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智慧機上盒
第十三屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 林振漢、鄭錦明等】   2019年06月11日 星期二

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隨著物聯網(IoT)大數據(Big Data)時代的來臨,工業 4.0、智慧製造與智慧工廠掀起一片熱潮。台灣產業以中小企業為主,尤其是傳統產業數位化能力不足,多數工廠機台都還停留在傳統製造機器。政府有鑑於此,訂定智慧機上盒(Smart Machine Box)輔導計畫,以協助國內機械與製造業導入設備聯網、生產管理可視化與智慧化應用,進而提升國際競爭力。本作品使用盛群半導體一款基於 arm Cortex-M0+高效能?核的 32 位元微控制器 HT32F52352,充分運用晶片強大的運算能力與感測與通訊界面(如 GPIO、ADC、IIC、INT、UART…等),製作一款智慧機上盒。結合工廠機電控制裝置(如 PLC),溫度,震動,電源開關與耗電量偵測等感測器,在不改裝或更換新機台的情況下,以最簡單便宜的外掛方法,進行工作機台監控。另外還使用 HT32F52352 微控制器搭配五合一空氣品質感測器與光照度感測器,製作工業環境監控盒,監控工廠環境溫溼度、光照度與空氣品質。工作機台上的智慧機上盒與工廠環境監控盒,皆透過無線網路與 MQTT 通訊,傳送到雲端伺服主機做紀錄、分析與查詢。提供中小企業老闆與工廠管理人員隨時隨地可即時掌握工廠機台的狀況,並累積大數據做產品設計與製程改進之參考。導引台灣傳統中小企業,逐步邁向智慧製造與工業 4.0,提升產業競爭力。


創作背景與動機

隨著物聯網(IoT)時代來臨,工業應用領域也開始整合各種技術而掀起新一波工業革命,也就是進化到工業 4.0 或稱第 4 次工業革命。所謂工業 4.0 概念最早提出是德國政府,目的是傳統製造業運用 IT 技術提昇能量,使其轉型成具有適應性、資源效率及人因工程學基因的全面自動化生產的智慧工廠,同時也從重構供應鏈、商業流程及服務流程之中,找到許多新客戶及商業夥伴。台灣也引進相關概念與技術,推動生產力 4.0 與智慧製造。


台灣產業以中小企業為主,僱用人力占全國就業人口近八成,但生產仍仰賴「老師傅」經驗法則。國際市場變動快速,面臨快速報價、急單或是變動、取消訂單問題,再加上客製化需求增多、供應鏈管理困難等挑戰,導致訂單達交率不佳。在物聯網工業 4.0 的浪潮下,經濟部工業局表示,智慧製造核心就是善用數位化(IT)技術協助工廠智慧化,除了要考量軟硬體設備與資通信系統整合,更須建立各項投資與投資回報率間的正向與周期關係。中小企業以生產製造為重心,較缺乏升級轉型所需要的


設計人才,欠缺足夠能量及資源進行整體規畫。


創作作品構想

智慧製造為政府五大產業創新政策之一,主要目的是將臺灣從精密製造升級為智慧製造,以創造就業並擴大整廠整線輸出。惟有鑑於傳統產業數位化能力不足,生產數據多以紙本記錄,仰賴人工操作,故需協助中小企業導入數位化,訂定智慧機上盒(Smart Machine Box)輔導計畫,以協助國內機械與製造業導入設備聯網、生產管理可視化與智慧化應用,進而提升國際競爭力。這裡所謂的 SMB 係指附加於機械設備,並具備資料處理、儲存、通訊協定轉譯及傳輸,以及提供應用服務模組功能之軟硬體整合系統。


近年來,經濟部工業局有鑒於國際市場變動快速,面臨快速報價、急單或是變動、取消訂單問題,再加上客製化需求增多、供應鏈管理困難等挑戰,導致訂單達交率不佳。中小企業以生產製造為重心,較缺乏升級轉型所需要的設計人才,欠缺足夠能量及資源進行整體規畫。因此推出智慧機上盒輔導計畫,協助國內機械與製造業導入設備聯網、生產管理可視化與智慧化應用,進而提升國際競爭力。


本作品的功能特性符合經濟部智慧機上盒的定義:附加於機械設備,並具備資料處理、儲存、通訊協定轉譯及傳輸,以及提供應用服務模組功能之軟硬體整合系統。因此未來前景看好,尤其是台灣製造業主要仍以中心企業為主,急待升級轉型的企業多,市場潛力龐大。


作品架構與目的

本作品使用盛群半導體一款基於arm Cortex-M0+高效能?核的 32 位元微控制器 HT32F52352,做智慧機上盒的 MCU,結合工廠機電控制裝置(如 PLC),溫度,震動/傾斜,電源開關與耗電量偵測等感測器,做工廠機台監控。充分運用到晶片的感測與通訊界面(如 GPIO、ADC、IIC、INT、UART…等),裝置規劃如圖 1。



圖1 : 智慧機上盒裝置架構圖
圖1 : 智慧機上盒裝置架構圖

另外,還會使用 HT32F52352 微控制器搭配五合一空氣品質感測器,製作工業環境監控盒,監控工廠環境溫溼度與空氣品質。硬體架構圖如圖 2。



圖2 : 工業環境監控盒裝置架構圖
圖2 : 工業環境監控盒裝置架構圖

工作機台上的智慧機上盒與工廠環境監控盒,皆透過無線網路(ZigBee/LoRa)與 MQTT 通訊,傳送到雲端伺服主機做紀錄、分析與查詢。提供中小企業老闆與工廠管理人員隨時隨地可即時掌握工廠機台的狀況,



圖3 : 智慧機上盒系統架構圖
圖3 : 智慧機上盒系統架構圖

工作原理

作品基本工作原理

本作品包括兩款裝置,第一款裝置是安裝工廠產線上的智慧機上盒,監控工廠內的產線。裝置透過 RS-232 與 PLC 連接、內建電源偵測、震動感測器、動作次數感測器,感測廠區機台的運作狀況。第二款裝置是工廠環境監控盒,透過環境感測器,感測廠區的環境狀況。以上兩款裝置將感測的資料透過無線傳輸技術 (ZigBee 或 LoRa),將感測到的資料傳送到主控端管理者電腦,如果產線上的馬達過熱、料件良率發生異常狀態可以立即停止產線讓管理者做即時處理,並利用 Apache Server 或 Node.js 網路伺服主機,將資料記錄儲存,此外也透過 MQTT 將即時資料傳送至雲端平台,讓外部電腦或手可以即時連接,監控此一系統。也可以透過 Ethernet 連接外部雲端伺服器做大數據的整合型管理。智慧機上盒除提供工廠機台的即時監控外,利用雲端數據分析,每個機台稼動率、妥善率與機台是否停機維修或汰舊換新,工廠接單能量,都可掌握現況,做決策規劃。


由於中小企業各種工業用傳統機台的感測、控制、紀錄與演算需求,都不盡相同,因此客製化需求強烈。我們選用功能強大的微控制器 HT32F52352,規劃機台基本常用的感測與通訊介面,提供各種感測通訊方式的選配,符


合中小企業工廠機台客製化需求。


相關技術

(1) HT32F52352 微控制器


@內文:本作品選用 32 位 ARM 等級高性能低功耗微控制器 HT32F52352 晶片是把嵌套向量中斷控制器 (NVIC),SysTick 計時器和先進的調試支援 緊緊結合在一起的新一代處理器內核。可借助 Flash 加速器工作在高達 48MHz 頻率下,獲得最大的效率。它提供多達 128KB 的嵌入式 Flash 記憶體,16KB SRAM 記憶體。此系列微控制器有多種介面,如 ADC、I2C、 USART、UART、 SPI、 I2S…等。在喚醒延遲和功耗方面,幾種省電模式提供了具有靈活性的最大優化方案。這些強大功能,將可滿足中小企業工業機台需要多樣性的感測控制,記錄與演算的需求.微控制器 HT32F52352 功能架構如圖 4。



圖4 : HT32F52352 功能架構圖
圖4 : HT32F52352 功能架構圖

(2)HT32F52352 模組


為了方便智慧機上盒的客製化電路需求,我們自行規劃一套插接式的 HT32F52352 模組,可依工業機台需要多樣性的感測控制介面,讓客製化更為彈性與簡便。此模組內建 e-Link32-Lite,程式燒錄方便,同時可提供教學研發使用。規劃架構如圖 5,電路如圖 6,實體如圖 7。



圖5 : HT32F52352 模組規劃架構圖
圖5 : HT32F52352 模組規劃架構圖

圖6 : HT32F52352 電路圖
圖6 : HT32F52352 電路圖
圖7 : HT32F52352 電路實體圖
圖7 : HT32F52352 電路實體圖

(3) 電流感測器


機台電源開關無線偵測模組 採用交流電流互感器,電流感測器模塊,感測範圍 0-5A。通訊介面(AD)。


(4) RS232 通訊模組


PLC RS422 通訊模組 RS422 接口,雙向通訊。 A B Y Z 接口,GND 預留焊接點採用原裝 SP490EEN(EXAR)晶片,通訊介面(UART)。


(5)動作次數感測器


該感測器對環境光線適應能力強,其具有一對紅外線發射與接收管,發射管發射出一定頻率的紅外線,可通過電位器旋鈕調節檢測距離,有效距離範圍 2~30cm,工作電壓為 3.3V-5V。該感測器的探測距離可以通過電位器調節、具有干擾小、便於裝配、使用方便等特點,通訊介面(GPIO)。


(6)機台溫度感測器


MLX90614 是一款外熱電堆感應器 MLX81101 專為適用於這款感應器輸出而設計的信號處理晶片 MLX90302。這款產品應用了工業標準的 TO-39 封裝. MLX90302 在信號調節晶片中使用先進的低噪音放大器,一枚 17-bit ADC 以及功能強大的 DSP 元件,從而實現高精確度溫度測量,工作度:-40°C~+125°C,通訊介面(I2C)。


(7)震動感測模組


採用滾珠方向傾斜角度 hd-101,透過感測傾斜角度的變化輸出數位訊號。


以上(3)-(7)模組是智慧機上盒使用感測器實體圖,如圖 8。



圖8 : 智慧機上盒使用感測器實體圖
圖8 : 智慧機上盒使用感測器實體圖

(8)環境光照度感測器


MMAX44009 是業界功耗最低的環境光感測器且附帶類比數位轉換器(ADC)。 Maxim MAX44009 環境光感測器具有小於


1μA 的工作電流,並且擁有從 0.045 lux 至 188,000 lux 的超寬 22 位元動態範圍。低光操作可以使其在暗面玻璃應用中,操作更加方便。對片內光電二極管光譜響應進行優化,模仿人眼對周圍光線的認知,並且新增


IR 和 RV 阻斷功能,通訊介面(I2C)。


(9)環境五合一感測器


五合一氣體品質感測包含溫度/溼度/甲醛 (HCHO)/等效二氧化碳(eCO2)/總揮發性有機化合物(TVOC)。氣體感測器應用上常用於酒精偵測、可燃性氣體偵測、環境氣體偵測等,通訊介面(UART)。


(10)ZigBee 通訊


@內文:ZigBee 是 IEEE802.15.4 協議的代名詞。ZigBee 是一種近距離、低複雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術,主要適合於自動控制和遠程控制領域,可以嵌入各種設備中,傳輸範圍一般介於 10~100m,通訊介面(UART)。


以上(8)-(10)模組是工廠環境監控盒使用感測器與通訊用模組實體圖,如圖 9。



圖9 : 環境監控盒用感測器與通訊模組實體圖
圖9 : 環境監控盒用感測器與通訊模組實體圖

作品結構

硬體部分

兩款硬體電路使用自行開發的 HT32 模組(如圖 5-7),依據感測與通訊元件使用的介面,以插接方式組裝而成,說明如下。


(1)智慧機上盒


裝置電路依據圖 1 與圖 5 進行組裝。電流感測使用 AD 介面(PA1)、震動感測器使用 INT(PC8)、動作次數感測器用 GPIO(PA0); 溫度感測使用 IIC(PC6,PC7),OLED 顯示器使用 SPI,觸控按鍵 GPIO(PB0,PB1,PA6), PLC 串列通訊 RS-232(PA4,PA5),使用 UART 連接 ZigBee/LoRa 無線模組(PA2,PA3),組裝


實體,如圖 10。



圖10 : 智慧機上盒裝置電路組裝圖
圖10 : 智慧機上盒裝置電路組裝圖

(2)工廠環境監控盒


裝置電路依據圖 1 與圖 6 進行組裝。空氣品質感測使用 UART 介面(PA4,PA5)、光照度感測器使用 I2C(PC6,PC7)、ZigBee 無線模組連接 UART (PA2,PA3),組裝實體如圖 11。



圖11 : 工廠環境監控盒電路硬體實體圖
圖11 : 工廠環境監控盒電路硬體實體圖

軟體部分

裝置在韌體程式設計開發,應用 Keil 的 MDK-ARM v5 開發工具,使用 C 語言撰寫微控制器 HT32F52352 晶片韌體程式。並參考 HT32 Firmware Library 架構撰寫出類似 Arduino 的韌體撰寫函式,方便使用者開發,兩個裝置的HT32F52352 晶片韌體程式流程說明下:


(1)智慧機上盒


程式系統初始化,選擇觸控面板使用功能,偵測機台電源,啟動 RS232 收發,監控 PLC I/O 訊號,感測機台動作、感測機台震動狀態,收集完各感測器資料則發送無線訊號至網路閘道器,如無異常將依照所設定時間定時感測,當機台出現異常可有從伺服器發出來的無線訊號作出 PLC I/O 控制調整。智慧機上盒的流程,如圖 12。



圖12 : 智慧機上盒裝置程式流程圖
圖12 : 智慧機上盒裝置程式流程圖

(2)工廠環境監控盒


程式系統初始化,啟動環境感測器,感測廠區內的(光照度、溫度、濕度、二氧化碳、甲醛、 TVOC),將環境資料收集完成後,透過無線通訊發送環境資料。工廠環境監控盒的流程,如圖13。



圖13 : 工廠環境監控盒裝置程式流程圖
圖13 : 工廠環境監控盒裝置程式流程圖

(3)PC 主控台監控站


在主控端管理者電腦,並在安裝 Apache Server 並架設 Node.js 網路伺服主機,並使用 Visual Basic 撰寫通訊與人機介面程式以及使用 node-red 撰寫雲端監控程式,利用資料庫儲存與紀錄工廠機台操作與工廠環境狀況.程式流程如圖14。程式系統初始化,啟動無線網路閘道器,接收廠區感測資料以及監控廠區機台狀態,並收集整合感測資料儲存於內部資料庫,並利用 MQTT 方式送至外部雲端伺服主機,於外部雲端伺服器記錄分析,也讓在工廠外的管理者可以監看廠內機台狀態,主控台程式流程如圖 14。



圖14 :  主控台程式流程圖
圖14 : 主控台程式流程圖

測試方法與結果

測試條件、測試環境

智慧機上盒以外掛方式安裝在模擬傳統工廠的自動化工作機台,智慧機上盒主要感測資料如下,大部分自動化機台都配置有可程式控制器(PLC),透過 RS-232 通訊界面,可連接智慧機上盒,掌握機台控制程序狀態,產線機台電源開關機狀態以及機台的溫度、震動、動作次數,工業環境監控盒,主要是監控廠內環境數據包括的溫溼度,光照度,二氧化碳,非揮發氣體等空氣品質狀態。


工廠的每一部機台都配置智慧機上盒,在每個廠房內的適當位置也都會配置工廠環境監控盒,這些智慧裝置透過 ZigBee 或 LoRa 內部無線網路連接網路閘道器(Gateway),或公司的伺服主機,再透過網際網路連接雲端伺服器,提供給工廠管理人員,這些數據的變動會影響機台的工作效能,因此大都需要作即時監控在機台異常時發出警報,或是累積數據做進一步分析。此外也透過 MQTT 將資料傳送至雲端伺服機,讓外出人員可以直接連網作查詢現場機台狀況,累積的雲端的大數據亦可做為改


善工廠管理或提升生產品質參考依據。


智慧機上盒工廠環境監控盒安裝圖與實體圖如圖 15、16,工廠主控端管理機台畫面如圖 17,工廠機台異常畫面如圖 18,工廠機台數據資料儲存畫面如圖 19、外出使用者查詢機台與機台即時狀況手機畫面如圖 20、工廠環境即時資料與累積數據資料手機畫面如圖21



圖15 : 智慧機上盒與工廠環境監控盒安裝圖
圖15 : 智慧機上盒與工廠環境監控盒安裝圖

圖16 : 智慧機上盒與工廠環境監控盒實體圖
圖16 : 智慧機上盒與工廠環境監控盒實體圖

圖17 : 工廠主控端管理機台畫面
圖17 : 工廠主控端管理機台畫面

圖18 : 工廠機台異常畫面圖20:外出使用者查詢機台與機台即時狀況手機畫面
圖18 : 工廠機台異常畫面圖20:外出使用者查詢機台與機台即時狀況手機畫面

圖19 :  工廠機台數據資料儲存畫面
圖19 : 工廠機台數據資料儲存畫面

圖20 : 外出使用者查詢機台與機台即時狀況手機畫面
圖20 : 外出使用者查詢機台與機台即時狀況手機畫面

圖21 : 工廠環境即時資料與累積數據資料手機畫面
圖21 : 工廠環境即時資料與累積數據資料手機畫面

測試結果與分析

作品整個系統的建構,是在工廠傳統的機台以外掛方式,配置智慧機上盒,並在工廠是當地點安裝工業環境監控盒,透過無線網路與網路閘道器連接到雲端伺服器,做雲端監控與大數據分析。以最簡單便宜的方法,提供中小企業隨時隨地可即時監控工廠機台的狀況,提供中小企業工廠管理員,外出的業務員與老闆,在隨時隨地可即時監控工廠機台的狀況.並符合經濟部工業局目前推動SMB的定義。此外,本系統透過雲端伺服機累積大數據做產品設計與製程改進之參考。導引台灣傳統中小企業,逐步邁向智慧製造與工業4.0,提升產業競爭力。工廠機台數據模擬分析圖,如圖22。



圖22 : 工廠機台數據模擬分析圖
圖22 : 工廠機台數據模擬分析圖

結語

近年來IIOT(工業物聯網)興起,工廠機台逐漸走向自動化控制,但是市面上的自動化設備動輒幾百萬甚至千萬,機台昂貴使得中小型的工廠還是以人力為主,本作品的特色,主要就是透過較低成本來製作一個工廠的智慧機上盒,將廠區的環境狀況、機台數據資料回傳至主控台(管理者端),將大量的數據收集起來作分析,利用雲端數據分析,每個機台稼動率、妥善率與機台是否停機維修或汰舊換新,工廠接單能量,都可掌握現況,做決策規劃。協助國內機械與製造業導入設備聯網、生產管理可視化與智慧化應用,進而提升國際競爭力。以達到廠區智慧製造的整合性管理。


(本文作者1林振漢、2鄭錦明、2吳明學、2鍾志勳、2董家瑋為修平科技大學電機工程系1教授、2研究生)


參考文獻

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


[2] Holtek,HT32F52352 32 位元產品開發處 系統平台開發部 吳旭宏講義


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


[3] 十分鐘了解什麼是工業 4.0 | 大師專欄| 工業局委辦地區產業整合發展計畫


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


[4] 政府協助導入智慧機上盒(SMB) 實現設備聯網 加速企業邁向智慧製造


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


[5] 智慧機械成台灣跨入工業 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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