手機APP在工業縫紉機中的應用
摘要：工業縫紉機一般無文字或圖形顯示，人機交互體驗差，不便非專業技術人員理解和操作。本文通過開發APP與縫紉機互聯來改善這些問題；分析了縫紉機的使用場景；比較了不同無線標準的優缺點並選擇藍牙連接來開發APP；給出了APP藍牙通信的實現方法以及功能設計。
關鍵詞：工業縫紉機；藍牙；APP
引言
工業縫紉機廣泛應用於服裝鞋帽家紡等行業。目前，大部分工業縫製設備都採用段式數碼管、段式液晶屏或字元型液晶屏進行人機交互，進口設備一般也無中文顯示，造成縫製設備人機交互體驗差，不便非專業技術人員理解和操作。紙質說明書因為不夠便攜，容易遺失，也造成客觀上的不便使用。現有的專用工業觸摸屏設備價格昂貴，無法在工廠大規模使用。對縫紉機的調整和設定的不便，造成很多機器並沒有調整到最佳的工作狀態，影響了機器的使用效率和價值。電控系統升級一般需要專用工具，很多工廠的機修無法及時獲得；而且需要郵件或社交軟體來獲取固件，固件版本的多源性也給升級帶來了不確定性。
一種新的解決思路就是採用物聯網技術，將工業縫紉機與智能設備連接起來[1]。物聯網技術方興未艾，各種互聯網資源、物聯網硬體以及智能設備的成本不斷降低，已經具備了低成本實現的可能性。智能設備具備操作系統的圖形界面、文件系統，並可與互聯網連接。在與智能設備互聯後，工業縫紉機電控系統里的數據被讀取出來，以圖形或適於用戶的本地語言顯示出來，並且可以用直觀易理解的方式進行調整和設定。與智能設備互聯，降低了對縫紉設備維護人員的要求，提升了用戶體驗，實現了傳統工業產品的增值。
論文首先分析了工業縫紉機的使用場景，對幾種物聯網中應用最廣泛的無線標準WiFi，Zigbee和藍牙進行了比較，根據使用場景選擇了藍牙方案，之後對手機藍牙互聯APP實現方式進行了詳細說明，給出了電控系統軟硬體實現方法。
1互聯方案的選擇
1.1工業縫紉機使用場景的分析
工業縫紉機一般由一位操作工在一固定工位進行縫製，參數調整設定、程序升級以及處理機器故障由專門的機修人員來處理。縫紉機大部分時間都處於操作狀態，在有需要的情況下才會由機修或維護人員來進行操作。因此這些操作都是短時和獨立的，無需組網來進行，點對點的數據傳輸即可完成。
近年還有一種車間管理系統希望與工業縫紉機互聯，管理系統希望實時獲得工位的縫紉機運行狀態、縫紉速度、累計針數、累計剪線次數以及累計運行時間，最終通過估計的方法推算出工位的生產效率以及流水線的流動狀況。這種實時數據傳輸需要組網，多個工位的數據通過網路傳輸到後台伺服器，由伺服器進行統計。筆者認為，車間管理系統通過縫紉機本身的運行數據統計生產線的產量和流水線流動是間接和粗略的，無法獲得準確的信息。只有通過對縫料的流動進行統計才能準確得到確切的信息，在工業縫紉機上獲取的估計數據實用性有限。這一部分功能需求可從縫紉機電控產品中剝離出來，另行由其他設備來採集縫料流動的全部信息，完成車間流水線的實時信息統計和管理。
1.2聯網方案的比較
Wifi目前是應用最廣的無線區域網技術，目前市面上幾乎所有的手機，電腦，都支持。Wifi的特點是傳輸距離較遠，功耗高，能聯網但是不能組網。ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源於蜜蜂的八字舞，由於蜜蜂(bee)是靠飛翔和「嗡嗡」(zig)地抖動翅膀的「舞蹈」來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網路。特點是近距離、低複雜度、能組網但是不能聯網、低功耗、低數據速率。藍牙特點是成本低，功耗低，穩定性高，但是傳輸距離較短，速率一般，不可組網也不可聯網，一般僅用於點對點傳輸，常見的應用是藍牙耳機[2]。
表1 幾種無線標準的比較
上述幾種方案的特點總結如表1所示。幾種無線標準都可以完成數據傳輸，Zigbee的優勢在於可以組網，Wifi和藍牙的優勢在於無需專用網關即可與智能設備相連。對於點對點連接，藍牙比WiFi更簡單，而且藍牙的功耗更低，對現有電控產品的電源供電要求更低。工業縫紉機電控的傳輸數據量大約在幾十kb，因此藍牙在速度上相比較WiFi沒有明顯劣勢。
因此，在縫紉機的參數調整、升級程序等功能的實現上，藍牙是一個比較好的選擇。隨著我國移動通信的迅速發展，4G網路已經逐漸普及，資費也大幅度下降。縫紉機的數據連接到智能設備如智能手機後，可通過4G網路或WiFi來進行數據傳輸以及和後台伺服器連接。
2藍牙互聯的軟硬體實現
2.1硬體實現
藍牙方案的傳輸方式如圖1所示。
控制器外置一個UART串口，與藍牙透傳模塊相連，使用藍牙SPP協議服務接入智能設備。藍牙模塊工作於串口透傳模式。對於控制器，僅增加了一個串口，藍牙模塊可作為工具選配件，以極低的成本將縫紉機接入智能設備，使用者使用自己的智能手機即可實現互聯。
本文選擇了Microchip公司的藍牙透傳模塊BM77SPP03MC2，廣泛用於LED照明、移動POS機、醫療電子等產品[3]。這款模塊是一種運行藍牙4.0協議棧的低成本橋接模塊，無需用戶設計射頻天線，可將數據流透明的轉化為串口數據。本文選擇將智能手機作為主設備，藍牙模塊作為從設備進行連接。
2.2軟體實現
智能設備包括PC、智能手機以及平板電腦等具備操作系統、圖形界面以及藍牙連接硬體的設備。以市場佔有率最高的安卓智能手機為例來說明如何開發與工業縫紉機互聯的App。
藍牙SPP協議傳輸的是數據流，並沒有對數據進行封包，因此本方案設計了一種類似MODBUS數據包的協議，並加入CRC16校驗以確保數據傳輸的準確與完整。
表2數據傳輸包的封裝
如表2所示，第0、1位元組為固定的0xeb90，做為包頭的識別；第2、3位元組為數據包的長度，不包含CRC的2位元組；第4～9位元組作為包類型、讀寫等分類；第10開始為數據，包的最後兩位元組為從0到最後一個數據的CRC16校驗。
安卓SDK提供了藍牙API，APP須在後台開啟一個藍牙服務以進行數據傳輸，SPP的協議ID為「00001101-0000-1000-8000-00805F9B34FB」。藍牙服務在接收到消息時，便發出廣播，其它Activity可通過廣播接收消息，然後解析包的內容，根據包的分類來接收處理[4]。
本文將通信過程設計為主從模式單工通信，即為「一問一答」，智能手機發送給藍牙模塊一個包，藍牙模塊對包做出應答，智能手機收到應答後再繼續傳輸。在收不到應答超過一定時間的情況下可認為通信出現了故障，對傳輸的數據予以捨棄。本文將包的最大長度設定為300位元組以下，可以有效保證透傳模塊的緩衝區不會因為大的數據量而溢出。
安卓的Activity重新載入或退出，會引起通信過程的混亂。因此需在一些操作時加以特別注意，如由重力感應感測器引起的屏幕旋轉，由返回鍵引起的結束。
本文將參數表、零件表以及版本等信息設計為XML格式的文件，在APP里對XML文件進行解析和查詢，這樣可以設計一種數據交換格式，適應多種類型智能設備，也有利於APP後期的維護。
縫紉機控制器一般用於伺服電機的驅動以及縫紉功能的實現，要求單片機程序運行有很強的實時性。本文在處理串口接收時，沒有使用串口中斷的方式，而是在定時器終端里對串口進行掃描。這樣操作避免了串口的頻繁中斷，也避免了DMA方式對於變長度包的繁瑣處理。這樣的串口通信方式幾乎對原有的單片機處理實時性幾乎沒有任何影響。
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