CN217739776U - 一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统 - Google Patents

Abstract

一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统，智能控制模块通过Zigbee无线连接方式与所述环境感知模块连接；智能控制模块通过GPIO引脚与输出模块连接；智能控制模块通过SPI串口通信接口与用户信息识别模块连接；智能控制模块通过GPIO引脚与按键模块连接；智能控制模块通过RJ45网口与RFID标签识别模块连接；实现数据采集、对多传感器的多源数据进行分析判断环境状况，对本地采集数据进行预处理通过WIFI模块上传至工业边缘服务器进行持久化存储；感知设备周边环境的实时数据，将采集信息进行汇总、存储和处理，显示当前的感知信息，当检测到环境异常时通过蜂鸣器进行紧急通知。同时，具备WIFI模块可进行局域网通信，实现与工业生产环境中的局域网设备协同工作。

Description

一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统

技术领域

本实用新型属于纺织工业生产流程的感知设备技术领域，具体涉及一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统。

背景技术

在数字化生产不断普及的现在，工业生产已经迈入工业4.0阶段，越来越多的物联网设备被引入传统工业生产环节，为生产流程提供数据采集、风险预警、环境监测等服务。但如纺织等在内的一些传统手工业和半自动工业由于生产过程繁杂、自动化程度低、社会关注度低等原因，未能将物联网技术带入纺织工业。在纺织生产过程中，大量易燃物对生产环境造成许多潜在风险，传感器对于风险监测分为潜在风险和灾害警报两部分，温度、湿度可监测到环境异常变化，烟雾和火焰监测与蜂鸣器的结合可以及时对灾害进行警报。

纺织生产线仍然有大量工作需要纺织工人手动完成，每天的统一打卡的模式会降低人员的考勤效率。对于人员管理存在问题，通过集成感知设备的RFID识别器可以让工作人员在操作设备时通过IC卡进行打卡，并且可以对每台设备任何时刻的操作人员进行记录，实现对工作人员的精准定位和权限管理。

纺织产品的生产需要经过多道工序进行加工，在繁杂的加工过程容易造成半成品的漏加工以及难以追溯产品加工源头和过程。通过在半成品产品上粘贴RFID标签，可以在不影响产品加工的前提下，实现每个对半成品的编码，再经由集成感知设备上的超高频RFID阅读器，可在0~5米的范围内对RFID标签的数据进行快速读写，实现对产品加工的实时追溯和记录。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统，体积小巧、安装便捷，集成了环境监测和用户信息识别、信息展示等功能，并提供RFID识别功能，解决产品加工流程监测困难的问题，解决当前纺织生产环节数据采集困难的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统，它包括有智能控制模块：

智能控制模块通过Zigbee无线连接方式与所述环境感知模块连接；智能控制模块通过GPIO引脚与输出模块连接；智能控制模块通过SPI串口通信接口与用户信息识别模块连接；智能控制模块通过GPIO引脚与按键模块连接；智能控制模块通过RJ45网口与RFID标签识别模块连接；

所述的智能控制模块包括树莓派核心板，树莓派核心板电连接有电源模块，所述树莓派核心板串口连接有存储模块，蓝牙模块和WIFI模块；

所述的环境感知模块包括烟雾传感器、温湿度传感器、火焰报警传感器、磁感应传感器、雨滴传感器、超声波传感器、陀螺仪传感器；

所述的输出模块包括显示模块、蜂鸣器；

所述的用户信息识别模块包括RFID阅读器；

所述的按键模块包括触摸传感器、按键模块；

所述的RFID标签识别模块包括高频RFID阅读器。

所述的智能控制模块中树莓派核心板为具有处理环境采集数据、按键反馈、WIFI和蓝牙收发解析、输出数据功能的树莓派4B；所述电源模块为LM2596电源模块。

所述的环境感知模块中烟雾传感器包括MQ-2烟雾气敏传感器和Zigbee模块；温湿度传感器为DHT11温湿度传感器和Zigbee模块；超声波传感器为HC-SR04超声波测距模块和Zigbee模块；陀螺仪传感器为MPU6050三轴加速度陀螺仪模块和Zigbee模块。

所述RFID阅读器为RC522 RFID模块。

所述的按键模块中触摸传感器为TTP223触摸检测传感器；按键模块为4×4薄膜按键开关。

所述高频RFID阅读器为超高频UHF电子标签读写器。

所述的输出模块中显示模块为1602A液晶显示模块；蜂鸣器为有源蜂鸣器模块。

本实用新型的应用效果是：

本实用新型的智能控制模块可实现对环境感知模块的数据采集、对多传感器的多源数据进行分析判断环境状况，对本地采集数据进行预处理通过WIFI模块上传至工业边缘服务器进行持久化存储；环境感知模块包括采集各种环境状况的传感器，各传感器主动感知设备周边环境的实时数据，包括温湿度、空气质量、水滴、磁场和生产设备的振幅等信息，将采集信息传输至智能控制模块进行汇总、存储和处理，通过输出模块显示当前的感知信息，当检测到环境异常时通过蜂鸣器进行紧急通知。同时，具备WIFI模块可进行局域网通信，实现与工业生产环境中的局域网设备协同工作。

附图说明

图1为本实用新型一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统示意图。

图2为本实用新型一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统的数据交互对象结构示意图。

其中：1为智能控制终端；2为环境感知模块；3为用户信息识别模块；4为输入模块；5为RFID标签识别模块；6为树莓派核心板；7为电源模块；8为存储模块；9为蓝牙模块；10为WIFI模块；11为烟雾传感器；12为温湿度传感器；13为火焰报警传感器；14为磁感应传感器；15为雨滴传感器；16为超声波传感器；17为陀螺仪传感器；18为RFID阅读器；19为触摸传感器；20为按键模块；21为高频RFID阅读器；22为输出模块；23为显示模块；24为蜂鸣器；25为网络设备。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统，它包括有智能控制模块1，其特征在于：

智能控制模块1通过Zigbee无线连接方式与所述环境感知模块2连接；智能控制模块1通过GPIO引脚与输出模块22连接；智能控制模块1通过SPI串口通信接口与用户信息识别模块3连接；智能控制模块1通过GPIO引脚与输入模块4连接；智能控制模块1通过RJ45网口与RFID标签识别模块5连接；

所述的智能控制模块1包括树莓派核心板6，树莓派核心板6电连接有电源模块7，所述树莓派核心板6串口连接有存储模块8，蓝牙模块9和WIFI模块10；

所述的环境感知模块2包括烟雾传感器11、温湿度传感器12、火焰报警传感器13、磁感应传感器14、雨滴传感器15、超声波传感器16、陀螺仪传感器17；

所述的输出模块22包括显示模块23、蜂鸣器24；

所述的用户信息识别模块3包括RFID阅读器18；

所述的输入模块4包括触摸传感器19、按键模块20；

所述的RFID标签识别模块5包括高频RFID阅读器21。

所述的智能控制模块1中树莓派核心板6为具有处理环境采集数据、按键反馈、WIFI和蓝牙收发解析、输出数据功能的树莓派4B；所述电源模块7为LM2596电源模块。

所述的环境感知模块2中烟雾传感器11包括MQ-2烟雾气敏传感器和Zigbee模块；温湿度传感器12为DHT11温湿度传感器和Zigbee模块；超声波传感器16为HC-SR04超声波测距模块和Zigbee模块；陀螺仪传感器17为MPU6050三轴加速度陀螺仪模块和Zigbee模块。

所述RFID阅读器18为RC522 RFID模块。

所述的输入模块4中触摸传感器19为TTP223触摸检测传感器；按键模块20为4×4薄膜按键开关。

所述高频RFID阅读器21为超高频UHF电子标签读写器。

所述的输出模块22中显示模块23为1602A液晶显示模块；蜂鸣器24为有源蜂鸣器模块。

如图2所示，本实用新型的数据交互对象包括环境感知模块2、用户信息识别模块3、输入模块4、RFID标签识别模块5、输出模块22、网络设备25。

智能控制模块1的主要功能为：对环境感知模块所采集数据进行汇总、处理、存储和分析；与网络设备进行通信，获取网络资源；对用户信息识别模块的采集数据进行在线验证；与RFID标签识别模块进行无线连接，对RFID阅读器采集数据进行校验和存储，控制RFID阅读器向RFID标签写入相应数据；响应按键模块的输入请求，执行相应功能；向无线输出模块输出相应数据，控制蜂鸣器的开启与关闭，输出显示模块的控制指令和显示内容。

环境感知模块2的作用是：采集生产设备的工作环境信息，包括温度、湿度、空气质量、水滴、距离、气压、加速度等信息。

用户信息识别模块3的作用是：通过RFID阅读器识别工人携带的身份卡中的工人编号、排班信息、级别等用户信息。

输入模块4的作用是：感知用户是否触碰RFID阅读器，当身份卡靠近时启动RFID阅读器，在等待时间超过后RFID阅读器进入待机模式，降低模块功耗；按键模块由多个按键开关构成，每种按键对应不同功能模块的启动与关闭。

RFID标签识别模块5的作用是：通过安装在生产流水线附近，通过超高频RFID读写器主动读取通过的产品所黏贴的RFID标签数据，并根据智能控制模块1中的软件程序设置写入加工信息。

输出模块22的作用是：由智能控制模块1对环境感知模块2中所采集的数据进行分析，当发生紧急情况时通过PWM信号激活有源蜂鸣器发出警报；显示模块23由智能控制模块1对其输出当前的操作用户、环境温度、产品数量等多种信息进行展示，可通过按键模块进行显示内容的切换。

智能控制模块1通过WIFI模块与网络设备25进行连接，智能控制模块1通过局域网络与网络设备25进行通信，包括上传本地采集的数据，向网络设备请求互联网资源。网络设备25通过TCP/IP的方式与更外层的网络进行连接，包括云端数据中心等，实现多层服务之间的网络通信。企业可以在云端实时的对生产设备的实际工作情况进行查看，对产品的生产过程进行监控。并且可以基于云数据中心开发互联网APP。此外，智能控制模块1还支持蓝牙方式与其他类型终端进行连接，对采集数据进行离线查看、拷贝等功能。

实施例

如图1所示，所述智能控制模块1与环境感知模块2通过Zigbee无线方式进行数据传输，所述蓝牙模块9通过串口与所述树莓派核心板6进行数据交换；所述蓝牙模块9可实现与用户终端的连接，操作工人可通过其他智能终端通过蓝牙连接与智能控制模块连接，通过用户权限验证后，可对存储模块8所存储的采集数据进行查看，根据用户权限的不同可授予不同的数据操作权限，如访问、下载、修改等。

所述树莓派核心板（6）具有处理环境采集数据、按键反馈、WIFI和蓝牙收发解析、输出数据等功能的树莓派4B，该核心板基于ARMv8架构，64位1.5GHz四核处理器，保证了数据处理的性能需求。提供了40个GPIO接口，并支持SPI、I2C等多种通信协议，为传感器模块的拓展提供了便利。

所述树莓派核心板6与WIFI模块10通过串口方式连接进行进行数据交换；所述WIFI模块10可实现与网络设备25的连接，工业互联网环境下会通过边缘服务器接管生产环境中的物联网设备的数据请求，边缘服务器基于无线热点与多个物联网设备连接，同时通过TCP/IP方式与云数据中心连接，实现三层网络结构；树莓派核心板6对采集到的数据进行汇总和预处理进行临时存储，树莓派核心板6与网络设备25建立连接后基于程序设置进行接近实时的批数据同步，网络设备25对同步数据进行存储，并基于机器学习算法进行数据分析与挖掘，判断设备工作状态是否正常和采集数据是否正常；网络设备25定时向云数据中心同步存储数据，交由云端进行持久化存储，基于数据提供其他互联网服务。

为保证树莓派核心板6的正常工作，所述电源模块7为LM2596电源模块，LM2596是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，通过电源模块将工业12V电源转化为5V直流电源，为树莓派核心板6供电。

所述环境感知模块2包括烟雾传感器11、温湿度传感器12、火焰报警传感器13、磁感应传感器14、雨滴传感器15、超声波传感器16、陀螺仪传感器17，各个传感器通过Zigbee短距离无线技术与树莓派核心板6连接，提高了传感器部署灵活性的同时，也避免了线路干扰、布线繁琐等问题。

所述烟雾烟雾传感器为MQ-2烟雾气敏传感器和Zigbee模块，可对工业环境下的液化气、丁烷、丙烷、甲烷、烟雾等气体进行检测，具有可靠性高、响应恢复快等特点，当感知到环境中存在危险气体时，会通过Zigbee模块将数据传输到树莓派核心板6上，树莓派核心板6将激活输出模块22的有源蜂鸣器24发出警报。

为保证对环境温湿度的准确测量，所述温湿度传感器12为DHT11温湿度传感器和Zigbee模块，DHT11的温度采集范围为-40~80℃，精度在±1℃，湿度采集范围为精度在±5%RH，满足纺织工业环境下的温湿度数据采集；同时DHT11具有功耗低、价格低的优点，通过Zigbee模块将数据传输到树莓派核心板6上。

纺织生产环境会堆积大量的纺织原材料，存在失火风险，所述火焰报警传感器13为火焰传感器模块和Zigbee模块。火焰传感器模块可对火焰或波长在760nm~1100nm范围内的光源进行检测，探测角度达到60°，对火焰光谱的灵敏度可进行调节。正常状态下，对蜡烛的火焰可在80~100cm的距离快速响应，具有响应速度快、体积小、检测灵敏等特点。连接Zigbee无线模块可将火焰传感器部署在生产设备的进料口和出料口靠近原材料的位置，当发生险情时，通过Zigbee模块将数据发送至树莓派核心板6，树莓派核心板6驱动输出模块22的有源蜂鸣器24发出警报。

为检测生产设备供电系统工作状态，所述磁感应传感器14为常开型干簧管传感器模块，是一种有触电的无源电子开关原件，通过靠近生产设备的供电系统检测是否有异常磁场存在，当供电系统发生漏电等现象，干簧管内两个簧片被磁化而吸合在一起，传感器将导通发送信号至树莓派核心板6，树莓派核心板6向输出模块22的显示模块23发送“异常磁信号”的字样，并驱动有源蜂鸣器24发出不同频率的警报声进行提醒，蜂鸣器可通过输入模块4的按键模块20预置的功能按键关闭。

为保证原材料加工为干燥无水滴的环境，所述雨滴传感器15为雨滴感应模块，当传感器面板上接触到水滴时，传输信号会由高电平转为低电平表示传感器面板检测到有水滴，连接模拟信号引脚时可检测到水滴大小。

为避免纺织设备在加工过程中发生原料堆积或流水线被异物阻塞的问题，所述超声波传感器16为RCWL-1601 超声波传感器，可检测2~450cm的范围内是否由物理存在，较传统超声波传感器对于棉质和其他纺织材料的检测性能更好，具有体积小、检测速度快、抗环境温度性能好等特点，满足纺织生产环境的检测需求。

纺织生产环境中存在大量大型生产设备，容易发生原材料堵塞导致电机工作异常等问题，所述陀螺仪传感器17为ATK-MPU6050六轴传感器模块，可对三个维度的加速度与角速度进行检测，将数据通过I2C串口传输给树莓派核心板6。树莓派核心板6将接收到的监测数据进行回归分析，当设备发生异常震时树莓派核心板6通过向输出模块22的显示模块23发送“设备工作状态异常”的字样，同时驱动有源蜂鸣器24发出不同频率的警报声进行提醒，蜂鸣器可通过输入模块4的按键模块20预置的功能按键关闭。

为提供工人身份识别功能，所述RFID阅读器18为MF-RC522 IC卡感应模块，是一种非接触式IC卡读写模块，配合ISO14443A协议的用户卡使用，在用户携带的IC卡中写入工人ID、工人班次、工人类别等信息。阅读器读取靠近的IC卡中携带的信息，通过UART串口将数据发送给树莓派核心板6，树莓派核心板对读取数据进行识别，并将阅读记录通过WIFI模块10传输给网络设备25进行在线打卡和用户授权，可对用户工作状态实时更新。

为了对生产过程中的原材料进行状态检测，所述高频RFID阅读器21为RD905M超高频RFID读写器，通过部署在生产流水线附近，可在0~5米的范围内对加工品上粘贴的ISO18000-6B/6C协议的RFID标签进行识别和修改。当RFID阅读器检测到标签数据时，通过RJ45网口将数据传输给树莓派核心板6，树莓派核心板6将加工信息发送给RFID阅读器，由阅读器将数据写入加工品上的RFID标签完成记录过程，树莓派核心板6再将数据通过WIFI模块10传输给网络设备25进行持久化存储，便于对加工品的追溯。RD905M RFID读写器的射频功率可根据实际生产线进行调节，支持标签防碰撞算法，具有识别速度快、准确度高、识别距离远等特点，满足纺织工业生产的要求。

为降低感知设备输入设备的待机功耗，避免待机状态的误操作等问题，所述触摸传感器19为触摸开关模块。在用户信息识别模块3和输入模块4非工作状态下，将关闭该模块的数据读取程序，仅保留触摸开关传感器的数据读取，通过长按触摸开关传感器激活输入模块4和用户信息识别模块3的的数据读取程序一段时间。触摸开关传感器的工作状态下的额定功率很低，从而降低设备的待机功耗。

为了保证输出信息的实际效果，所述显示模块23为1602A LCD液晶显示模块，通过接受树莓派核心板6的控制和数据信息显示内容。可通过按键模块20的预置按键对显示内容进行切换。

为了对重要信息进行警报提醒，所述蜂鸣器24为有源蜂鸣器模块，通过树莓派核心板6提供3.3V电平信号进行激活，可产生80dB的音压，具有体积小，功耗低，响应快，稳定性高等特点，满足纺织工业环境需求。

智能控制模块1和网络设备25通过WIFI模块连接，进行数据传输。工业环境下通过边缘服务器对生产现场的物联网设备进行管理，智能控制模块1与边缘服务器通过心跳检测保证双方的实时数据通信，边缘服务器对智能控制模块1进行监控，保证设备工作正常，提供远程的数据查询等功能。智能控制模块1将本地采集数据发送至边缘服务器对数据进行持久化存储和数据分析，提供工业大数据服务。边缘服务器可以基于企业需求对常用数据进行本地化服务，如用户信息等，当工人通过用户信息识别模块进行认证时，可直接在局域网环境下进行身份验证，提高响应速度。边缘服务器相较与树莓派核心板6具有更高的计算性能和更大的存储容量，对于部分需要进行机器学习的计算任务可由树莓派核心板6通过WIFI模块将任务卸载至边缘服务器，提高计算速度，并将训练好的风险预测模型存储在边缘端，对各个生产设备所感知的环境数据进行监测，能够大大提高风险预警的效率。

Claims (7)

1.一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统，它包括有智能控制模块（1），其特征在于：

智能控制模块（1）通过Zigbee无线连接方式与环境感知模块（2）连接；智能控制模块（1）通过GPIO引脚与输出模块（22）连接；智能控制模块（1）通过SPI串口通信接口与用户信息识别模块（3）连接；智能控制模块（1）通过GPIO引脚与输入模块（4）连接；智能控制模块（1）通过RJ45网口与RFID标签识别模块（5）连接；

所述的智能控制模块（1）包括树莓派核心板（6），树莓派核心板（6）电连接有电源模块（7），所述树莓派核心板（6）串口连接有存储模块（8），蓝牙模块（9）和WIFI模块（10）；

所述的环境感知模块（2）包括烟雾传感器（11）、温湿度传感器（12）、火焰报警传感器（13）、磁感应传感器（14）、雨滴传感器（15）、超声波传感器（16）、陀螺仪传感器（17）；

所述的输出模块（22）包括显示模块（23）、蜂鸣器（24）；

所述的用户信息识别模块（3）包括RFID阅读器（18）；

所述的输入模块（4）包括触摸传感器（19）、按键模块（20）；

所述的RFID标签识别模块（5）包括高频RFID阅读器（21）。

2.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统，其特征在于，所述的智能控制模块（1）中树莓派核心板（6）为具有处理环境采集数据、按键反馈、WIFI和蓝牙收发解析、输出数据功能的树莓派4B；所述电源模块（7）为LM2596电源模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统，其特征在于，所述的环境感知模块（2）中烟雾传感器（11）包括MQ-2烟雾气敏传感器和Zigbee模块；温湿度传感器（12）为DHT11温湿度传感器和Zigbee模块；超声波传感器（16）为HC-SR04超声波测距模块和Zigbee模块；陀螺仪传感器（17）为MPU6050三轴加速度陀螺仪模块和Zigbee模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统，其特征在于，所述RFID阅读器（18）为RC522 RFID模块。

5.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统，其特征在于，所述的输入模块（4）中触摸传感器（19）为TTP223触摸检测传感器；按键模块（20）为4×4薄膜按键开关。

6.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统，其特征在于，所述高频RFID阅读器（21）为超高频UHF电子标签读写器。

7.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的纺织工业集成感知系统，其特征在于，所述的输出模块（22）中显示模块（23）为1602A液晶显示模块；蜂鸣器（24）为有源蜂鸣器模块。

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