洪英汉 余梓民 罗海城 林浩岳
【摘 要】针对传统的工业机器人在工作过程中缺乏实时监测，难以掌控工作状态等特点，本文提出基于物联网的工业机器人远程故障监测与预警系统。系统首先利用物联网技术对工业机器人进行工作状态数据采集和整理，利用云服务使得系统支持PC端和移动端同步监测数据，最后对积累下来的历史数据进行分析，对异常状态及时进行预警。通过该系统的研究，能够提高工业机器人的工作质量，减少设备维护成本，对推进数字化工厂有着重要的意义。
【关键词】物联网；工业机器人；数据采集；数据分析
中图分类号： TP242 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）20-0065-002
Remote Fault Monitoring and Early Warning System for Industrial Robots
HONG Ying-han YU Zi-min LUO Hai-cheng LIN Hao-yue
（Hanshan Teachers College，Chaozhou Guangdong 521041，China）
【Abstract】In view of the lack of real-time monitoring of traditional industrial robots in the process of work，it is difficult to control the working conditions and other characteristics，this paper presents the Internet-based industrial robot remote fault monitoring and early warning system.The system uses the Internet of Things technology to collect and collate the working state data of the industrial robots.The cloud service makes the system support the synchronous monitoring data between the PC and the mobile side.Finally，the historical data is analyzed and the early warning is carried out in time.Through the system of research，can improve the quality of industrial robots work，reduce equipment maintenance costs，to promote the digital factory has important significance.
【Key words】Internet of things；Industrial robots；Data acquisition；Data analysis
1 基于物聯网工业机器人故障监测与预警系统的意义
1.1 研究意义
从第二次工业革命开始，人类进入了“电气时代”，发展到现在，人类生产生活中大部分的负担大条件恶劣的工作已经基本都交给了电子机械等设备来完成。电子机械设备凭借其对复杂环境的耐受能力，能够完成很多人类完成不了的工作。在当今工业化的时代，工业机器人的高效安全工作对生产和生活都有着非常重要的意义。因此，准确采集工业机器人的运动数据，提高工业机器人的工作质量，才能达到对工业机器人的的安全性能提出来的越来越高的要求。
1.2 物联网监测预警的优势
物联网技术的概念：物品通过各种传感器设备，实时采集各种需要的信息和数据，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。本文介绍的系统配合多种传感器，将工业机器人相关数据采集并发送到云端服务器；并且在手机端和电脑端均能通过配套开发的软件从云端服务器实时获取所需数据，同时能结合实验得出的数据结果做出故障预警分析，对工业机器人做出相应的控制调整，形成一个闭环控制系统。在生产过程中应用这一系统，可采集参数、监视和记录生产现场，为安全生产、提高产品质量、以及降低成本和减少损失提供信息和手段。
2 故障监测与预警系统的搭建
2.1 核心技术
2.1.1 系统框架
图1 系统总体框架图
2.1.2 TCP/IP协议栈
TCP/IP协议是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。本文介绍的系统就是以TCP/IP协议作为通讯核心。
2.1.3 核心控制板
本文介绍的系统的核心控制板采用了以STM32F407VET6为核心运算CPU的兼有基本最小系统电路的电路模块，STM32F407VET6拥有内置的32位基ARM核心，低功耗，运算速度快。带512K字节闪存的微控制器，具有较大的闪存存储器、RAM空间和更多的片上外设，如硬件PWM、SPI、SDIO、FSMC、I2C和DAC等。选用此CPU芯片更易于与传感器进行数据交互和处理，可以在短时间内进行大量的各种传感。
2.2 服务器搭建方案
运用了目前最流行的Web开源服务器——Apache服务器，可以运行在不同的操作系统上，具有快速，稳定，安全，可靠等特点。与之相结合的免费小型关系型数据库管理系统，再加上PHP服务器端脚本语言。Apache+PHP+MySQL三者强强联手具有免费获取，支持不同的操作系统，可移植性好，因此，它们的组合是最佳的搭配方案。endprint
2.3 数据采集流程
由于核心控制板有着良好的处理性能和方便调用的通讯协议，本系统应用了4中传感器与其进行通讯，其中四种传感器分别为：
1）温湿度传感器，用于采集系统周围的温湿度；
2）压力传感器，用于采集系统特定位置所收到的压力；
3）电流传感器，用于检测系统的工作电流大小；
4）九轴传感器，用于反馈系统的运动加速度及其轨迹；
以上传感器的数据经处理后通过WiFi通讯模块发送到服务器。
2.4 数据交互流程
2.5 数据库设计
数据库设计得合理、严密，是数据交互的关键。本系统的数据库后台设计如下：
数据库1：user_union
2.6 程序实现
在核心控制板STM32中，为了合理配合各个传感器，必须严格遵各个守传感器的通讯协议，这样才能保证数据的精准采集传输。这里以温湿度传感器为例：
本系统采用的温湿度传感器型号为DHT22，DHT22采用简化的单总线通信协议。单总线表示主从机之间交互数据只通过一根线进行传输，有MCU通过漏极开路或三态端口连接该数据线，以此达到释放总线的目的，方便其他设备使用总线。通常情况下，单总线通过一个上拉电阻来达到总线空闲时保持高电平的目的。双方通过单总线数据传输协议来保证数据传输的可靠性。
为了实时监测工业机器人的工作状态，用户可以通过PC、手机和网页端进行对工业机器人的一系列操作，满足不同用户的各式各样需求。
1）PC端上位机：采用C#来构建PC操作平台，部分界面功能如图2。
2）手机app：采用JAVA构建安卓手机应用，部分功能如图3。
3）PHP后台管理：采用PHP构建后台页面，部分功能如图4。
3 总结
本文提出基于物联网的工业机器人远程故障监测与预警系统是为了解决众多工厂在管理工业机器人正常运行、安全工作生产和数据采集分析等诸多问题。不仅实时监测工业机器人的工作数据，通过pc端程序、手机app和网页后台三个终端进行展示和管理，确实为工厂安全、有效率地运用工业机器人作业提供了良好的方案。在研究开发过程验证了方案可行性的同时也存在着不足，即数据交互一多，加载速度就变慢，在今后的研究中，我们将对系统的数据交互问题做进一步的优化。
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