类号学号 M201070282 学校代码10487 密级
硕士学位论文
基于RFID和Zigbee技术的生产线能耗采集系统设计与实现
学位申请人：熊智超
学科专业：机械电子工程
指导教师：尹周平 教授
陶 波 副教授
答辩日期：2013年1月18日
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master of Engineering
Design of Production Line Energy Collection Based on RFID and Zigbee
Candidate : Xiong Zhichao
Major : Mechatronic Engineering
Supervisor : Prof. Yin Zhouping
Associate Prof. Tao Bo
Huazhong University of Science & Technology
Wuhan 430074, P. R. China
January, 2013
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本论文属于
不保密□。
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学位论文作者签名：指导教师签名：
日期：年月日日期：年月日
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摘要
作为能源消耗中的主体部分，工业能耗一直是社会所关注的重要问题，而目前工业能耗的调控更多的是政府性的政策控制，企业并无较成熟的能耗评估方案。针对这种现状本文提出了一种基于监测优化的策略来实现对生产线能耗的控制，同时在总体方案设计、硬件设计和软件设计等相关关键技术进行了系统研究与实践。
为了不对工厂现有布局及生产流程造成影响，在技术实现上本文提出了一种新型的无线采集传输的构架，将RFID技术和Zigbee技术相结合，利用标签托盘沿着生产线流动的特点获取生产线各个设备的能耗信息，并采用RFID读写设备读取设备能耗值；依托Zigbee网络将各生产线的能耗信息传输至电脑评估终端，同时利用Zigbee网络将评估终端的指令分发到安装于生产线末端的Zigbee节点设备，使得生产线能实时感知电脑能耗评估端的指令。这种实时性的监测方式打破了工厂的能耗只有一个结果而没有过程明细的局限。
针对工业现场的高干扰情况，提出了多次握手验证的方式来实现工位读写器对标签托盘的数据读写工作，完成了标签的选型以及读写器的设计，增强了通信的抗干扰能力，并在MPLAB平台开发了读写器与标签、计量模块的通讯程序。
在Zigbee网络的布局上采用了星型网络结构，提出指令型控制以及指令型应答的方式来实现终端评估系统与生产线终端读写器之间的数据交换，并制定了通讯指令代码集。并在IAR Embedded Workbench 平台开发了基于CC2530芯片的Zigbee协调器代码和Zigbee终端节点代码。
基于上述研究工作，设计并实现了对生产线加工设备能耗采集，开发了电子计量仪、工位读写器、Zigbee网络收发模块等三款设备，并针对各独立组件的稳定性以及系统的稳定性做了性能测试。实际测试结果表明这种网络传输方式能够准确的将能耗数据传递到终端能耗评估系统，同时网络结构简单、组网容易、移植性强，具备较好的应用前景。
关键词：工业能耗生产线计量 Zigbee网络数据采集
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Abstract
The energy consumption in manufacturing industry，as the main part of national energy consumption，has been focused on by the society for a long time . The government also has put forward many policies to limit the consumption ,such as legally required power rationing . But these policies in fact do no help to the energy control in the long term. This paper presents a new way to control the industrial energy consumption based on the monitoring strategy.
The equipments are the acquisition objects in the system design of energy monitoring. All the energy information will be collected and transferred to the terminal device through a wireless network. Terminal evaluation system will do analysis to the data and show the distribution map of energy consumption . In order to reduce the consumption of energy , the evaluation system will give optimization strategy to improve the technological process finally.
The combination of RFID and Zigbee technology in an innovative way makes it easy to acquire the energy consumption in different workstations. RFID readers write the energy data into tags which move through the transmission line and all the datas stored in the tags will be read out and transmitted to the Zigbee coordinator through the Zigbee network. The network structure can get the energy consumption in more detail.
The paper emphasizes on the hardware design and the program flow chart of collecting and transmission on energy consumption . Many tests have been done to detect the function of the hardware and software. The actual test result shows that the network transmission mode can accurately transfer consumption value to terminal device. With the feature of simple structure and strong portability, this syetem wil be widely used in many other areas.
Key words: Energy Consumption Production Line Power Measure Zigbee Network Data-collection
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目 录
摘要............................................................................................................I Abstract........................................................................................................II 1绪论.. (1)
1.1课题来源 (1)
1.2课题研究目的与意义 (1)
1.3国内外研究现状 (2)
1.4论文主要研究内容 (7)
2系统总体方案设计 (8)
2.1系统方案概述 (8)
2.2模型及组件定义 (9)
2.3系统工作流程 (11)
2.4本章小结 (12)
3能耗计量模块方案设计 (13)
3.1能耗计量模块功能分析 (13)
3.2计量方式对比分析 (13)
3.3能耗计量模块硬件设计 (15)
3.4能耗计量模块软件设计 (22)
3.5 本章小结 (23)
4工位读写器方案设计 (24)
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4.1 工位读写器功能分析 (24)
4.2射频频段选择 (24)
4.3射频标签设计 (25)
4.4 工位读写器硬件设计 (28)
4.5射频模块软件设计 (31)
4.6本章小结 (35)
5终端读写器方案设计 (36)
5.1 终端读写器功能分析 (36)
5.2终端读写器硬件设计 (37)
5.3终端读写器软件设计 (39)
5.4终端读写器与网络协调器通讯 (44)
5.5本章小结 (46)
6 性能与测试 (47)
6.1 单元模块测试 (47)
6.2 系统性能测试 (54)
6.3 本章小节 (57)
7总结与展望 (58)
7.1 全文总结 (58)
7.2展望 (58)
致谢 (59)
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参考文献 (60)
附录1 攻读学位期间发表论文目录 (64)
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1绪论
1.1课题来源
本课题得到以下项目的联合资助：
1)广东省部产学研结合项目：“面向家电全生命周期管理的物联网支撑技术、标
准化中间接入件研发及产业化应用”，项目资助号：2010A090200012；
2)国家自然科学基金：“柔性电子纳米薄膜结构多场诱导沉积制造及其性能调
控”，批准号：91023033；
3)教育部新世纪优秀人才支持计划项目，资助号：NCET-10-0414；
1.2课题研究目的与意义
随着我国工业化进程步伐加快、新型产业的不断崛起，加工制造业对国民经济的发展起到越来越重要的作用，在国民经济体量不断增加的大环境背后伴随的是资源与能源的不断消耗。工业能耗已成为国家能源消耗中的主体部分，而其主体分布比例随着我国经济的发展将占有越来越高的比重[1-3]。从能源的可再生性和不可再生性角度划分，可再生能源，主要包括太阳能、地热、水能、风能、生物能、海洋；而非可再生能源主要包括，如：煤、石油、天然气、核能[4]。虽然对于可再生能源的转化技术及普及率目前在不断提升，部分地区已经逐步通过扩大对可再生能源的使用比例来降低对传统煤炭能源的依赖，但是短期内能源消耗依然以非再生能源为主[5]，因此对此部分能源消耗的有效控制将具有重要的节能环保意义。
几乎所有的能源都是在经过相应的发电厂处理变为电能之后进入工业企业以及普通百姓的家庭，被各种电器设备消耗，例如利用水能的三峡大坝发电、大亚湾核电站、火热发电站……而作为工业的主体部分，加工制造业对电力资源的消耗始终占据着主导位置，大型加工设备、厂房冷暖控制、装配生产线等等都需要消耗大量的电力资源，而目前针对此部分能源的消耗国内依旧缺乏有效监测评估以及节能措施，无法真正实现能源利用效率的最大化[5-6]，因此本文结合对企业的实际调研情况以及现有的数据采
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集传输技术提出了针对生产制造业能源消耗的监测采集以及系统评估的方案，为企业的节能提供数据支撑以及切实可行的节能方案。
目前加工制造型企业在能耗监测方面的主要重心放在了工厂整体能耗上，如照明用电耗能、厂区加工设备耗能、办公耗电以及制冷耗能[4]。虽然这几大组成部分在工厂总体用电量中占有较高比例，但是优化空间有限，例如照明作为日常生产的必须供电，长期处于较为平均水平，缩短照明时间或者降低照明功率等方式不具备长期可操作性，通过规章制度约束成型后将始终保持在一定的能耗水平，对企业长期的节能效果并不显著。而通过优化生产工艺以及装配工艺等方式来降低产品生产周期的能源消耗值将更加具有长期规模化效益。基于以上考虑，本文对能耗的监测对象上将有别于传统的照明耗电以及外围辅助性设施的耗电方面，而是专注于生产线加工设备的能耗监测，通过对设备能耗的监测来优化生产制造流程，并反过来通过流程的优化降低设备的能耗，以此来实现企业节能减排以及产品成本降低的双赢局面。在数据采集传输方面本文提出了利用Zigbee技术和RFID技术相结合的方式实现对产品制造过程中的能耗数据进行收集，将重心放在产品从部件生产制造到组装的全过程能耗监测上，通过Zigbee无线网络将能耗数据上传至评估系统，评估系统对各工位的能耗情况进行分析，给出优化方案，指导完善生产工艺流程。
1.3国内外研究现状
1.3.1 RFID技术简介及发展情况
RFID（Radio Frequency Identification）射频识别是一种非接触式自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境[ [7] [8]。通常RFID识别系统包含三个组件：Tag（标签，一块带集成式无线电发射机应答器的数字存储芯片）、Reader（阅读器，感知标签存在，接收并处理标签数据的设备）以及计算机主机（用于收集来自标签阅读器的数据）[9] [10]。相对于传统的条码技术 [11]，RFID技术具有读取距离远（几米）、穿透能力强（可透过包装箱直接读取信息）、抗污染、效率高（可同时处理多个标签）、信息量大的特点[12]。主要应用领域：基于RFID技术的特点，其在物流和生产方面的工业领域将有着非常广泛的应用前景，另外还可以广泛地应用于门禁、考勤、固定资产管理、火车汽车自动识别等领域。胡胜男[13]、倪霖[14]、陈文浩[15]、邓四化[16]等人分别在门禁、生产线、宠
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物管理、仓储物流等方面做过相关研究工作。
从全球范围看，美国依旧是RFID市场的主要分布区域，由于美国政府的积极推动，针对RFID技术的标准以及软硬件技术都处于世界前列。欧洲针对RFID的标准大体上效仿美国，在封闭系统的应用上与美国基本处于同一阶段。日本作为工业强国，在RFID 技术发展方面也已经处于领先水平，由政府主导制定的UID标准得到了本国厂商的大力支持[17] [18]。在产业格局上，飞利浦、TI、ST等半导体厂商基本垄断了RFID芯片市场，而国际著名的IT公司如IBM、HP、微软、SUN等公司积极推进RFID中间件以及系统集成方面的研究，Alien、 Intermec、Symbol等公司则提供RFID标签、天线、读写器等产品及设备。
相比欧美等发达国家，国内在RFID产业的发展商还较为落后，虽然与RFID技术相关的企业数量已经超过100家，但依旧缺乏核心技术，特别是在超高频RFID方面。由于低频RFID技术的门槛较低，国内发展较早，目前在低频领域国内厂商已经有较为成熟的应用产品，例如面对消费领域（校园一卡通等）的企业中哈尔滨新中新、沈阳宝石、北京迪科创新等有一定的影响力。而在芯片封装领域，国内一些集成电路厂商也在积极探索，复旦微电子、上海华虹、大唐微电子、清华同方等厂商已经攻克了低频和高频频段的射频芯片设计壁垒，相信不久将会有具备“中国芯”的读写器面市[18]。但在超高频频段，国内厂商依旧处于探索研究阶段，距离成熟的芯片上市还有距离。在标签封装领域国内已经掌握了低频标签的封装技术，例如由华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室研发的宽幅 RFID 标签封装设备已经能够达到每小时3000片的封装水平；而国内在标签封装行业如中山达华、上海申博、深圳华阳等公司均具备较高的封装工艺水平。
近年来，由于RFID技术的安全性和便利性，基于RFID技术的设备应用场合越来越广泛，而不仅仅局限于传统门禁以及动物识别，例如2010年在上海举办的世博会就采用了RFID技术，通过将RFID标签设计到门票上实现全智能无人化监管。世博游客在享受到方便快捷的同时也切身体会到了以RFID技术为代表的“物联网”的精彩魅力。随着高速列车技术的发展，基于RFID技术的居民二代身份证已经可以作为动车或者高铁的电子车票使用，真正意义上实现交通的一卡通。
总体上来看，在RFID技术方面，无论是产业链的上游：芯片设计制造、标签封装还是中下游的中间件开发、系统应用开发、读写设备，欧美等发达国家依然处于领先水平，国内在低频领域已经取得了一定的成绩，具备较成熟的产品，而在超高频频段缺乏核心技术，更多的技术难关需要攻克。
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1.3.2 Zigbee技术简介及发展情况
Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术[17]。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，Zigbee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通讯技术[19-22]。
一个Zigbee网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。协调器包含所有的网络信息，在三种设备中最复杂的、存储容量大、计算能力最强。它主要用于发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由信息并且不断的接收信息。路由器的执行功能包括允许其它设备加入这个网络，跳跃路由，辅助子树下终端节点的通信。Zigbee终端设备（End-device）则是所有数据的入口，通过终端节点采集的数据按照既定的规则传输至协调器，完成数据的采集工作，对于维护这个网络设备没有具体的责任，所以它可以配置为睡眠和唤醒。Zigbee支持三种自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性[21-24]。
国外针对Zigbee技术的研究起步较早，技术相对成熟，而较为系统性的推进Zigbee 技术发展的则是Zigbee联盟组织，该组织是一个高速发展的非盈利性行业组织，主要成员包括国际著名的半导体生产商、技术提供者以及系统集成商[25]。该组织最初由英国的Invensys 公司、日本三菱电气公司、飞思卡尔公司以及荷兰飞利浦半导体公司发起组建，旨在创建一种新无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。自2001年成立以来，该组织指定了基于IEEE802.15.4协议的具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格规范。2004年 Zigbee V1.0诞生，它是Zigbee的第一个规范；2006年推出Zigbee 2006协议栈，此次更新使得Zigbee在网络组建上更加灵活，性能更加稳定；2007年底Zigbee PRO推出，2009年3月Zigbee RF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力[21] [25-26]。
目前Zigbee芯片提供商以：TI、Freescale、Ember、Jennic四家公司为主，其市场销售份额占到90%以上，在芯片的技术实现方案上有“Zigbee RF+MCU”、“Zigbee协议栈芯片+外挂芯片”、“单SOC”等三种应用方案，而在这三种方案中又以单SOC方案为主，该方案将Zigbee射频和单片机以及Flash存储三部分集成在了一颗IC芯片，集成度高，方便用户硬件设计，而典型的采用SOC方案的Zigbee芯片有TI公司的
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CC2430[27-29]、 Frescale 公司的MC1321x[30]、Ember公司的EM250[31-32]等。各大半导体公司在推出自身的Zigbee芯片的同时也会提供基于自家芯片的协议栈，开发者根据单片机的结构和寄存器的设置并参照协议中物理层部分和网络层部分的Zigbee协议
自己去开发不同的应用，大大降低开发难度。
由于起步较晚，国内在Zigbee技术的探索道路上以应用开发为主，国内有很多公司从事Zigbee模块的开发销售工作，其中一方面是开发Zigbee模块套件，并提供不同应用场合的实例开发样本供工程师和高校师生学习使用，使用这些开发套件平台可以缩短项目研发周期，同时在排除硬件故障的前提下将重心放在程序开发商。而另一方面针对实际需求方向，很多公司也开发了相应的成熟产品，典型产品当属无线电能表。无线抄表系统是由多个Zigbee节点所构成的网络，该系统最大的特点是不用布线，安装方便。无论是前期安装调试还是后期电量采集的成本都相比于传统布线方式有很大的缩减，因此目前越来越多的小区都采用了此种方式。像成都无线龙、上海顺舟、西安达泰都有比较成熟的产品。
国内高校也有很多实验室成立了研究小组，致力于Zigbee网络的研究，如浙江大学、清华大学、电子科技大学、华中科技大学等，研究主要是利用一些国外厂商提供的开发平台和协议栈建立Zigbee网络，并探索Zigbee网络的安全机制、防冲突算法、路由算法等等。曹琦[33]、李睿[34]、陈莉[35]、马海[36]、吴瑾[37]等人分别在社区养老、智能家具、环境监测、远程监控、车间管理的应用方面做过研究，研究结果均反映出Zigbee 在局域网内通讯的优势。
1.3.3 国内外工业能耗控制措施
在国外发达国家，由于产业结构的调整，高能耗高污染的制造型工业外迁以及生产工艺水平的大幅提升，工业能耗已经不再是主要的能源消耗部门，但是针对工业产品、工业过程的种种节能政策法规依然紧紧围绕着工业企业。同时除了外在性的政策控制，各企业自身也在积极寻求对工业能耗的控制，通过降低能耗成本来提升产品的国际竞争力。可以说在国外发达国家，内在和外在因素的双重作用对工业能耗的降低起到了非常显著的作用，有非常强的借鉴意义。
在政策法规方面主要的工业发达体，如欧洲、美国、日本都出来了非常详细的节能法，具体内容包括规定一定规模的企业必须进行能源审计，向政府提交能源计划，
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开展节能监督检测，耗能设备执行严格的能效标准等[38]。美国于1975 年颁布《能源政策和节约法》，1978 年颁布《国家节能政策法(NECPA)》，1992 年制定《国家能源政策法》，通过立法的手段对工业能耗强制性限制[39-40]。
除了立法政策限制，政府也制定了合理的激励工业节能的财政税收奖罚的经济政策，提升能源利用的成本，目前开征能源及CO2排放税的国家有捷克、丹麦、芬兰、法国、德国、意大利、荷兰、挪威、瑞典、瑞士和英国等。同时对新型节能技术、节能工艺的支持，通过税收减免或者财政补贴的方式来降低企业的节能成本，鼓励企业加大节能投入[38]。通过制定能效标识制度增强节能产品的市场份额以及提升高能耗产品入市的门槛来间接要求企业自身进行能耗监控评估。
在发达国家，政策性的法规限制以及财税控制迫使工业企业加大对能耗控制的投入，而企业自身在能耗方面也积极寻求节能方案，以此来降低产品的生产成本，进而提升产品的国际竞争力。其中在能耗控制的实现方案上，企业大多会成立独立的节能部门，例如能源消耗被列入汽车部件制造和整车装配公司INERGY的最高日程，该公司于2008年启动了优化和降低公司能耗的项目，通过收集工厂详细能耗信息，对收集的信息进行分析并将分析结果用作行动方案基础。项目中为每台加工设备安装了LEM 的Wi-LEM无线电能表用以收集每台机器和每项工艺的瞬时电流数据，最终该项目实现了对单一工厂能耗节省15%的目标，如果将该监测方案应用到其他的工厂将实现更大覆盖面的能耗节省。虽然企业性质存在差异，但是针对工业能耗的监测，大多数企业均采用了智能电网的模式，实现对加工设备的准确监测，以数据为分析对象加强对工业能耗的控制。
随着国家节能意识的增强，近几年国内针对能源方面出台了很多政策性的管理办法，编制了工业企业节能标准体系通则，指定了企业产品能效标识制度，通过对产品能耗等级的划分推动企业自身对能耗控制的投入，加强重点用能单位节能管理，落实《重点用能单位节能管理办法》和《节约用电管理办法》等[41]。从这些法律法规的内容来看，基本都有借鉴发达国家的节能政策，总体上以限制高能耗、鼓励低能耗为参考，通过市场机制淘汰落后产能企业，最终实现产业结构的大优化。
企业层面在能耗监控方向目前与西方发达国家还有较大差距，更多的也是从企业制度上来对企业耗能进行约束，实行部门自查自控方式，将部门耗电与绩效挂钩，以此增强员工的节能意识。而针对加工制造现场的能耗控制依旧缺乏较为成熟的技术手段，或者企业在这方面的投入有限；根据调研的情况看，几乎没有企业采用本论文所
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论述的技术方案或者采用有线网络的结构对工业能耗进行细化采集。
1.4论文主要研究内容
针对目前越来越凸显的能源危机问题，本文提出了一种工业能耗的监测方案，将监测对象设定为工业现场的生产线能耗，通过对线上设备的能耗分析来为零部件的生产提供优化策略进而降低工厂能耗。本文其他章节内容组织结构如下：第二章介绍了生产线能耗采集系统的整体架构以及系统的工作流程，并以发动机厂的实际布局为参照对系统的主要组件进行了定义说明。
第三章给出了能耗计量模块的设计方案，包括主要芯片的选型以及参数介绍，整体硬件电路的设计以及辅助外围电路的设计。在软件系统设计上给出了整体的流程图和校核程序的流程图。
第四章讲述了工位读写器的设计方案，包括射频分类对比及选择低频的依据，陈述了标签的内部存储空间结构。在硬件设计上给出了射频部分、存储部分的电路图；在程序设计上给出了读写器对标签进行读和写的流程图以及分析了MCU对EEPROM 操作的函数结构。
第五章讲述了终端读写器的设计方案，并对Z-stack的构架做了简要说明。硬件设计上给出了CC2530的外围电路设计方案，本章将重点放在软件实现上，分别阐述了读写器对标签的操作、读写器与协调器的通讯过程、协调器与上位机的通讯等。
第六章属于对整体设计方案的验证，通过单元测试对各个模块的主要性能进行了测试分析，并结合上位机能耗评估软件对整体系统设计的稳定性进行了测试。
第七章对论文的工作进行了总结，指出了系统需要优化改进的方向，对系统移植到其他应用场合的可能性进行了展望。
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2系统总体方案设计
2.1系统方案概述
生产线能耗采集系统的开发任务主要集中在电力能耗的计量、能耗数据传输、能耗数据的分析评估三个方面。其中关于能耗的计量对象主要是加工设备在完成所在工位加工任务后所消耗的电力能源。为提高系统的灵活性，降低新增系统对工厂现有布局的影响，数据传输采用无线方式。具体在传输方式选择上则主要依托RFID与Zigbee 相结合的方式。RFID射频读写器主要完成将测量的能耗值写入标签中；标签随着零件在输送线或者组装线上流动，各工位读写器将该工位的能耗值写入标签托盘。在托盘标签获取各工位加工设备的能耗值后，终端读写器将通过对标签托盘的操作获取整条线所有的能耗信息。终端读写器作为Zigbee节点在获取该条线的能耗值后通过Zigbee网络将数据发送网络协调器，既而由协调器通过串口方式传至上位机评估系统，能耗评估系统能够实时显示生产线上各台设备的能耗值，并给出相应的测量曲线；上位机评估系统根据不同的评估策略给出不同的节能方案，指导企业完善生产工艺流程。图2-1给出了整体方案的概念示意。
图2-1 总体方案概念图
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2.2模型及组件定义
2.2.1模型构建
因企业性质和所处行业不同，生产加工内容和工艺均存在较大差异，但总体上零部件的生产制造过程中均包含加工、组装等工序。为论文阐述方便需针对能耗监测评估系统的应用构建实例模型，因此以上汽通用五菱发动机厂生产组装车间为例进行分析。发动机工厂拥有缸体、缸盖、曲轴和总装等生产线，采用完全柔性的制造工艺和设备，主要生产微小型车用发动机。工厂按照通用全球动力总成的标准来设计建设，并充分利用通用汽车公司的产品开发能力和发动机生产经验，使上汽通用五菱的发动机制造技术达到国际先进水平。
发动机工厂一共有三条加工生产线和一条总成组装生产线。缸体、缸盖以及曲轴生产线全部采用自动输送系统，适应敏捷制造的要求；加工线使用的主要设备为CNC 加工中心。发动机厂加工件如图2-2所示。
图2-2 发动机厂精加工的零件
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2.2.2组件定义
整套系统从功能实现角度主要包括能耗计量、数据采集、能耗评估三方面，在实际开发过程中则包含计量模块、工位读写器、射频标签、终端读写器、网络协调器以及上位机评估软件等部分，各组件定义及组件所实现的功能分别如下。
能耗计量模块：从功能上划分具备独立完成对CNC加工中心电力消耗的监测分析能力，并根据相应的指令代码按照约定的数据格式将能耗值传输给工位读写器，其中能耗计量模块所采集的信号量主要为电压、电流。模块与工位读写器的接口采用RS485方式通讯。
工位读写器：安装在加工或装配线不同工位上能够实现对标签信息读取的RFID 装置。该装置主要作用是在加工中心完成该工位的加工任务后向能耗计量模块发送能耗数据回传指令，获取该工位该时段的能耗值，并将该工位的能耗信息值以非接触方式写入标签。
标签托盘：在发动机生产组装线上所有的加工件都搁置在既定规格的托盘内，托盘沿着全自动输送线从一个工位运行到下一工位，循序渐进，直到完成在最后工位的加工任务。而RFID标签则内嵌在承载加工件的托盘内，由此构成的组件成为标签托盘，标签托盘能被工位读写器读写。本套系统采用低频读写，标签的频率是134.2KHz。
终端读写器：安装在加工线或装配线最后一个工位上能够实现对标签信息读取并具备Zigbee无线数据收发功能的装置。从功能上讲，终端读写器是RFID readeer与Zigbee 终端节点的组合体。该装置作为系统的重要组件主要负责获取能耗计量模块采集的能耗值以及通过对标签托盘的读写获取整条线不同加工中心的能耗值，并按照约定的数据格式上传至上位机能耗评估中心；同时终端读写器作为Zigbee网络的终端节点能够接收从上位机能耗评估中心发送过来的关键信息并及时分发。
网络协调器：无线网络的发起者与维护者，并扮演Zigbee协调器的工作，完成与终端读写器间的数据收发以及与上位机能耗评估系统的数据传输工作。网络协调器负责形成网络，在扫描可用信道后选择一个合格信道以及一个扩展PAN ID，网络形成后，协调器作为网络树的根，以及与其他网络沟通的桥梁，是网络中信息的汇聚点【2】。
能耗评估软件：能耗评估软件是整套系统所有信息的汇聚点以及所有指令的发出源。该软件安装在PC端，并通过RS232通讯方式与网络协调器连接，所有指令在发送至网络协调器之后，由网络协调器扩散至厂区所有Zigbee终端节点。
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2.3系统工作流程
系统上电后由网络协调器发起组建Zigbee网络，并初始化网络信息，设置网络PANID；终端读写器在搜寻到Zigbee网络后请求加入网络，当所有终端读写器都加入网络后，Zigbee网络即进入正常工作状态，可进行数据收发任务了。当生产线处于正常运行状态时，标签托盘作为能耗信息的载体按照设定的加工工艺流程在输送线上各工位依次停留，生产线简化模型如图2-3所示。在起始工位位置安装的工位读写器主要完成对标签托盘信息初始化的工作，将该生产线代号、加工产品代号、产品批次代号写入标签中，并在获取能耗计量模块测量的能耗值后将初始工位能耗值写入标签托盘。完成后续相应工位的加工任务后，该工位处安装的工位读写器将会向标签中写入能耗值，标签托盘随输送带进入下一工位。在进入生产线的终端工位后，安装在此处的终端读写器首先需要完成对标签初始化信息的验证工作，在确认信息与设定值匹配后，向标签托盘中写入该工位的能耗值并读取之前所有工位对应的能耗值，同时终端读写器作为Zigbee终端节点将能耗信息发送至网络协调器，网络协调器在完成数据接收后经过处理，以串行方式发送至上位机能耗评估软件，评估软件完成对数据的最终分析和处理工作，给出能耗优化策略和生产优化建议。Zigbee网络模型如图2-3所示。
图2-3输送线线简化模型
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图2-4 Zigbee网络模型示意
2.4本章小结
本章主要介绍了工业生产线能耗采集系统的组成以及简要工作流程。为论文阐述方便，预设了该系统所使用的工业场合大致构造组成。针对后面章节将要介绍到的系统主要组件进行了定义说明，同时说明了系统的网络结构以及组件分布规划。