摘 要

自动化生产线是智能车间中重要的组成部分，采用现代技术对自动化生产线进行远程监测、状态实时显示和运行维护对提高企业的生产效率和产品质量、保证生产线稳定运行和工作人员的人身安全有重要意义。

本文结合虚拟现实技术、传感器、单片机、PC机和通信技术，针对断路器装配生产线，设计了一套基于虚拟现实技术的生产线远程监测系统。系统以传感器为主要采样装置，对生产线的一个典型单元进行信号采集；以STM32F407单片机为上下位机的通信接口，对数据进行转换和传输；以PC机作为上位机，存储并分析经单片机传输过来的数据，并结合故障诊断技术辅助工作人员处理异常设备，达到在远程计算机上实时监测生产线状态参数的目的。

论文主要完成了分布式数据采集系统的设计、单片机与上位机通信方案的设计、交互式虚拟监测软件的设计等工作。系统运用Unity3D进行了断路器装配生产线虚拟场景的创建及漫游，为虚拟监测系统的实现打下了良好基础。

关键词：装配生产线；单片机；分布式；虚拟远程监测系统；Unity3D

Abstract

Production line is an important part of production. Using modern technology to carry out real-time state display, remote monitoring and operation maintenance is of great significance for enterprises to improve production efficiency and product quality, guarantee the stability of the production line and protect the personal safety of the staff.

This paper presents a production line remote monitoring system which combines sensor, MCU, PC and communication technology. This system, which takes MCU as the core, uses sensor to measure parameters of certain typical devices of production line, uses MCU to convert and transport data from sensors and takes PC as host computer to process data transmitted through MCU and use the data to drive corresponding 3D modules in Unity3D.

This paper mainly focused on proposing a scheme of the communication between different sensors and MCU, designing a scheme of the serial communication and designing a scheme of using external data to drive the 3D modules in Unity3D.

The system uses Unity3D to create and roam the virtual scene of the circuit breaker assembly line, which lays a good foundation for the realization of the virtual monitoring system.

Key words: assembling production line; MCU; distributed system; virtual remote monitoring system; Unity3D

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题来源 1

1.2 断路器装配生产线虚拟监测系统的研究背景及意义 1

1.3 工业监测的研究现状 1

1.4 主要研究内容 2

1.5 论文结构安排 2

第二章 系统总体设计 4

2.1 虚拟监测系统的功能需求与总体设计 4

2.1.2 系统硬件需求 4

2.1.3 系统软件需求 4

2.3 本章小结 5

第三章 分布式无线传感器网络设计 6

3.1 分布式无线传感器网络概述 6

3.2 采集装置的选择 6

3.3 采集节点的设计 8

3.3.1 监测节点 8

3.3.2 节点拓扑结构 9

3.4 通信技术的选择 10

3.5 本章小结 10

第四章 单片机模块设计 11

4.1 单片机技术概述 11

4.2 单片机功能需求分析及选型 11

4.3 数据通信方式的选择 12

4.3.1 串行通信数据传输方式 13

4.3.2 信息格式 13

4.4 单片机与PC机串口通信方案的设计 15

4.4.1 通信接口的选择 15

4.4.2 引脚连接设计 15

4.4.3 串口通信程序的编写 17

4.5 本章小结 19

第五章 上位机模块设计 20

5.1 上位机模块概述 20

5.2 上位机软件总体设计 20

5.2.1 状态显示 20

5.2.2 数据查询 21

5.2.3 数据处理 21

5.2.4 数据分析 21

5.2.5 设备信息 21

5.2.6 故障诊断 21

5.2.7 维修帮助 22

5.2.8 导出 22

5.2.9 用户管理 22

5.3 本章小结 22

第六章 总结与展望 23

6.1 总结 23

6.2 展望 23

6.3 系统经济性与环保性分析 24

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1 课题来源

该项目来自浙江省低压电器工程技术研究中心开放课题“面向断路器数字化制造过程的虚拟运维系统”。

1.2 断路器装配生产线虚拟监测系统的研究背景及意义

本课题的研究对象为断路器自动化装配生产线。在断路器自动化生产过程中，由于系列装备的零部件众多，制造工艺复杂，需要多个互联的机械、液压、气动、电力、电子相结合的子系统协同工作。企业需要投入大量的人力和财力才能完成对系列装备的运行维护，保证自动化生产的正常运行。

然而，在强调网络信息的工业4.0时代，封闭的自动化生产车间成为了一座“信息孤岛”。企业不仅要求实现生产的自动化，更要求生产的智能化。

基于此，本论文设计了一套综合分布式数据采集系统、单片机和上位机的生产线虚拟监测系统。与传统的监测手段相比，虚拟监测系统可以对生产过程中的各种不同类型的状态信息进行感知和采集，并进行实时的监控；系统能实现生产线、远程计算机和人员的互联共通，实现数据的整合和交换；系统具有数据采集、数据存储、数据查询、数据分析、维修建议、维修模拟等功能，能在虚拟交互平台中对数据进行直观的处理，辅助工作人员对异常设备进行故障诊断。