移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在企業(yè)機(jī)修管控中的應(yīng)用研究*

劉安戰(zhàn),韓玉民,車戰(zhàn)斌

(中原工學(xué)院,河南 鄭州 450007)

ZigBee是基于 IEEE802.15.4[1]的無線通信協(xié)議,具有功耗低、自組網(wǎng)、抗干擾強(qiáng)和穩(wěn)定性高等優(yōu)點，在物聯(lián)網(wǎng)和低功耗傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2-3]。谷歌公司推出的Android[4]智能手機(jī)平臺及面向應(yīng)用開發(fā)的SDK[5]現(xiàn)已成為眾多移動終端應(yīng)用的基礎(chǔ)。

[6]提出一種基于云設(shè)計支持平臺的體系架構(gòu)，實現(xiàn)了資源安全、穩(wěn)定和高效的利用。參考文獻(xiàn)[7]提出了一種基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)中的應(yīng)用方案。參考文獻(xiàn)[8]基于ZigBee設(shè)計了模塊化無線節(jié)點硬件。參考文獻(xiàn)[9-10]對ZigBee和Android技術(shù)在智能家居中的綜合應(yīng)用進(jìn)行了研究，充分利用物聯(lián)網(wǎng)和智能終端帶來的便利，對提高企業(yè)生產(chǎn)管理效率顯得尤為重要。本文設(shè)計開發(fā)的企業(yè)機(jī)修工作管控系統(tǒng)提高了在生產(chǎn)車間大、設(shè)備量大、報修率較高、部署有線網(wǎng)絡(luò)難的生產(chǎn)型企業(yè)信息化管理水平和管理效率，從而使機(jī)修工作實現(xiàn)信息化和智能化管理控制。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)包括三個層次，分別是用戶訪問層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和ZigBee網(wǎng)絡(luò)層。如圖1所示。

用戶訪問層為系統(tǒng)用戶提供系統(tǒng)訪問服務(wù)，用戶可以通過Android智能手機(jī)終端和瀏覽器客戶端訪問系統(tǒng)。通過Android智能手機(jī)終端的用戶主要是機(jī)修負(fù)責(zé)人和機(jī)修工人，機(jī)修負(fù)責(zé)人通過終端可以及時收到機(jī)修工作任務(wù)，并通過終端將任務(wù)分派給機(jī)修工人。機(jī)修工人通過Android智能手機(jī)終端接收到任務(wù)后，根據(jù)上報的機(jī)修信息及時到現(xiàn)場進(jìn)行維修工作，待維修結(jié)束后，通過終端進(jìn)行確認(rèn)。整個過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)同步記入數(shù)據(jù)庫，管理員可以通過瀏覽器客戶端進(jìn)行任務(wù)查看、信息維護(hù)、工作量統(tǒng)計核算等工作。

數(shù)據(jù)服務(wù)層對用戶訪問層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，借助數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)為上層提供服務(wù)，同時對下層提供接入服務(wù)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層包括 ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和上報呼叫器三類設(shè)備。三者之間通過ZigBee協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)，信息最終通過ZigBee協(xié)調(diào)器連接接入管理服務(wù)。ZigBee路由器和上報呼叫器分布在企業(yè)的生產(chǎn)車間，便于員工通過呼叫上報器進(jìn)行任務(wù)上報。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 ZigBee接入層設(shè)計

2.1 ZigBee模塊設(shè)計

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入層的三種設(shè)備中，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)配置啟動整個網(wǎng)絡(luò)，是IEEE 802.15.4中定義的全功能設(shè)備。ZigBee路由器和上報呼叫器為終端設(shè)備。

ZigBee模塊的芯片采用美國德州儀器T1公司的CC2530[11]芯片，相比CC2430[12]在內(nèi)存、RF性能等方面有所改進(jìn)，該芯片集成了很好的RF收發(fā)器,同時集成了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU,具有256 KB可編程閃存和8 KB的RAM,是一個真正符合IEEE 802.15.4規(guī)范和ZigBee RF4CE的片上系統(tǒng)解決方案。CC2530外接耦合電容、電感，配備天線,構(gòu)成了ZigBee無線通信模塊。

2.2 硬件設(shè)備設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入層的硬件設(shè)備包括ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和上報呼叫器。三種設(shè)備采用統(tǒng)一的CC2530芯片和2.4 GHz放大器，如圖2所示。除此之外每個設(shè)備具有自己的功能模塊。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成圖

ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)選擇系統(tǒng)工作通信及網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，建立基于ZigBee的通信網(wǎng)絡(luò)，通過增加路由節(jié)點擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。協(xié)調(diào)器通過RS232串口與上位機(jī)接入管理服務(wù)器主機(jī)相連。ZigBee協(xié)調(diào)器包括SP232芯片、CC2530芯片、2.4 GHz放大器和供電模塊等。 采用SP3232EEA對TTL電平和RS232電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，AC220 V通過AC/DC轉(zhuǎn)換輸出DC5 V電壓為整個模塊供電，主要模塊組成如圖2所示。

ZigBee路由器負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建，具有數(shù)據(jù)通信等功能。其設(shè)計和協(xié)調(diào)器基本相同，但不包括SP232EEA模塊，不需要串口轉(zhuǎn)接。

上報呼叫器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入層的終端設(shè)備，是系統(tǒng)的基本單元。將其設(shè)計成按鍵形式，通過按下按鍵，把信息傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器。上報呼叫器主要包括用戶按鍵、CC2530模塊、2.4 GHz放大器和電源供電模塊。用戶按鍵模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測按鍵狀態(tài)，分別是“呼叫”和“取消”兩個按鍵。當(dāng)生產(chǎn)員工按下按鍵時，信號傳入CC2530的輸入/輸出端口；CC2530模塊負(fù)責(zé)與 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線通信，采用單極子諧振天線，長度設(shè)計成電子波長的1/4，并整合到PCB板中；電源供應(yīng)模塊與路由器、協(xié)調(diào)器設(shè)計不同,該模塊采用3.6 V的2 000 mA鋰電池供電，借助AMS11173.3為CC2530提供工作電源，理論工作時間可以達(dá)到6年；2.4 GHz放大器可以增加ZigBee通信距離，空曠條件下可以達(dá)到2 000 m。

3 軟件設(shè)計

3.1 接入管理服務(wù)

接入管理服務(wù)主要包括兩方面功能，一是接入服務(wù)，即與ZigBee協(xié)調(diào)器的串口通信，接收呼叫信號并與數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系；二是終端服務(wù)，該服務(wù)為Android智能手機(jī)提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

接入服務(wù)是一個后臺服務(wù)，實時監(jiān)聽串口信號，并實時更新數(shù)據(jù)庫。接入服務(wù)分為兩種服務(wù)模式:(1)按鍵注冊模式，該模式主要是為了完成按鍵的注冊，所有接入系統(tǒng)的按鍵在初次使用時都必須首先通過注冊登記到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，接入服務(wù)基本流程如圖3(a)所示。(2)按鍵服務(wù)模式，該模式實時監(jiān)聽按鍵的上報呼叫信息,是整個系統(tǒng)在投入實際運(yùn)行后的常態(tài),按鍵服務(wù)流程如圖 3(b)所示。

3.2 數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的主要實體包括呼叫按鍵、機(jī)修片區(qū)(分廠)、用戶、用戶類別、設(shè)備信息和機(jī)修記錄。

每一個呼叫按鍵屬于一個機(jī)修片區(qū)，每個機(jī)修片區(qū)由一個用戶（機(jī)修負(fù)責(zé)人）負(fù)責(zé)。當(dāng)一個呼叫記錄產(chǎn)生時，系統(tǒng)會根據(jù)呼叫按鍵所屬片區(qū)，把報修信息報告給相應(yīng)的負(fù)責(zé)人。

3.3 用戶訪問層

Android智能手機(jī)客戶端的用戶角色有機(jī)修負(fù)責(zé)人和機(jī)修工人。機(jī)修負(fù)責(zé)人可以進(jìn)行新到任務(wù)查看、任務(wù)的派修、維修,機(jī)修工人可以進(jìn)行維修和請求另外派修。

圖3 接入服務(wù)基本流程

瀏覽器客戶端提供了基于Web的信息管理和維護(hù)，通過Web頁面可以對系統(tǒng)中的用戶、設(shè)備、機(jī)修片區(qū)等信息進(jìn)行增加、刪除、修改和查詢等操作，還可對系統(tǒng)的機(jī)修數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計查看分析，如可以統(tǒng)計每個工人的機(jī)修工作量、任務(wù)相應(yīng)時間、平均維修時間等，從而對機(jī)修工人的工作進(jìn)行績效考核，為企業(yè)提高機(jī)修效率提供數(shù)據(jù)支持。

3.4 機(jī)修狀態(tài)轉(zhuǎn)換

機(jī)修記錄的狀態(tài)包括新任務(wù)S、已派修B、維修中M、已修好 Y、另派修 O、未修好 N。其中已修好和未修好屬于結(jié)束狀態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示，狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件如下：

(1)機(jī)修負(fù)責(zé)人進(jìn)行任務(wù)分配。

(2)機(jī)修工人通過智能終端掃描輸入或手工輸入維修設(shè)備的設(shè)備ID。

(3)機(jī)修工人無法解決問題，請求負(fù)責(zé)人另外派工人處理。

(4)機(jī)修負(fù)責(zé)人進(jìn)行任務(wù)再分配。

(5)機(jī)修負(fù)責(zé)人確認(rèn)機(jī)修工作無法進(jìn)行，宣布結(jié)束任務(wù)。

圖4 機(jī)修狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

(6)機(jī)修工人確認(rèn)機(jī)修工作無法進(jìn)行,掃描確認(rèn)人(一般為報修人)條形碼標(biāo)識，宣布結(jié)束任務(wù)。

(7)機(jī)修工人成功完成機(jī)修工作，掃描確認(rèn)人(一般為報修人)條形碼標(biāo)識，宣布結(jié)束任務(wù)。

3.5 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信協(xié)議

用戶訪問層和數(shù)據(jù)服務(wù)層之間的數(shù)據(jù)通信采用JSON數(shù)據(jù)格式。JSON是一種輕量級數(shù)據(jù)交換格式，獨立于編程語言，可以構(gòu)建對象和數(shù)組兩種基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Java中的JSONObject和JSONArray類為JSON格式數(shù)據(jù)的封裝和解析提供了方便。

系統(tǒng)通過JSON格式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，比如維修記錄的JSON數(shù)組格式如下：

[{機(jī)修記 錄 1},{機(jī)修記 錄 2}，...{機(jī)修記錄n}]

每個機(jī)修記錄格式如下：

{＂記 錄 ID＂: ＂131000101＂,＂呼 叫 時 間＂:＂2013-06-27 12:43:07＂,＂開始時 間＂:＂2013-06-27 12:48:53＂,＂機(jī)修狀態(tài)＂:＂M＂,＂結(jié)束時間＂:＂故障原因 ＂:＂ 鏈 條 斷 裂 ＂,＂ 機(jī) 修 工 ＂:＂10001＂,＂ 設(shè) 備 ID＂:＂1206091000201＂}

4 測試

Android智能手機(jī)客戶端以列表形式展示任務(wù)，系統(tǒng)采用“常使用，優(yōu)先顯示”的原則，在機(jī)修負(fù)責(zé)人主界面上設(shè)立了3個列表，分別是未派修、未修好和全部，如圖5(a)所示。未派修選項卡下列出的是“新任務(wù)-S”的機(jī)修記錄，未修好列出的是狀態(tài)為“未修好-N”的機(jī)修記錄，全部則顯示當(dāng)前用戶有權(quán)限查看的全部記錄。

當(dāng)有報修任務(wù)時，系統(tǒng)會主動推送到Android智能手機(jī)客戶端，顯示任務(wù)提醒如圖5(a)所示。對于新到任務(wù)機(jī)修負(fù)責(zé)人通過“查看詳情”按鈕查看詳情，也可以通過觸摸點擊未派修列表中的條目進(jìn)行查看詳情，進(jìn)入任務(wù)分派界面，如圖5(b)所示。機(jī)修負(fù)責(zé)人可以通過選擇機(jī)修工人后，點擊“指派”按鈕把任務(wù)派給指定的機(jī)修工人。

與機(jī)修負(fù)責(zé)人的界面略有不同，機(jī)修工人的Android智能手機(jī)客戶端主界面包括待維修、維修中和全部3個選項卡。待維修列表列出了機(jī)修負(fù)責(zé)人指派給自己的任務(wù)，機(jī)修工人同樣可以通過查看詳情或點擊列表條目進(jìn)入準(zhǔn)備維修界面，如圖5(c)所示。通過掃描或手工輸入設(shè)備的條碼確認(rèn)維修任務(wù)開始，此時機(jī)修狀態(tài)轉(zhuǎn)為維修中，待機(jī)修工人維修結(jié)束后，通過掃描確認(rèn)人的工作條碼進(jìn)行維修工作確認(rèn)，如圖5(d)所示。

本文把移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)機(jī)修工作管理控制過程之中，設(shè)計和實現(xiàn)了企業(yè)機(jī)修工作管控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有靈活部署特點，特別適用于設(shè)備量大、報修率較高、部署有線網(wǎng)絡(luò)難的生產(chǎn)型企業(yè)提高信息化管理水平和管理效率。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

圖5 客戶端主要界面

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