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智慧机上盒
第十三届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 林振漢、鄭錦明等】2019年06月11日 星期二

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随着物联网(IoT)大数据(Big Data)时代的来临,工业 4.0、智慧制造与智慧工厂掀起一片热潮。台湾产业以中小企业为主,尤其是传统产业数位化能力不足,多数工厂机台都还停留在传统制造机器。政府有监於此,订定智慧机上盒(Smart Machine Box)辅导计画,以协助国内机械与制造业导入设备联网、生产管理可视化与智慧化应用,进而提升国际竞争力。本作品使用盛群半导体一款基於 arm Cortex-M0+高效能?核的 32 位元微控制器 HT32F52352,充分运用晶片强大的运算能力与感测与通讯界面(如 GPIO、ADC、IIC、INT、UART…等),制作一款智慧机上盒。结合工厂机电控制装置(如 PLC),温度,震动,电源开关与耗电量侦测等感测器,在不改装或更换新机台的情况下,以最简单便宜的外挂方法,进行工作机台监控。另外还使用 HT32F52352 微控制器搭配五合一空气品质感测器与光照度感测器,制作工业环境监控盒,监控工厂环境温湿度、光照度与空气品质。工作机台上的智慧机上盒与工厂环境监控盒,皆透过无线网路与 MQTT 通讯,传送到云端伺服主机做纪录、分析与查询。提供中小企业老板与工厂管理人员随时随地可即时掌握工厂机台的状况,并累积大数据做产品设计与制程改进之叁考。导引台湾传统中小企业,逐步迈向智慧制造与工业 4.0,提升产业竞争力。


创作背景与动机

随着物联网(IoT)时代来临,工业应用领域也开始整合各种技术而掀起新一波工业革命,也就是进化到工业 4.0 或称第 4 次工业革命。所谓工业 4.0 概念最早提出是德国政府,目的是传统制造业运用 IT 技术提升能量,使其转型成具有适应性、资源效率及人因工程学基因的全面自动化生产的智慧工厂,同时也从重构供应链、商业流程及服务流程之中,找到许多新客户及商业夥伴。台湾也引进相关概念与技术,推动生产力 4.0 与智慧制造。


台湾产业以中小企业为主,雇用人力占全国就业人囗近八成,但生产仍仰赖「老师傅」经验法则。国际市场变动快速,面临快速报价、急单或是变动、取消订单问题,再加上客制化需求增多、供应链管理困难等挑战,导致订单达交率不隹。在物联网工业 4.0 的浪潮下,经济部工业局表示,智慧制造核心就是善用数位化(IT)技术协助工厂智慧化,除了要考量软硬体设备与资通信系统整合,更须建立各项投资与投资回报率间的正向与周期关系。中小企业以生产制造为重心,较缺乏升级转型所需要的


设计人才,欠缺足够能量及资源进行整体规画。


创作作品构想

智慧制造为政府五大产业创新政策之一,主要目的是将台湾从精密制造升级为智慧制造,以创造就业并扩大整厂整线输出。惟有监於传统产业数位化能力不足,生产数据多以纸本记录,仰赖人工操作,故需协助中小企业导入数位化,订定智慧机上盒(Smart Machine Box)辅导计画,以协助国内机械与制造业导入设备联网、生产管理可视化与智慧化应用,进而提升国际竞争力。这里所谓的 SMB 系指附加於机械设备,并具备资料处理、储存、通讯协定转译及传输,以及提供应用服务模组功能之软硬体整合系统。


近年来,经济部工业局有鉴於国际市场变动快速,面临快速报价、急单或是变动、取消订单问题,再加上客制化需求增多、供应链管理困难等挑战,导致订单达交率不隹。中小企业以生产制造为重心,较缺乏升级转型所需要的设计人才,欠缺足够能量及资源进行整体规画。因此推出智慧机上盒辅导计画,协助国内机械与制造业导入设备联网、生产管理可视化与智慧化应用,进而提升国际竞争力。


本作品的功能特性符合经济部智慧机上盒的定义:附加於机械设备,并具备资料处理、储存、通讯协定转译及传输,以及提供应用服务模组功能之软硬体整合系统。因此未来前景看好,尤其是台湾制造业主要仍以中心企业为主,急待升级转型的企业多,市场潜力庞大。


作品架构与目的

本作品使用盛群半导体一款基於arm Cortex-M0+高效能?核的 32 位元微控制器 HT32F52352,做智慧机上盒的 MCU,结合工厂机电控制装置(如 PLC),温度,震动/倾斜,电源开关与耗电量侦测等感测器,做工厂机台监控。充分运用到晶片的感测与通讯界面(如 GPIO、ADC、IIC、INT、UART…等),装置规划如图 1。



图1 : 智慧机上盒装置架构图
图1 : 智慧机上盒装置架构图

另外,还会使用 HT32F52352 微控制器搭配五合一空气品质感测器,制作工业环境监控盒,监控工厂环境温湿度与空气品质。硬体架构图如图 2。



图2 : 工业环境监控盒装置架构图
图2 : 工业环境监控盒装置架构图

工作机台上的智慧机上盒与工厂环境监控盒,皆透过无线网路(ZigBee/LoRa)与 MQTT 通讯,传送到云端伺服主机做纪录、分析与查询。提供中小企业老板与工厂管理人员随时随地可即时掌握工厂机台的状况,



图3 : 智慧机上盒系统架构图
图3 : 智慧机上盒系统架构图

工作原理

作品基本工作原理

本作品包括两款装置,第一款装置是安装工厂产线上的智慧机上盒,监控工厂内的产线。装置透过 RS-232 与 PLC 连接、内建电源侦测、震动感测器、动作次数感测器,感测厂区机台的运作状况。第二款装置是工厂环境监控盒,透过环境感测器,感测厂区的环境状况。以上两款装置将感测的资料透过无线传输技术 (ZigBee 或 LoRa),将感测到的资料传送到主控端管理者电脑,如果产线上的马达过热、料件良率发生异常状态可以立即停止产线让管理者做即时处理,并利用 Apache Server 或 Node.js 网路伺服主机,将资料记录储存,此外也透过 MQTT 将即时资料传送至云端平台,让外部电脑或手可以即时连接,监控此一系统。也可以透过 Ethernet 连接外部云端伺服器做大数据的整合型管理。智慧机上盒除提供工厂机台的即时监控外,利用云端数据分析,每个机台稼动率、妥善率与机台是否停机维修或汰旧换新,工厂接单能量,都可掌握现况,做决策规划。


由於中小企业各种工业用传统机台的感测、控制、纪录与演算需求,都不尽相同,因此客制化需求强烈。我们选用功能强大的微控制器 HT32F52352,规划机台基本常用的感测与通讯介面,提供各种感测通讯方式的选配,符


合中小企业工厂机台客制化需求。


相关技术

(1) HT32F52352 微控制器


本作品选用 32 位 ARM 等级高性能低功耗微控制器 HT32F52352 晶片是把嵌套向量中断控制器 (NVIC),SysTick 计时器和先进的调试支援 紧紧结合在一起的新一代处理器内核。可借助 Flash 加速器工作在高达 48MHz 频率下,获得最大的效率。它提供多达 128KB 的嵌入式 Flash 记忆体,16KB SRAM 记忆体。此系列微控制器有多种介面,如 ADC、I2C、 USART、UART、 SPI、 I2S…等。在唤醒延迟和功耗方面,几种省电模式提供了具有灵活性的最大优化方案。这些强大功能,将可满足中小企业工业机台需要多样性的感测控制,记录与演算的需求.微控制器 HT32F52352 功能架构如图 4。



图4 : HT32F52352 功能架构图
图4 : HT32F52352 功能架构图

(2)HT32F52352 模组


为了方便智慧机上盒的客制化电路需求,我们自行规划一套??接式的 HT32F52352 模组,可依工业机台需要多样性的感测控制介面,让客制化更为弹性与简便。此模组内建 e-Link32-Lite,程式烧录方便,同时可提供教学研发使用。规划架构如图 5,电路如图 6,实体如图 7。



图5 : HT32F52352 模组规划架构图
图5 : HT32F52352 模组规划架构图

图6 : HT32F52352 电路图
图6 : HT32F52352 电路图
图7 : HT32F52352 电路实体图
图7 : HT32F52352 电路实体图

(3) 电流感测器


机台电源开关无线侦测模组 采用交流电流互感器,电流感测器模块,感测范围 0-5A。通讯介面(AD)。


(4) RS232 通讯模组


PLC RS422 通讯模组 RS422 接囗,双向通讯。 A B Y Z 接囗,GND 预留焊接点采用原装 SP490EEN(EXAR)晶片,通讯介面(UART)。


(5)动作次数感测器


该感测器对环境光线适应能力强,其具有一对红外线发射与接收管,发射管发射出一定频率的红外线,可通过电位器旋钮调节检测距离,有效距离范围 2~30cm,工作电压为 3.3V-5V。该感测器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便於装配、使用方便等特点,通讯介面(GPIO)。


(6)机台温度感测器


MLX90614 是一款外热电堆感应器 MLX81101 专为适用於这款感应器输出而设计的信号处理晶片 MLX90302。这款产品应用了工业标准的 TO-39 封装. MLX90302 在信号调节晶片中使用先进的低噪音放大器,一枚 17-bit ADC 以及功能强大的 DSP 元件,从而实现高精确度温度测量,工作度:-40。C~+125。C,通讯介面(I2C)。


(7)震动感测模组


采用滚珠方向倾斜角度 hd-101,透过感测倾斜角度的变化输出数位讯号。


以上(3)-(7)模组是智慧机上盒使用感测器实体图,如图 8。



图8 : 智慧机上盒使用感测器实体图
图8 : 智慧机上盒使用感测器实体图

(8)环境光照度感测器


MMAX44009 是业界功耗最低的环境光感测器且附带类比数位转换器(ADC)。 Maxim MAX44009 环境光感测器具有小於


1μA 的工作电流,并且拥有从 0.045 lux 至 188,000 lux 的超宽 22 位元动态范围。低光操作可以使其在暗面玻璃应用中,操作更加方便。对片内光电二极管光谱响应进行优化,模仿人眼对周围光线的认知,并且新增


IR 和 RV 阻断功能,通讯介面(I2C)。


(9)环境五合一感测器


五合一气体品质感测包含温度/湿度/甲?? (HCHO)/等效二氧化碳(eCO2)/总挥发性有机化合物(TVOC)。气体感测器应用上常用於酒精侦测、可燃性气体侦测、环境气体侦测等,通讯介面(UART)。


(10)ZigBee 通讯


ZigBee 是 IEEE802.15.4 协议的代名词。ZigBee 是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适合於自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,传输范围一般介於 10~100m,通讯介面(UART)。


以上(8)-(10)模组是工厂环境监控盒使用感测器与通讯用模组实体图,如图 9。



图9 : 环境监控盒用感测器与通讯模组实体图
图9 : 环境监控盒用感测器与通讯模组实体图

作品结构

硬体部分

两款硬体电路使用自行开发的 HT32 模组(如图 5-7),依据感测与通讯元件使用的介面,以??接方式组装而成,说明如下。


(1)智慧机上盒


装置电路依据图 1 与图 5 进行组装。电流感测使用 AD 介面(PA1)、震动感测器使用 INT(PC8)、动作次数感测器用 GPIO(PA0); 温度感测使用 IIC(PC6,PC7),OLED 显示器使用 SPI,触控按键 GPIO(PB0,PB1,PA6), PLC 串列通讯 RS-232(PA4,PA5),使用 UART 连接 ZigBee/LoRa 无线模组(PA2,PA3),组装


实体,如图 10。



图10 : 智慧机上盒装置电路组装图
图10 : 智慧机上盒装置电路组装图

(2)工厂环境监控盒


装置电路依据图 1 与图 6 进行组装。空气品质感测使用 UART 介面(PA4,PA5)、光照度感测器使用 I2C(PC6,PC7)、ZigBee 无线模组连接 UART (PA2,PA3),组装实体如图 11。



图11 : 工厂环境监控盒电路硬体实体图
图11 : 工厂环境监控盒电路硬体实体图

软体部分

装置在韧体程式设计开发,应用 Keil 的 MDK-ARM v5 开发工具,使用 C 语言撰写微控制器 HT32F52352 晶片韧体程式。并叁考 HT32 Firmware Library 架构撰写出类似 Arduino 的韧体撰写函式,方便使用者开发,两个装置的HT32F52352 晶片韧体程式流程说明下:


(1)智慧机上盒


程式系统初始化,选择触控面板使用功能,侦测机台电源,启动 RS232 收发,监控 PLC I/O 讯号,感测机台动作、感测机台震动状态,收集完各感测器资料则发送无线讯号至网路闸道器,如无异常将依照所设定时间定时感测,当机台出现异常可有从伺服器发出来的无线讯号作出 PLC I/O 控制调整。智慧机上盒的流程,如图 12。



图12 : 智慧机上盒装置程式流程图
图12 : 智慧机上盒装置程式流程图

(2)工厂环境监控盒


程式系统初始化,启动环境感测器,感测厂区内的(光照度、温度、湿度、二氧化碳、甲??、 TVOC),将环境资料收集完成後,透过无线通讯发送环境资料。工厂环境监控盒的流程,如图13。



图13 : 工厂环境监控盒装置程式流程图
图13 : 工厂环境监控盒装置程式流程图

(3)PC 主控台监控站


在主控端管理者电脑,并在安装 Apache Server 并架设 Node.js 网路伺服主机,并使用 Visual Basic 撰写通讯与人机介面程式以及使用 node-red 撰写云端监控程式,利用资料库储存与纪录工厂机台操作与工厂环境状况.程式流程如图14。程式系统初始化,启动无线网路闸道器,接收厂区感测资料以及监控厂区机台状态,并收集整合感测资料储存於内部资料库,并利用 MQTT 方式送至外部云端伺服主机,於外部云端伺服器记录分析,也让在工厂外的管理者可以监看厂内机台状态,主控台程式流程如图 14。



图14 :  主控台程式流程图
图14 : 主控台程式流程图

测试方法与结果

测试条件、测试环境

智慧机上盒以外挂方式安装在模拟传统工厂的自动化工作机台,智慧机上盒主要感测资料如下,大部分自动化机台都配置有可程式控制器(PLC),透过 RS-232 通讯界面,可连接智慧机上盒,掌握机台控制程序状态,产线机台电源开关机状态以及机台的温度、震动、动作次数,工业环境监控盒,主要是监控厂内环境数据包括的温湿度,光照度,二氧化碳,非挥发气体等空气品质状态。


工厂的每一部机台都配置智慧机上盒,在每个厂房内的适当位置也都会配置工厂环境监控盒,这些智慧装置透过 ZigBee 或 LoRa 内部无线网路连接网路闸道器(Gateway),或公司的伺服主机,再透过网际网路连接云端伺服器,提供给工厂管理人员,这些数据的变动会影响机台的工作效能,因此大都需要作即时监控在机台异常时发出警报,或是累积数据做进一步分析。此外也透过 MQTT 将资料传送至云端伺服机,让外出人员可以直接连网作查询现场机台状况,累积的云端的大数据亦可做为改


善工厂管理或提升生产品质叁考依据。


智慧机上盒工厂环境监控盒安装图与实体图如图 15、16,工厂主控端管理机台画面如图 17,工厂机台异常画面如图 18,工厂机台数据资料储存画面如图 19、外出使用者查询机台与机台即时状况手机画面如图 20、工厂环境即时资料与累积数据资料手机画面如图21



图15 : 智慧机上盒与工厂环境监控盒安装图
图15 : 智慧机上盒与工厂环境监控盒安装图

图16 : 智慧机上盒与工厂环境监控盒实体图
图16 : 智慧机上盒与工厂环境监控盒实体图

图17 : 工厂主控端管理机台画面
图17 : 工厂主控端管理机台画面

图18 : 工厂机台异常画面图20:外出使用者查询机台与机台即时状况手机画面
图18 : 工厂机台异常画面图20:外出使用者查询机台与机台即时状况手机画面

图19 :  工厂机台数据资料储存画面
图19 : 工厂机台数据资料储存画面

图20 : 外出使用者查询机台与机台即时状况手机画面
图20 : 外出使用者查询机台与机台即时状况手机画面

图21 : 工厂环境即时资料与累积数据资料手机画面
图21 : 工厂环境即时资料与累积数据资料手机画面

测试结果与分析

作品整个系统的建构,是在工厂传统的机台以外挂方式,配置智慧机上盒,并在工厂是当地点安装工业环境监控盒,透过无线网路与网路闸道器连接到云端伺服器,做云端监控与大数据分析。以最简单便宜的方法,提供中小企业随时随地可即时监控工厂机台的状况,提供中小企业工厂管理员,外出的业务员与老板,在随时随地可即时监控工厂机台的状况.并符合经济部工业局目前推动SMB的定义。此外,本系统透过云端伺服机累积大数据做产品设计与制程改进之叁考。导引台湾传统中小企业,逐步迈向智慧制造与工业4.0,提升产业竞争力。工厂机台数据模拟分析图,如图22。



图22 : 工厂机台数据模拟分析图
图22 : 工厂机台数据模拟分析图

结语

近年来IIOT(工业物联网)兴起,工厂机台逐渐走向自动化控制,但是市面上的自动化设备动辄几百万甚至千万,机台昂贵使得中小型的工厂还是以人力为主,本作品的特色,主要就是透过较低成本来制作一个工厂的智慧机上盒,将厂区的环境状况、机台数据资料回传至主控台(管理者端),将大量的数据收集起来作分析,利用云端数据分析,每个机台稼动率、妥善率与机台是否停机维修或汰旧换新,工厂接单能量,都可掌握现况,做决策规划。协助国内机械与制造业导入设备联网、生产管理可视化与智慧化应用,进而提升国际竞争力。以达到厂区智慧制造的整合性管理。


(本文作者1林振汉、2郑锦明、2吴明学、2锺志勋、2董家??为修平科技大学电机工程系1教授、2研究生)


叁考文献

[1] Holtek,HT32F52352 DataSheet http://mcu.holtek.com.tw/mcugame13/download/paper/HT32-Peripherals_TechnicalTraining_2018.p df


[2] Holtek,HT32F52352 32 位元产品开发处 系统平台开发部 吴旭宏讲义


http://mcu.holtek.com.tw/mcugame13/download/paper/HT32_TechnicalTraining_Implementation20180629.pdf


[3] 十分钟了解什麽是工业 4.0 | 大师专栏| 工业局委办地区产业整合发展计画


http://www.srido.org.tw/masterblog/10


[4] 政府协助导入智慧机上盒(SMB) 实现设备联网 加速企业迈向智慧制造


https://www.moea.gov.tw/MNS/populace/news/News.aspx?kind=1&menu_id=40&news_id=76797


[5] 智慧机械成台湾跨入工业 4.0 的尖兵 -


CTimes


https://www.ctimes.com.tw/DispArt/tw/%E6%95%B8%E4%BD%8D%E6%A9%9F%E4%B8%8A%E7%9B%92/%E5%B7%A5%E7%A0%94%E9%99%A2/%E7%9B%9F%E7%AB%8B%E8%87%AA%E5%8B%95%E5%8C%96/SMB/%E5%B7%A5%E6%A5%AD4.0/1807171417LZ.shtml


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