趙冰茹

摘 要：易拉罐印刷工業(yè)流水線精密度高，急需加強生產(chǎn)監(jiān)控。本文首先介紹了物聯(lián)網(wǎng)芯片在工業(yè)領(lǐng)域應用需要發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，包括傳感器和短距離無線網(wǎng)絡(luò)等，然后詳細分析了高精密印刷生產(chǎn)流水線對物聯(lián)網(wǎng)芯片的特殊需求，最后提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低成本、適應性強的芯片結(jié)構(gòu)，以提高芯片的可靠性和向后兼容性，降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);全面感知;可靠傳輸;智能處理;傳感器

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）26-0038-03

A Novel Chip Structure on Industrial Pipeline

ZHAO Bingru

（Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu Sichuan 611731）

Abstract： The precision of the cans printing industry assembly line is high， and it is urgent to strengthen production monitoring. This paper first introduced the key technologies that IOT chips need to develop in the industrial field， including sensors and short-range wireless networks， and then analyzed in detail the special requirements of high-precision printing production lines for IOT chips， finally proposed a low-cost， adaptable chip structure based on the IOT to improve chip reliability and backward compatibility and reduce production costs..

Keywords： IOT;comprehensive perception;reliable transmission;intelligence processing;sensor

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）的概念最早是在1999年由麻省理工學院的Kevin Ashton教授提出的[1]。物聯(lián)網(wǎng)實際上是將已有的互聯(lián)網(wǎng)概念和傳感器應用相結(jié)合而產(chǎn)生的。它的定義是：使用二維條碼、射頻識別（RFID）等信息傳感設(shè)備，自動獲取物品的標識信息或者周邊環(huán)境信息，按約定的協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行物品相關(guān)信息的交換和共享，然后利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘等智能計算技術(shù)對物品的相關(guān)信息進行分析融合處理，最終實現(xiàn)對物理世界的高度認知和智能化的決策控制[2]。圖1給出了物聯(lián)網(wǎng)概念的三個重要環(huán)節(jié)，分別是：全面感知、可靠傳輸和智能處理。

目前，工業(yè)系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)應用的重要領(lǐng)域，可大幅提高制造效率，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能工業(yè)的新階段。

1 物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)線中的關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的應用還處于初始階段，還面臨一些關(guān)鍵技術(shù)問題，概括起來主要有以下幾個方面。

1.1 工業(yè)用傳感器

工業(yè)用傳感器是一種檢測裝置，能夠感知或測量特定物體的狀態(tài)和變化，將其轉(zhuǎn)化為可以進行處理、存儲和傳輸?shù)臄?shù)字信號。工業(yè)用傳感器是實現(xiàn)工業(yè)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

1.2 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)是一種由大量傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng)絡(luò)，具有低耗自組、泛在協(xié)同、異構(gòu)互連的特點[3-5]。按照距離和傳輸介質(zhì)，傳輸技術(shù)可以分為4種，如圖2所示。本文主要討論的是短距離無線低速網(wǎng)絡(luò)，它適應物聯(lián)網(wǎng)中傳輸能力較低的節(jié)點，具有低速率、低通信半徑、低計算能力和低功耗等特點。

2 印刷流水線對于物聯(lián)網(wǎng)芯片的需求分析

物聯(lián)網(wǎng)時代，針對相關(guān)產(chǎn)業(yè)需求，中國大力進行芯片設(shè)計與開發(fā)，希望能夠?qū)崿F(xiàn)彎道超車。工業(yè)生產(chǎn)流水線控制領(lǐng)域，具體場景對芯片有很多特殊要求，如對低功耗的要求并不嚴格、基本是固定位置、機械振動較高以及生產(chǎn)車間的電磁干擾問題較大等。所以，針對精密生產(chǎn)流水線的工業(yè)監(jiān)控，設(shè)計開發(fā)一種專用的物聯(lián)網(wǎng)芯片具有很強的實際意義。

關(guān)于工業(yè)應用，本文以易拉罐印刷生產(chǎn)流水線為研究對象。在運送到流水線后，易拉罐需要準確定位，然后工控印刷機將特定圖案印刷在易拉罐身上。流水線的處理速度很快，每分鐘可以處理完成十幾個易拉罐。但是，生產(chǎn)環(huán)境有較高要求，一旦超過警戒值，就有可能導致罐體印刷不清晰、圖案錯位、遺漏等諸多問題。如果不能及時發(fā)現(xiàn)問題并中斷流水線，就會造成巨大的損失。芯片需求分析如下。

2.1 感知區(qū)域

人們需要封裝多個工業(yè)用傳感器來感知環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、氣味感應、灰塵、壓力、電壓和電流波動等。為了降低系統(tǒng)成本，芯片將集成一些具有代表性的通用傳感器，通過芯片外的可靠封裝進行保護。另外，該芯片還提供多個通用外部接口，以便進行系統(tǒng)板上傳感器的集成工作。

2.2 匯聚節(jié)點

在易拉罐印刷生產(chǎn)流水線上，人們需要在多處安裝物聯(lián)網(wǎng)芯片進行數(shù)據(jù)采樣，各個點的采樣信息也會有所不同。有些是狀態(tài)信號，由物聯(lián)網(wǎng)芯片傳給匯聚節(jié)點;有些是控制信號，由匯聚節(jié)點傳遞給物聯(lián)網(wǎng)芯片。例如，一旦發(fā)現(xiàn)流水線上可能發(fā)生罐體倒塌的嚴重錯誤，本地控制中心需要直接發(fā)出命令立即暫停生產(chǎn)流水線，通知工作人員進行檢查后才能恢復生產(chǎn);如果連續(xù)采集流水線上的濕度、溫度信息發(fā)生突變，根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘算法，其有可能出現(xiàn)印刷不清晰的錯誤。本地控制中心要發(fā)出警告信息，通知工作人員進行環(huán)境調(diào)整。兩種情況危險程度不一樣，數(shù)據(jù)處理也要有區(qū)別。本地終端能夠處理嚴重錯誤，而由數(shù)據(jù)分析才能得到的預期警告需要大量的數(shù)據(jù)計算分析和數(shù)據(jù)庫支持，可以通過外部網(wǎng)絡(luò)進行遠程處理控制。這樣可以在效率和成本上取得平衡。

2.2.1 短距離網(wǎng)絡(luò)連接。易拉罐印刷生產(chǎn)流水線需要利用物聯(lián)網(wǎng)芯片構(gòu)成本地網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。和其他物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，易拉罐印刷生產(chǎn)流水線對物聯(lián)網(wǎng)芯片有一些特殊需求。

一是傳輸速度較低。物聯(lián)網(wǎng)芯片只需要傳輸一些傳感器信息，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小。二是傳輸延遲不敏感。易拉罐印刷生產(chǎn)流水線中，物聯(lián)網(wǎng)芯片只需要具有數(shù)據(jù)采集功能和簡單的關(guān)停處理功能，所以對傳輸延時不敏感。三是傳輸距離近。該物聯(lián)網(wǎng)芯片只在流水線的廠房內(nèi)安裝，所以傳輸距離只需要1km。

四是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單。物聯(lián)網(wǎng)芯片在遠端對大量數(shù)據(jù)進行處理，所以不需要太復雜的連接結(jié)構(gòu)，也不需要自組網(wǎng)等復雜處理。采用最簡單的星型拓撲結(jié)構(gòu)就能滿足要求，拓撲中的網(wǎng)關(guān)負責轉(zhuǎn)發(fā)終端與后臺網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間的消息。五是功耗不敏感。該物聯(lián)網(wǎng)芯片安裝在易拉罐印刷生產(chǎn)流水線，所以很容易通過生產(chǎn)線獲得電源。生產(chǎn)線經(jīng)常需要工作人員進行調(diào)試維護，所以對低功耗的要求不高。

六是抗電磁干擾。易拉罐印刷生產(chǎn)流水線會有多種設(shè)備，容易引入大量電磁干擾。易拉罐印刷生產(chǎn)流水線精密度高，要做到生產(chǎn)監(jiān)控的高度有效，必須解決電磁干擾問題。所以，人們要從物聯(lián)網(wǎng)芯片的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、外部封裝以及集成電路板設(shè)計方面入手，提供一套解決方案，以達到抗電磁干擾、準確采集信息的目的。

2.2.2 本地控制中心。各種信息數(shù)據(jù)在本地采集、匯總、封裝成固定格式的數(shù)據(jù)包，再通過遠程網(wǎng)絡(luò)連接進行發(fā)送。對于一些嚴重的異常錯誤，可以在本地立即進行處理，如關(guān)停流水線等。遠程網(wǎng)絡(luò)將控制中心返回的控制信號送給特定的節(jié)點進行反饋控制。

2.2.3 遠程網(wǎng)絡(luò)連接?？梢杂脴藴实腎nternet網(wǎng)絡(luò)將信息數(shù)據(jù)傳遞給遠程數(shù)據(jù)中心進行分析和處理，也可以反饋控制信號給本地控制中心。

2.2.4 控制中心?？刂浦行倪M行大數(shù)據(jù)分析和處理，采用先進的數(shù)據(jù)挖掘算法，分析可能存在的安全隱患，盡量提前預警一些生產(chǎn)事故。

3 芯片架構(gòu)說明

在具體分析以上應用環(huán)境的基礎(chǔ)上，本文提出了一種簡單的物聯(lián)網(wǎng)芯片架構(gòu)，如圖3所示。該物聯(lián)網(wǎng)芯片主要由四部分組成。

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)接口

在工業(yè)生產(chǎn)流水線的特定應用環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)的吞吐率較低，延遲不敏感，控制需要簡化，所以采用星型拓撲結(jié)構(gòu)進行本地網(wǎng)絡(luò)的無線連接，使用ZigBee協(xié)議基本可以滿足要求。但是，該物聯(lián)網(wǎng)芯片在抗電磁干擾上有較高要求，所以需要優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)算法。

3.2 MCU微處理器

為了簡化硬件處理電路，部分網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以交給MCU來處理。本芯片可以采用STM32系列的CPU，它是基于高性能的ARM Cortex-M3 32內(nèi)核的32位RISC微控制器，內(nèi)置高速存儲器，性能好，功耗低，兼容性高，在滿足基本需求的同時，可以進一步降低硬件成本。

3.3 傳感器組

本模塊將集成流水線上廣泛使用的溫度、濕度、壓力等類型的傳感器，以降低系統(tǒng)電路的成本，提高可靠性。

3.4 外設(shè)接口

外設(shè)接口可以集成GPIO，I2S，I2C等控制總線，根據(jù)具體的需求兼容多種傳感器，提高環(huán)境監(jiān)測、預判的準確性。

各個硬件模塊之間采用通用的AHB總線進行互聯(lián)，具有控制簡單、數(shù)據(jù)流量高、方便擴展的特點。

4 結(jié)語

本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的概念，分析了易拉罐印刷流水生產(chǎn)線的特殊環(huán)境需求，簡化了物聯(lián)網(wǎng)芯片的設(shè)計要求。最后，筆者提出了一種專用于易拉罐印刷流水生產(chǎn)線的物聯(lián)網(wǎng)芯片架構(gòu)，以期提高運行可靠性和向后兼容性，降低生產(chǎn)成本。

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