加工過程的離散性，生產工序多、轉手多，產品在每一個環節都有失控危險等特點，決定了離散制造業對于產品質量管理有著嚴格的要求，因此離散制造業對信息化、數字化的需求有著和流程工業明顯的差異。
現在有些工業領域已經開始與物聯網聯系起來，但物聯網在產品形成過程中的應用研究依然偏少，存在應用瓶頸，在專用器件開發、系統集成開發、系統模型優化、可追溯性數據模型等方面都屬于起步階段，有待于深入。隨著物聯網技術的成熟，RFID、二維碼等自動識別設備在生產領域的應用是必然趨勢，但是PLC 等主流工控設備由于在通信接口形式和數量（如串口數量有限，缺少USB 接口等），編制通信程序和數據計算（CRC 等算法），邏輯分析，存儲空間等方面存在缺陷，融入物聯網困難。改造中往往需要重新開發生產設備和編寫軟件，尤其是多設備、多監控系統的環境，難度高、投資大、周期長，為用戶所難接受。
本文旨在設計開發一種面向物聯網的工序質量控制終端，以適應中小型離散制造企業對生產過程產品質量控制的要求，利用已有的物聯網技術，解決生產中質量管理信息化改造的共性難題；在對產品、設備、人員進行身份識別的基礎上，消除信息孤島，對生產工序進行質量連鎖，從而將集成度高、自成體系的自動化單機，在不做或少做軟、硬件改動的前提下，快速融入生產質量監控系統。
1.工序質量控制終端總體設計
企業的設備購自不同廠家，通信方式、測試指標、控制系統、數據接口數量、數據處理、存儲等方面上的差異導致生產線中存在大量“信息孤島”，兼容并包是實現在線產品質量控制和追溯的基礎。針對上述情況，在不做或少做軟、硬件改動的前提下，研究一套將原有生產線設備融入系統，消除各類信息孤島的有效方法成為工序質量控制終端設計的先頭工作。
目前來看，原有生產線設備有以下兩種情況:①原有設備的源代碼等細節不開放，不具備接入數據系統的接口。②原有設備的源代碼等細節開放，但不具備接入數據系統的接口。原有設備的組成框圖如圖1所示。
圖1 原有設備組成框圖
針對這兩種情況，可以統一設計為一個兼容方案:將原來和PLC 相連的啟停按鍵、結果指示燈等IO 通道，改接工序質量控制終端，工序質量控制終端再利用IO 通道或串口和PLC 連接；因此不改或小改原有單機設備的硬軟件，就可以讓其具備自動識別、數據遠程、質量連鎖等能力。
圖2 改造后的設備組成框圖
情況一和情況二的方案區別在于:情況一中工序質量控制終端和PLC 只用IO 通道相連，情況二是在這個的基礎上添加上串口通信。因此，情況一只能對生產過程的操作狀態以及產品加工結果進行監控，情況二可以做到全方位的生產數據監控。
2.控制終端硬件設計
控制終端作為將生產設備接入系統的主要橋梁，在硬件上基于嵌入式ARM9 主控板開發，集成觸摸屏、操作鍵盤、串口、USB 口、以太網口、CF 卡、ROM、RAM 和通用外設等，擴展有DIO、ADO 等工控模塊，外接條碼或RFID 讀寫器，Zigbee 無線通信模塊等，硬件主要構成如圖3 所示。
圖3 終端硬件整體框圖
ARM9 主控板采用的是杭州立宇泰公司生產的ARMSYS2440 開發板，該開發板由核心板和底板兩部分組成。其中核心板包含了ARM9 主控芯片、NandFlash、SDRAM、晶振、LED 指示燈等；底板和核心板通過SO-DIMM200 接口相連，底板上擴展了多種硬件資源，包括串口，LCD 接口，USB 接口，以太網接口等，完全滿足用戶外設連接的要求。
Zigbee 無線通信模塊和條碼/RFID 讀寫器采用成品設備，分別負責與現場計算機數據傳輸和產品身份識別，通過RS232 串口與ARM9 主控板通信，觸摸屏采用1024×768TFT 屏， 用于生產數據實時顯示和歷史數據與統計數據查詢，通過50針排線與ARM9主控板連接。
原有單機設備改造過程中的IO 通道就是通過IO 擴展電路來實現的。IO 擴展電路與ARM9 主控板底板上的擴展接口相連，將擴展接口上的IO 信號以及AD 輸入信號引入到擴展板上。經過IO 擴展電路擴展，可以實現16 路數字輸入，32 路數字輸出，8 路AD 模擬輸入。擴展板的結構框圖如圖4所示：
圖4 擴展板組成框圖
改造后的方案中，原先連接PLC 輸入端的啟動急停按鍵以及連接PLC 輸出端的工作指示燈先連接到擴展板的數字量輸入接口，啟動急停按鍵的狀態信號以及結果指示燈信號通過底板擴展接口傳入到ARM9控制器中，同時，ARM9 控制器通過底板擴展接口將輸出控制信號傳給數字量輸出接口，數字量輸出接口與原先連接啟動急停按鍵的PLC 輸入端相連，從而控制PLC 輸入。
控制終端具體工作流程如下：當上一工序的產品到達本工序時，首先，條碼閱讀器或RFID 讀寫器識別產品ID，產品ID 傳給ARM9 控制器后，通過Zigbee 無線通信模塊向上級數據庫申請該產品在前一工序的生產信息，ARM9 控制器得到數據庫響應后，如果該產品在前一工序中生產合格，則ARM9 控制器能啟動信號，此時工作人員如果按下啟動鍵，原有設備正常啟動，生產的實時數據會通過RS232 串口傳送到ARM9 控制器，經過初步的處理后，數據通過觸摸屏實時顯示出來，同時通過Zigbee無線通信模塊將數據轉發給上級數據庫和服務器保存、處理和統計；如果該產品在前一工序中生產不合格，ARM9 控制器則會禁止啟動信號，此時工作人員若按下啟動鍵，原有設備不會啟動，同時ARM9 控制器會觸發聲光報警信號，提醒工作人員將廢品剔除，待確認后，聲光報警信號解除。
3.控制終端軟件設計
控制終端軟件設計分為操作系統設計，設備驅動程序設計以及應用程序設計。其中操作系統采用的是WINCE5.0 實時操作系統，WINCE具有組件化、可定制性、與Windows 平臺兼容等特性， 在智能手機、家庭自動化、信息家電、個人導航、工業控制等領域都開始采用WINCE。
驅動程序介于操作系統和設備之間， 主要作用是為操作系統提供一個接口，達到實現操作不同硬件(包括物理設備和虛擬設備)。ARM9主控板上的設備驅動程序已經由立宇泰公司開發的板級支持包（BSP）和Platform Builder 5.0 自帶的一些驅動程序設計完成，所以驅動程序設計的主要工作在于IO擴展板的驅動開發。
IO 擴展板的驅動程序主要包含數字量輸入輸出的GPIO 端口驅動程序以及模擬量輸入的AD 轉換驅動程序。擴展板設備驅動均采用的是基于WINCE 的流驅動，流驅動提供給操作系統標準的流接口，以GPIO 驅動為例，標準的流驅動接口如表1所示。
表1 標準流驅動接口函數
上面的表格列出了流驅動的標準接口， 其中GIO 表示設備名的前綴，必須為3 個字符，它非常重要，因為設備管理器在注冊表中通過前綴來識別設備。流驅動是通過設備管理器(Device Manager)來加載或管理的[8]。因此， 流驅動的加載非常靈活，它不僅可以在WINCE 啟動時自動加載，而且還可以在啟動后根據需要動態加載。
WINCE 的流驅動程序被當成一個特定文件系統設備， 它提供的流接口函數跟文件系統的API 函數緊密聯系， 如OpenFile()、ReadFile()、WriteFile()、DeviceIOControl()等，在使用這些API 函數的時候，把指定的文件名改成相應的設備名就可以，應用程序通過使用操作普通文件的方法處理特殊的文件來實現對設備的操作。
控制終端的應用程序基于Visual Studio 2008 C#編寫，以類庫形式提供軟件功能通用模塊，如質量統計模塊、自動識別設備接口模塊、各類PLC 數據讀取模塊(包括歐盟龍、三菱、西門子、臺達等)、以太網客戶端通信模塊（TCP/UDP）、廢品確認模塊等。這些模塊通過多線程模式進行運作，從而提高終端的處理效率。
改造后的設備往往在一個產品操作結束后，會將信息寫入文本、EXCEL 或數據庫等文件。工序質量控制終端利用以太網對工控機上的指定文件進行實時監控，一旦發現有新數據文件（或者舊文件有改變），則讀取數據遠傳給主機，軟件流程如圖5所示。
圖5 監控程序流程圖
4.結語
面向物聯網的工序質量控制終端結合了物聯網中的身份識別、Zigbee 無線傳輸、嵌入式計算機等技術。通過對原有設備的改造和多次實驗，證明了該終端的工作可靠性與高效性，它為離散制造業中的“信息孤島”融入生產質量信息系統提供了有效的解決方案，提高了離散制造企業的生產效率，降低了產品次品率，產生了良好的經濟和社會效益。
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