ZRFMS-18工业4.0实训沙盘

名称

技术指标

数量

工业4.0实训沙盘

一、整体要求

1）要求包含原料立体仓库、加工雕刻、机器视觉分拣、贴标包装、成品立体仓库五个区；生产线作业管理APP、生产线可视化监控平台两个软件系统；ZigBee一种无线通信技术。

2）要求必须包含4行*6列立体仓库、堆垛机、机器视觉检测仪、多自由度机器臂、流水线传送带、AGV流转小车、加工雕刻机、贴标机、二维码识别器、光电传感器、环境传感器等工业制造装备。

3）要求每个工业制造星空网页版,星空（中国）都配备智能通讯节点，用于自动化控制和ZigBee组网传输。

4）要求能够通过C#上位机应用软件自由设置智能通讯节点的ZigBee信道、PANID、以及唯一识别编码。

5）要求配备本地数据中心管理终端、智能网关、机器视觉检测仪。

6）管理终端采用ubuntu16.04版本，包含web服务端、MQTT broker、数据库、以及Spring框架的生产可视化监控平台软件系统等。

7）网关采用Cortex-A9网关，Linux和Android双系统，可一键切换。运行Android生产线作业管理APP，管理工业制造星空网页版,星空（中国），与加工流程自定义；通过MQTT协议、HTTP协议与数据中心管理终端进行信息交互。

8）采用python语言，人工智能图像处理算法对加工物品进行残次品检测，必须支持圆形和方形检测，同时支持MQTT通讯协议，接收检测命令反馈检测结果，可通过MQTT客户端软件工具进行测试验证。

9）沙盘尺寸不小于3.6m*2.5m。

二、星空网页版,星空（中国）要求

1. 本地数据中心

1）物联网网关（1个）

核心板资源：

（1）CPU：Cortex-A9四核心的Samsung s5p4418，主频1.4GHz；

（2）GPU：MAIL-400，3D图形加速

（3）内存: 1GB DDR3；

（4）EMMC: 8GB；

（5）核心板+底板设计：核心板加装屏蔽罩，邮票孔方式与底板连接，抗干扰能力更强，比插针式更稳定可靠。要求引出核心板信号线，不少于188PIN。

底板资源：

（1）LCD接口：7寸IPS电容屏（16:9），分辨率1024×600；

（2）USB接口：2路USB_HOST 2.0输出，1路USB OTG；

（3）Ethernet接口：核心板内置千兆IP，外加不超过3RMB的PHY芯片即可，支持10/100/1000M，RJ45接口；

（4） 串口：2路3线RS232，1路TTL接口，1路RS485，1路Bluetooth；

（5）CAN总线接口：1路；

（6）RS485总线接口：1路；

（7）HDMI 接口：HDMI1.4a，最大支持1920*1080高清数字输出；

（8）LVDS液晶屏接口：单通道，最大支持1920*1080；

（9）摄像头接口：1路CMOS并行接口，最大支持800万像素；

（10）AV接口：1路模拟视频母口输入；

（11）外部存储扩展接口：SD卡、TF卡接口；

（12）音频接口： 1路MIC输入，1路1. 8w喇叭；

（13）按键：1个复位按键、1个休眠唤醒按键，2个音量键；

（14） 蓝牙WiFi：板载蓝牙WiFi二合一模块，WiFi符合IEEE802.11 b/g/n；蓝牙协议标准符合BT4.2；

（15）Mini PCIe接口：标准可插入4G通信模模块；

（16）24Pins应用扩展接口：用于处理器外设接口扩展功能，包含3路串口、1路PWM、1路IIC、1路ADC、8个GPIO，5V电源。

2）ZigBee协调器模块（1个）

采用CC2530单片机的射频通信与ZStack协议栈的方案，具备Zigbee建网、节点入网申请验证、路由信息维护、以及采集控制传输的功能。

板载PCB天线，通过TTL UART外设接口与A9网关 UART连接。

实时接收ZigBee传感器采样信息，并上报给上位机网关；同时接收网关下发的指令，通过ZigBee网络传输给对应的传感器节点。

供电电压：DC3.3V。

3）数据中心管理终端（1套）

包含主机、显示器、键盘、鼠标以及对应的软件系统。

采用Windows 7以上操作系统，虚拟机采用Ubuntu16.04操作系统版本，运行Web服务端程序、MQTT Broker、mysql5.5以上数据库、以及SpringMVC+MyBatis框架的生产可视化监控平台软件系统。

CPU主频：不低于I5，2.8GHz；

内存容量：不低于4GB(DDR3)；

硬盘类型：不低于100G。

4）无线路由器（1个）

支持有线、无线连接，DHCP自动分配IP地址。

2.工业制造类星空网页版,星空（中国）

1）立体仓库（2套）

位于原料仓库区和成品仓库区。

采用20mm*20mm铝合金型材框架设计，可拆卸，可根据需求自由组合；

车库数量：四行六列，共24个存储库位；

高层货架存储，节省库存占地面积，提高空间利用率；

通过托盘方式存储货物，一个托盘可存储两个原料或成品；

每个库位尺寸约：宽*高=91mm*67mm。

2）立体仓库堆垛机（2套）

用于原料和成品立体仓库区货物的存取。

采用三轴悬臂式滑台模组，滚珠丝杠直线滑台模组密封防尘；

具有x、y、z三个运动行程，搬运尺寸约：1000mm、400mm、300mm。

采用闭环57规格步进电机驱动2.2牛米高速混合伺服；

采用三个金属探测器进行原点探测；

采用货叉式存取货物；单元货物重量：1g-1000g；

提升速度：5m/min；出叉速度：3.6m/min；

定位精度：±5mm；供电电压：DC 24V。

3）传送台（5台）

使用直流电机驱动器，可正反转，实现托盘周转。

安装有红外对射式限位开关检测到托盘，电机停止转动。

供电电源：DC12V

4）立体仓库控制器（2套）

CPU：STM32103VCT6 Cortex-M3 单核32位处理器；

具有2相4线步进电机驱动接口；

可调试步进电机驱动器控制（宽电压，脉冲速度可调）；

可扩展四路控制；

采用金属探测传感器实现库位检测；

通讯方式：采用ZigBee无线通讯；

供电电压：DC 12V。

5）工业柔性机械手（3台）

可以实现伸缩、旋转、抓放等多自由度控制。

主要由机械臂、电控板、机械手组成。

机械臂主要由全铝合金机械臂，行星减速步进电机、AB相光电编码器、铝合金联轴器、轴承等组成。电机带有编码器，具有位置闭合控制，重复精度大大提高。

电控板采用STM32F4系列微控制器，4路LV8731V驱动模块驱动机械臂电机，板载OLED显示屏，支持串口控制、CAN控制、按键控制等方式。

手爪采用两面带齿结构，抓取物品更牢固，采用舵机控制。

负载能力：500g；额定电压：DC12V；额定电流：5A。

6）激光雕刻机（1台）

采用激光雕刻机完成在原材料上雕刻不同图案。激光发生器在顶部有按键，可以开启或者关闭激光发送，在调试或者不需要雕刻时可以关闭激光发生器以防止出现意外。

采用两项四线42步进电机驱动，X轴采用两个步进电机，Y轴采用一个；

采用20mm*20mm铝合金型材及亚克力材料制作，具有质量轻，强度高；

采用32位STM32单片机控制；

内置圆形、方形等多种雕刻算法可通过命令或者按键直接雕刻；

激光雕刻采用内置风扇冷却；

步进电机驱动器驱动：TB6600 32细分4.0A；

通信方式：ZigBee；激光功率 : 3.2W；供电电压 : DC12V。

7）传送带（4套）

实现产品在加工、检验、包装环节的自动运输、自动停止功能。

输送带：绿色PVC，耐油、耐腐蚀、防静电；

机架：不锈钢、铝型材，高度可调；

托辊滚筒，支撑上方皮带，减少摩擦阻力，保证运输速度更快更平稳；

具有红外对射一对，物品传输至探测器中间，皮带自动停止；

具有道闸一个，阻挡物品；采用减速直流电机控制；工作电压：DC12V。

8）包装贴标机（1套）

由光纤检测器、行程开关、供纸盘、电机、收料桶组成；

可调节供纸盘，可根据实际需求调节松紧；

收料滚轮，自动收料；

光纤检测器，精度高，可手动调节能够检测不同长度标签；

二维码标签采用30MM圆形标签

电源：AC 220V；功率：60W；配用气压：0.4MPa；

贴标精度：± 1mm；机身尺寸约：550x350x600（mm）。

9）二维码读卡器（1套）

感应距离约：3-15cm；读卡速度：<0.2秒；

输出格式：韦根、RS485等；工作电压：DC12V。

10）LED点阵显示屏（1个）

星空网页版,星空（中国）信息：75 单色室内高亮LED；

红色8字LED点阵，滚动显示；

通讯方式：无线ZigBee。

11）AI机器视觉检测仪（1套）

主要由夜视CMOS摄像头、AI主板、LCD显示屏组成。

采用python语言编程，OpenCV视觉库进行图像处理，识别视频范围内加工零件的形状是否合格；

采用MQTT消息发布订阅模式接收数据中心的检测请求，并反馈残次品信息。

工作电压：DC5V。

3.通讯类星空网页版,星空（中国）

1）智能通讯节点（5个）

功能：将有线的工业现场总线、I/O接口转换为无线通信方式，同时将现场传感器数据转换为无线通信数据，或将无线通信数据转换为现场总线数据，达到现场传感星空网页版,星空（中国）的远程实时监测与控制。

硬件：采用Cortex-M3微控制器，具有9组标准通信接口，5组RJ12电话线接口、4组RJ45以太网接口，包含RS232、RS485、CAN、IIC、SPI、4-20mA模拟量、I/O输入输出等多种有线信号，可通过扁平电话线、扁平网线直接与实际工业传感器或外设连接，进行传感器采集与执行器控制。

分别用于3个机械手、2个AGV小车的联网控制。

标配0.95寸显示屏，分辨率128*64；

无线通信方式：ZigBee；

工作电源：DC12V供电。

2）智能通讯星空网页版,星空（中国）（4套）

由智能通讯节点和采集驱动板组成，用于工业传感器、贴标机、路灯、传送带、LED点阵显示屏、非仓库区传送台、二维码读卡器的远程采集控制。

标配2.4寸显示屏，显示ID、组网状态、数据收发状态。

驱动板支持6路开关量输入、2继电器输出，6路电机输出，2路舵机输出，1路RS232总线，1路RS485总线，1路TTL串口，通过RJ12电话线接口、RJ45以太网接口和扁平网线与智能通讯节点连接。

4.运输类星空网页版,星空（中国）

1）AGV智能小车（2台）

组成：由磁导航传感器、高频RFID读卡器、核心控制板、直流减速电机、锂电池供电板、传送台以及ZigBee智能通信节点组成。

采用STM32F103微控制器，实时处理磁导航传感器，驱动直流减速电机实现前进、后退、左转、右转行驶；控制RFID读卡器读取铺设在路面的RFID标签值，读卡停车；控制车载传送台正转、反转实现托盘流转；通过ZigBee模块与智能网关协调器组网传输，实现车辆位置信息的上传以及接收命令控制传送台转动。

5.工厂环境监测星空网页版,星空（中国）

1）空气温湿度传感器（1个）

温度范围：-20~65℃；湿度范围：0~100%RH；刷新时间：1s；

输出信号：RS485；通讯协议：Modbus；供电电压：DC 12V。

2）火焰传感器（1个）

测量范围：有无；输出信号：RS485；

通讯协议：Modbus；供电电压：DC 12V。

3）二氧化碳传感器（1个）

测量范围：400~5000PPM；输出信号：RS485；

通讯协议：Modbus；供电电压：DC 12V。

4）粉尘传感器（1个）

由语音模块和CC2530射频模块组成；

通过协调器发送指令，调用语音模块，实现中文语音播报；

通信方式：ZigBee；供电电压：DC 5V。

5）光照传感器（1个）

测量范围：0~65535Lux；输出信号：RS485；

通讯协议：Modbus；供电电压：DC 12V。

6）气压传感器（1个）

测量范围：0~120Kpa；输出信号：RS485；

通讯协议：Modbus；供电电压：DC 12V。

7）通风扇（1个）

继电器输出控制；供电电压：DC 12V。

8）路灯（若干）

继电器输出控制；供电电压：DC 12V

6.视频监控星空网页版,星空（中国）

1）WiFi网络摄像头（1台）

用于视频监控，通过控制云台上下左右移动，以观察智慧工厂内各个角落状况及抓拍。

通信方式：WiFi、以太网。

三、软件要求

1.ZigBee传感器组网综合应用程序（1套）

实现ZigBee网络的建立、节点的自动组网、节点休眠与唤醒、节点之间数据传输、传感器节点的采样与传输、以及执行节点的传输控制等功能。

符合IEEE802.15.4标准规范，频段范围2.045G~2.484G；

支持TI Z-Stack 2007协议栈；

支持多任务处理；支持星形、树型、网状三种网络拓扑结构；

支持Packet Sniffer抓包分析仪；

支持串口调试上位机软件Z-Tool；

支持IAR for EW8051集成开发环境；

支持第三方SmartRF Flash烧写工具；

同一个工程编译ZigBee网络所有节点程序，包括协调器、路由器和传感控制终端节点。

2. 机器视觉检测软件（1套）

采用Python语言，内嵌MQTT协议，接收网关发布的检测消息，调用OpenCV机器视觉库对视觉区域内的物品形状进行检测，同时发布检测结果。

开发环境：Pycharm

语言：Python。

3. 生产线作业网关管理APP（1套）

网关采用Android操作系统，运行“生产线作业管理APP”。网关与管理终端位于同一个局域网时，可与生产线可视化监控平台互联互通。

功能需求：

采用串口编程与ZigBee协调器进行数据交互，获取工业制造星空网页版,星空（中国）运行状态、以及发送控制命令。

采用MQTT协议获取监控平台工单，控制AGV小车按照原料、加工、检验、包装、成品的路线完成工业制造流程。根据小车到达位置信息，控制工业星空网页版,星空（中国）按照后台逻辑驱动控制器动作，并实时接收反馈，依次驱动下一个星空网页版,星空（中国），实现加工环节的流畅运行。加工过程数据，通过Restful API接口反馈给监控平台。

要求软件具有语音提醒功能，如工单接收提醒、异常加工提醒、执行器未实时反馈信息的提醒等。

要求软件包含原料区、加工区、校验区、包装区、成品区以及系统设置六个功能模块。主界面能够显示网关连接监控平台的状态。

系统设置模块要具备AGV小车位置信息与卡号绑定的功能，传感器信息一键同步至服务器的功能，已添加星空网页版,星空（中国）手动调试、修改、删除的功能，机械手运动坐标调节的功能，环境类传感器联动策略功能，以及连接服务器的配置功能。

五个作业区都要具备工业星空网页版,星空（中国）执行逻辑顺序可编辑功能，可灵活添加传感器、工业星空网页版,星空（中国），具备点选星空网页版,星空（中国）更换逻辑顺序、或删除等功能。

要求能够控制机械手伸缩、旋转、抓放，控制堆垛机运动，控制贴标机在物品上贴标签，控制车辆驶停，控制传送带启停等功能。

开发环境：Android Studio

语言：Android

通讯协议：MQTT协议、HTTP协议Restful API接口。

4. 生产线Web可视化监控平台（1套）

平台部署在管理终端中，管理终端采用windows7以上操作系统，虚拟机ubuntu16.04操作系统，部署web应用服务器、MQTT Broker、mysql数据库、以及运行生产线Web可视化监控平台。

可以在局域网内通过浏览器访问平台查看工业生产状况。

功能要求：

1）要求具有系统管理、库位管理、工单管理、星空网页版,星空（中国）管理、以及视频监控等功能模块；

2）要求平台主页具有沙盘实时动态视图，工单形状与数量信息，原料与成品库存信息，残次品统计饼状图，加工数量柱状图，环境实时采样数据。

3）要求主页具有一键操作的功能，包括一键下单，一键清空成品库，一键添加原料库。

3）要求可设置立体库位的层数、X坐标、Y坐标，以及库位占用情况。

4）要求可查看工单编号、工单数据、工单数量、以及生产状态。

5）要求可实现小车位置跟踪，查看工厂环境信息，加工信息可查。

6）要求能够添加摄像头，可在页面实时浏览工厂内情况。

参数要求：

1.平台前端采用最新的HTML5编程技术，使用Bootstrap作为前端UI框架，自带全局CSS设置，内嵌JQuery插件，使用echarts图表库，实现网页上各种动态图表；使用mqttJS作为消息即时传输等；满足了物联网项目多样化的前端显示效果。

2.后台主要采用了Spring容器、Spring MVC框架、MyBatis ORM框架集成，采用Maven构建项目管理，保证了项目运行的健壮性和稳定性。

4. 平台提供标准的Restful API接口，网关可通过调用接口实现网关信息、网关下传感器信息的同步，支持二次开发。

5.平台采用MQTT协议,标准的JSON数据包实现信息在网关、WEB之间传输。

6. 开发环境

开发环境：IDeaUL2016

开发语言：JAVA

通讯协议：MQTT协议、HTTP协议Restful API接口

四、课程资源

1、要求提供工业星空网页版,星空（中国）的控制原理说明不少于5个，如立体仓库、AGV小车、激光雕刻机、传送带、多自由度机器臂等控制器；

2、要求提供工业星空网页版,星空（中国）的电气连接说明不少于8个，如立体仓库堆垛机控制器的电气连接、AGV小车的电气连接、激光雕刻机控制器的电气连接、流水线传送带的电气连接、多自由度机器臂控制器电气连接、贴标机电气连接、二维码读卡模块电气连接、工厂环境传感器信号连接；

3、要求提供工业星空网页版,星空（中国）控制器嵌入式开发案例不少于5个，如立体仓储堆垛机、AGV小车寻迹控制、激光雕刻控制、传送带到位检测与控制、机器臂控制等；

4、要求提供ZigBee自组网实验案例不少于8个，如多点自组网、信息广播、信息组播、星状网络拓扑、树状网络拓扑、绑定传输、串口应用、温湿度传感器采集传输等；

5、要求提供工业以太网网关Android开发实训案例不少于6个，如立体仓储堆垛机远程控制、AGV小车远程控制、激光雕刻远程控制、机械臂远程控制、流水线传输远程控制、道路RFID标签远程读取等；

6、要求提供机器视觉实验案例不少于3个，如OpenCV环境搭建、颜色识别、形状识别等；

7、要求提供网络通信实验案例不少于2个，如MQTT发布订阅实验、Restful API接口应用实验；

8、要求提供工业互联网Web信息管理开发实训案例不少于5个，如SpringMVC+Mybatis环境搭建、工厂用户登录、工厂库存及订单查询、工件信息统计图展示、工厂环境实时监测等。

1套