境的语音报警需求：所述扬声器10为音响；且扬声器10包括电源线以及连接市电交流电的插头。

进一步地，音响与机壳14外侧壁固连为一体或音响与设备机体固连为一体，如音响通过音响支架固定在设备机体固定支撑安装。

进一步地，为采用市面常见配件实现供电，如实现与手机电源适配器的通用转换，所述电源12由输出电压为5V的USB电源适配器和USB电源线组成。

优选地，为满足Raspberry Pi的单独通断电需求，方便初始化或调试：所述电源12为型号为CLB-PJ07带开关的USB电源适配器和USB 电源线。

在使用时，本可以与现有技术中的软件配合实现多种数据的采集及传输。下面结合现有技术中的软件对本实用新型的工作原理进行描述，但是必须指出的是：与水分仪1、电子流量计2、温度传感器3、PLC4、I/O服务器5、交换机6、管理应用服务器7以及实时数据服务器8配合的软件不是本实用新型的创新部分，故该部分运行软件程序不做赘述。

本实用新型基于Raspberry Pi使用Python计算机语言编辑实现语音报警功能主要程序如下。

需要说明的是：上述程序代码，仅以1629加料机设备风管内环境温度的温度传感器3采集信息的语音预警程序举例。与之类似，本实用新型制丝相关的其它水分仪1、电子流量计2、温度传感器3相关参数的智能语音报警监测程序，均以上述架构为基础来实现，在此不做赘述。

本实用新型的工作流程结合图3，以监测1629加料机热风管内温度智能监测为例：按下空气开关为装置上电；温度传感器采集并经电缆传输1629加料机热风管内温度实际值；Raspberry Pi比对热风管内温度实际值与热分管内温度设定值；如果超过温度设定值上限，扬声器扩音播放预存的预警语音文件；并保存预警信息；Raspberry Pi获取用户是否同意执行器进行操作的信号，若是，Raspberry Pi控制执行器作出相应诸如调节风门大小的执行动作，完成一个周期的程序运行。

本实用新型的工作流程步骤如下：

S001：导入snap7模块，用来连接PLC,实现数据的采集；导入MongoEngine 操作，实现数据库交互；导入Pygame模块，实现语音播放；实现程序的定时执行；

需要说明的是：导入的snap7模块，snap7可用于读写西门子S7系列PLC 寄存器的值，用来连接PLC,实现数据的采集。MongoEngine是一个对象文档映射器(ODM)，相当于一个基于SQL的对象关系映射器(ORM)，实现数据库交互。Pygame模块：是跨平台Python模块，包含图像、声音文件，建立在 SDL基础上，允许实时语音研发而无需被如机器语言和汇编语言束缚，用于实现本实用新型的语音播放功能。

S002：牌号转换函数，将从PLC中获取到的牌号代码转换成文本；

S003：获取工单状态、获取批次号、获取牌号、获取实数、获取整数、获取布尔类型数据；

S004：定义报警信息模型；定义报警信息产生时间；定义产生报警信息的设备名称；定义产生报警信息的物料牌号；定义报警信息描述；

S005：定义工艺参数模型；定义设备名称；物料牌号；工艺参数及要求

S006：定义播放语音预警信息参数说明:1:定义要播放的语音文件名2、定义语音需播放的次数3、定义语音播放时长；

S007：建立业务函数；系统功能由该函数完成，以1629加料机设备风管内环境温度进行举例；

S008：建立到PLC的连接，参数含义分别是:1、PLC的IP地址2、PLC 机架号3、CPU模块位置4、连接端口号；

S009：连接MongoDB数据库，参数含义分别是：1、数据库名称2、数据库服务器的IP地址3、连接端口号；

需要说明的是：MongoDB是一个基于分布式文件存储的数据库，是当前最流行的Nosql数据库之一；最大的特点是他支持的查询语言功能强大，语法类似面向对象的查询语言，可实现类似关系数据库单表查询的绝大部分功能，并支持对数据建立索引。

S0010：判断工作状态,True:正在生产；False：未生产；

S0011：工作状态为“正在生产”；获取牌号；获取工艺参数设定值，如 1629加料机设备风管内环境温度热风温度的上、下限；

S0012：获取工艺参数实际值：如正在生产的牌号的1629加料机设备风管内环境温度热风温度；

S0013：获取设备参数实际值"；如正在生产的牌号的1629加料机设备风管风门开度；

S0014：获取用户是否同意该系统对执行器进行操作的信号(假设)

S0015：超过上限值；扬声器语音预警，保存预警信息；在用户允许使用该系统进行调整的条件下，以开度+2调大风门开度，增大风门入口冷风进入量，降低设备风管内环境温度；

接近上限值；扬声器语音预警，保存预警信息；在用户允许使用该系统进行调整的条件下，以开度+1调大风门开度，增大风门入口冷风进入量，降低设备风管内环境温度；

低于下限值；扬声器语音预警，保存预警信息；在用户允许使用该系统进行调整的条件下，以开度-2调小风门开度，减小风门入口冷风进入量，增加设备风管内环境温度；

超过下限值；扬声器语音预警，保存预警信息；在用户允许使用该系统进行调整的条件下，以开度-1调小风门开度，减小风门入口冷风进入量，增加设备风管内环境温度。

需要说明的是，Raspberry Pi控制执行器作出相应诸如调节风门大小的执行动作的功能属于现有技术，不是本实用新型的创新部分，故该部分运行软件程序不做赘述。

此处描述的技术还在各流程图中描述。为便于讨论，某些操作在这些流程图中被描述为以特定次序执行的不同的组成步骤。这些实现是示例性而非限制性的。某些操作可被分组在一起并且在单个操作中执行，而某些操作可用不同于在本实用新型中所述的示例中所采用的次序来执行。

可见，本实用新型的Raspberry Pi与触摸屏结合，连同触摸屏在内，机壳的体积较显示器、键盘、鼠标和主机组成的成套计算机设备体积缩小80％以上，包括机壳在内的各硬件成本控制在1000元以内，借助现有基于 Raspberry Pi的Python编程语言逻辑程序，可替代台式计算机完成制丝工艺参数的在线智能监测及智能自动报警功能，体积小巧、功耗低、经济实用。本实用新型方便与制丝车间各生产设备嵌入式集成固定安装，通过编写的运行程序，当数据异常时，可实现语音报警功能，更加智能化，能获得更加方便省力的监测体验。本实用新型将基于Raspberry Pi、连同触摸屏在内的硬件与音响、电源等外接设备通过电缆直接插接即可使用；本实用新型可与多台设备固化集成安装，实现具有语音报警功能的智能监测；接口与市面常见接口插线相匹配，插即用；除适用于制丝监测语音报警外，通过软件参数的修改，可与其它在线参数智能监测语音报警系统相匹配，通用性理想。

通过以上描述可以发现：本实用新型实现了制丝参数的语音报警功能，成本低，功耗小、电耗少、性价比高、体积小巧，经济实用，通用性优良。

对于术语，参考附图描述的任何功能都可使用软件、固件、硬件(例如，固定逻辑电路)、手动处理或者这些实现的组合来实现。此处所使用的术语“逻辑”、“模块”、“组建”或“功能”一般表示软件、固件、硬件、或这些实现的组合。例如，在软件实现的情况下，术语“逻辑”、“模块”、“组建”或“功能”表示被配置成当在一个或多个处理设备(例如，一个或多个CPU)上执行指定任务的程序代码(或申明性内容)。程序代码可被存储在一个或多个计算机可读介质中。

更一般而言，所示的讲逻辑、模块、组建和功能分割成不同单元可以反映这些软件、固件、和/或硬件的实际物理分组和分配，或者可对应于由单个软件程序、固件程序和/或硬件单元执行的不同任务的概念性分配。所示的逻辑、模块、组件和功能可位于单个位置处(例如，由处理设备来实现)，或者可分布在多个位置上。

术语“机器可读介质”等指的适用于以任何形式保留信息的任何种类的介质，包括存储设备(磁、光、固态等等)。术语机器可读介质还包含了表示信息的瞬态形式，包括用于将信息从一点发送到另一点的硬线和/或无线链路。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上述实施例，只是本实用新型的较佳实施例，并非用来限制本实用新型实施范围，故凡以本实用新型权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本实用新型权利要求范围之内。

Claims (7)

1.基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测装置，包括水分仪(1)、电子流量计(2)、温度传感器(3)、PLC(4)、I/O服务器(5)、交换机(6)、管理应用服务器(7)以及实时数据服务器(8)；其特征在于：所述交换机(6)为以太网交换机，所述PLC(4)通过电缆连接交换机(6)，且交换机(6)通过电缆连接Raspberry Pi(9)的网卡模块；所述Raspberry Pi(9)通过GPIO引脚连接触摸屏(11)；所述Raspberry Pi(9)的音频输出模块通过电缆连接扬声器(10)，Raspberry Pi(9)的电源模块连接输出电压为5V的电源(12)，且电源(12)连接市电交流电；且市电交流电通过空气开关(13)并联电连接扬声器(10)和电源(12)。

2.根据权利要求1所述的基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测装置，其特征在于：所述Raspberry Pi(9)和触摸屏(11)分别与机壳(14)固连为一体；所述机壳(14)为长方体壳体结构，机壳(14)内部固定安装Raspberry Pi(9)，机壳(14)侧壁开制多个与Raspberry Pi(9)若干接口对应的通孔(141)；机壳(14)外部正面固定安装触摸屏(11)。

3.根据权利要求2所述的基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测装置，其特征在于：所述机壳(14)长×宽尺寸与触摸屏(11)尺寸相匹配；机壳(14)机身厚度小于等于100mm。

4.根据权利要求3所述的基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测装置，其特征在于：与机壳(14)后侧壁固连为一体设有机壳安装架(15)，所述机壳安装架(15)制有若干方便将机壳(14)与任一设备机体嵌入或集成安装的安装孔(16)。

5.根据权利要求1所述的基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测装置，其特征在于：所述Raspberry Pi(9)为2代及2代以上的B型或B+型Raspberry Pi。

6.根据权利要求1所述的基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测装置，其特征在于：所述扬声器(10)为音响；且扬声器(10)包括电源线以及连接市电交流电的插头。

7.根据权利要求1所述的基于Raspberry Pi具有语音报警功能的制丝工艺参数监测装置，其特征在于：所述电源(12)由输出电压为5V的USB电源适配器和USB电源线组成。