董成龙，浦 炜
(常熟理工学院，江苏 常熟215500)
目前常用的基于ARM和Linux的圆纬机电控系统[1]能够基本满足工业生产要求，但是在实际编织投产情况下更改编织改花型、生产数据查询统计十分繁琐，而集成了网络功能的电控系统[4]仍无法解决远程批量参数配置、统计的问题。随着我国“十四五”规划的提出，对于创新驱动与现代产业体系的发展提出了更高的要求，因此设计一种高效、便利的生产管理系统具有重要意义[2]。
本文针对当前控制系统所存在的问题提出了一种新型生产管理系统。采用电脑、手持设备和圆纬机组成的树形结构，手持设备系统基于i.MX6平台使用QT工具进行编写控制程序；
圆纬机终端采用ARM+嵌入式Linux的方案；
电脑端提供Web访问。系统可支持大量圆纬机同时工作与远程配置，一定程度上提高了国产圆纬机的实用性,避免了不必要的人力投入，提高生产效率。
1.1 生产管理系统结构
本生产管理系统采用了树形结构如图1所示。电脑作为主机即树形结构的根结点；
手持设备作为节点机即子树的根结点；
圆纬机作为终端机即叶结点。圆纬机电控系统通过射频模块进行鉴权，通过解析花型文件根据圆纬机工艺与参数控制生产工作，记录生产数据到本机数据库中，并实时监控机器状态，发现异常时向上位机报警；
圆纬机通过路由器连接到所属的手持设备，手持设备对连接的圆纬机进行数据统计和设备状态监控，并且可以进行花型文件和机器参数的修改操作；
电脑通过路由器对手持设备进行数据统一整合，对所有设备进行监控和配置，并且可以建立网页服务器实现远程管理。
图1 圆纬机生产管理系统结构示意图
1.2 系统设计要求
本生产管理系统的主要功能可以总结为以下几点：
◆权限管理：圆纬机能够通过射频模块识别用户身份，员工登入、登出时进行身份校验，确认用户操作权限；
◆生产控制：圆纬机系统能够根据需要对机器进行测试，在工作时通过对花型文件、机器配置进行解析，从而控制选针器或下位机进行编织提花工作；
◆网络通信：上位机能够通过交换机自动识别并连接到各下位机，对连接的下位机进行网络参数配置，并且电脑端能够建立服务器提供网页服务；
◆统计查询：圆纬机将机器生产信息存入本机数据库，上位机通过网络获取到下位机生产信息存入全局数据库并提供多平台实时查询功能以及可视化图表生成；
◆机器配置：提供花型文件操作与机器参数配置功能，能够对圆纬机的花型文件进行上传、更改、下载操作和机器参数的查询、修改操作。
◆状态监控：对圆纬机系统各模块状态进行监控，通过与上位机的连接，实时反馈当前状态；
若出现异常状态能够及时进行报警响应。
根据软件的功能和要求，对生产管理系统的功能模块进行划分，如图1、2所示。
图2 系统功能模块划分
1.3 软件设计思路
软件采用了多线程编写[5-6]以确保软件的实时性和操作的快速响应性。圆纬机终端负责权限管理与生产控制，在圆纬机上电启动时进行用户登录，创建启动状态监控模块实时监控机器工作状态，对异常状态进行上报；
设置网络通信模块向上位机上传本机数据库数据以及机器状态，并解析上位机下发的指令与参数进行相关配置。
手持设备的主线程负责网络通信模块，状态监控模块实时显示当前在线的圆纬机状态，机器设置模块将需要修改的花型文件与参数下发到选定圆纬机；
数据处理模块通过处理圆纬机上传的数据存入数据库，提供查询与可视化统计图表，并且允许用户进行数据库维护操作。
电脑端生产管理系统通过web页提供查询、统计功能，提供与手持终端的网络通讯。
2.1 系统核心模块
系统中核心模块主要由树形结构中各系统的四个模块组成，模块之间充分利用了QT编程中信号收发和槽函数的调用从而实现对各线程的数据传送和动作控制[5]。
1) 生产控制模块
本模块集成于圆纬机系统中，其主要的控制流程是循环获取针筒每圈每个针位各选针器的动作数据并填充至缓冲区，然后根据针位信息和缓冲区数据来驱动选针器动作[3]。
2) 状态监控模块
圆纬机系统状态监控模块在上电时启动，通过轮询方式监控其余各模块状态，根据返回值判断机器各模块当前状态，若出现异常状态则及时通过网络通信模块向上位机上报并且保存到本地，根据不同的报警信息，状态监控模块将通过发射信号调用异常模块中的相关异常处理函数进行处理。上位机系统中的状态监控模块同样将对下位机中网络通信模块进行轮询，通过局域网获取到圆纬机当前工作状态实时进行显示，若圆纬机出现异常状态则及时向用户进行报警。状态监控模块流程如图3。
图3 状态监控模块流程图
3) 网络通信模块
网络通信模块自设备上电时启动，连接交换机后通过DHCP服务自动分配IP，本系统的设备之间采用基于TCP/IP通信协议的C/S模型，在通信过程中上位机作为C/S模型中的Client，下位机作为Server。利用QTNetwork模块提供的QTcpSocket类和QTcpServer类[7]等，上位机可以通过不同的IP地址和端口建立多个Socket分别与多个下位机相连，每个Socket实现与下位机之间的参数配置、状态监控、数据查询工作。电脑端系统中可以建立web网页服务器，通过CGI和HTML协作方式实现非工作区域访问网页进行对系统的操作。
4) 数据处理模块
数据处理模块主要利用QT+SQL模块广泛的数据库支持能力进行设计[8]，圆纬机系统中由于单机生产数据处理量较小，对于数据库的并发要求较低，故圆纬机系统数据处理模块采用嵌入式数据库SQLite，数据处理模块获取当前生产信息与已有数据进行比对并对机器数据库中数据进行更新，当系统出现异常时也能够及时进行数据的备份并断开与数据库的链接；
上位机系统中由于需要统计下位机中数据，并且需要提供高效的数据查询操作，故采用MySQL数据库，数据处理模块通过网络通信模块定时或手动更新方式获取下位机机器数据库进行统计，并且允许用户对机器数据库进行维护操作例如计划定期或定量对数据库进行备份操作。
在进行查询操作时数据处理模块能够通过查询员工、花型等属性，利用QTCharts模块[9]对查询得到的结果生成可视化统计图表。
2.2 辅助模块
辅助模块在树形结构的各系统中起到辅助核心模块工作的作用，并向系统用户提供一个良好的用户接口。
1) 权限管理模块
圆纬机系统权限管理模块通过串口连接射频读写器，通过系统内置的密钥对员工卡进行读写，访问用户信息数据库确认员工身份信息；
员工与管理员身份具有不同的模块访问权限。上位机系统通过账号密码访问用户信息数据库进行鉴权进入系统。本模块主要通过QT的QSerialPort类、QSerialPortInfo类等实现[10]。
2) 机器设置模块
圆纬机系统机器设置模块通过网络通信模块接收上位机修改机器参数指令，对机器运转速度、当前花型等参数进行配置，同样允许管理员使用射频卡进入系统对圆纬机进行单独配置；
上位机系统机器设置模块允许管理员通过局域网对圆纬机进行相关参数设置以及花型文件的修改更新。本模块主要借助QT的QSqlQuery类、QSqlDatabase类、QDir类、QFileInfo类等实现[6-7]。
基于物联网的圆纬机生产管理系统运行时由圆纬机、手持设备、电脑端三部分系统组成。圆纬机系统由使用者使用射频卡进入系统主界面，主界面由生产控制与数据处理模块构成，通过按钮进入网络通信、机器设置和状态监控模块。手持设备与电脑端通过输入操作密码进入系统，主界面由状态监控和数据处理模块构成，通过按钮进入网络通信、数据查询和权限管理模块。部分运行界面如图4,图5所示。
图4 手持终端生产管理系统统计查询界面
图5 web方式访问管理界面
在圆纬机电控系统的更新迭代过程中，网络化、模块化是一个大的趋势。本系统通过利用ARM强大的处理能力以及Linux系统和QT工具提供的可移植性和开发便捷性，在为用户提供良好的人机交互性的同时也为后续程序的维护、更新提供了便利。该系统利用双缓冲区以及多线程的技术确保了生产过程中的实时性；
利用QT工具信号与槽的特性实现模块工作状态的监控确保了系统的稳定性；
系统上、下位机之间通过网络模块进行通信很好地解决了生产过程中对于大量设备同时工作时的管理不便问题。