基于ZigBee和Web的機加工車間安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

吳德平++王曉東

摘 要：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加強安全生產(chǎn)監(jiān)控具有十分重要的意義。在機加工車間利用ZigBee技術(shù)，運用基于C/S架構(gòu)的Web服務(wù)器實時監(jiān)控系統(tǒng)，能有效對安全生產(chǎn)中的人、機、物三要素進行有效監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，減少安全事故，對安全穩(wěn)定的生產(chǎn)起著重要作用。

關(guān)鍵詞：ZigBee；機加工；安全生產(chǎn)監(jiān)控；Web服務(wù)器

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-02

0 引 言

國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局將安全生產(chǎn)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用試點工程作為“十二五”重點工程。機加工車間中常見的剪板機、臺鉆、車床等設(shè)備安全生產(chǎn)事故時有發(fā)生，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能有效感知人員、設(shè)備、設(shè)施、環(huán)境的安全狀態(tài)，實現(xiàn)對生產(chǎn)中安全要素和職業(yè)危害因素的實時監(jiān)控和智能處置，可有效提升企業(yè)事故預(yù)防預(yù)警和應(yīng)急處置能力。

1 系統(tǒng)功能簡介

根據(jù)著名的海因里希事故法則可知，當(dāng)一個企業(yè)有300起隱患或違章，必然要發(fā)生29起輕傷或故障，另外還有一起重傷、死亡或重大事故。機加工車間通常設(shè)備多，事故隱患也多，因此易發(fā)生安全事故，實時監(jiān)控車間的作業(yè)過程對安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

機加工設(shè)備眾多，本文僅以事故發(fā)生較頻繁的剪板機、臺鉆和砂輪機設(shè)備為例說明。機加工車間安全監(jiān)控包括對人、機、環(huán)境的監(jiān)控。機加工車間安全監(jiān)控簡圖如圖1所示。作業(yè)人員持卡作業(yè)，實現(xiàn)人機對應(yīng)，并通過攝像頭及時了解作業(yè)人員的行為。通過溫濕度檢測對作業(yè)環(huán)境進行監(jiān)控。剪板機、臺鉆和砂輪機主要根據(jù)事故隱患和事故特點對其進行監(jiān)控，而遠程監(jiān)控通過計算機實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)通信設(shè)計

機加工車間的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計主要考慮監(jiān)控的可靠性、實時性、便捷性等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、高安全、動態(tài)路由、傳輸范圍（相鄰節(jié)點之間）一般介于10～100 m之間等特點。而機加工車間的特點是空間有限，設(shè)備之間的距離都在100 m范圍內(nèi)，且設(shè)備經(jīng)常會更換、升級，發(fā)生位置變動等，結(jié)合ZigBee的特點可知，ZigBee網(wǎng)絡(luò)非常適合機加工的作業(yè)環(huán)境。本系統(tǒng)采用網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)所有具有路由功能的節(jié)點的信息互通，不再受協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點的限制。在某節(jié)點出現(xiàn)故障時，數(shù)據(jù)可通過其它路徑繼續(xù)通信，從整體上提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

機加工車間通信系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。ZigBee組網(wǎng)后，通過TCP/IP與串口轉(zhuǎn)換模塊實行Web服務(wù)器與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信。PC機則通過Web服務(wù)器實現(xiàn)通信。終端機加工設(shè)備節(jié)點和路由器節(jié)點均需由CC2530芯片結(jié)合少量外圍器件完成。

3 機加工系統(tǒng)主要硬件及相應(yīng)軟件設(shè)計

機加工系統(tǒng)監(jiān)控要實現(xiàn)加工中各項數(shù)據(jù)的采集、通信和相關(guān)控制功能。本系統(tǒng)選用CC2530F128芯片。該芯片適應(yīng)2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。只需極少的外接元件就能構(gòu)建簡單的應(yīng)用系統(tǒng)，一個晶振即可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需要。

3.1 ZigBee路由器節(jié)點設(shè)計

路由器在網(wǎng)絡(luò)中可以有很多個，主要完成數(shù)據(jù)的接收、中轉(zhuǎn)與網(wǎng)絡(luò)維護等功能。路由器也包括協(xié)調(diào)器，雖然路由器沒有建立網(wǎng)絡(luò)的功能，但可以給終端設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址，承擔(dān)維護網(wǎng)絡(luò)的責(zé)任。以剪板機功能模塊為例說明節(jié)點路由器的設(shè)計。

路由器節(jié)點與剪板機終端電路設(shè)計如圖3所示。節(jié)點組網(wǎng)和剪板機終端電路的功能主要由CC2530實現(xiàn)。CC2591是TI公司推出的工作在2.4 GHz，面向低功耗與低電壓無線應(yīng)用，且集成度很高的射頻前端芯片，能很好地提高接收靈敏度和接收距離。該芯片與CC2530的RF_N、RF_P接口連接，配置合適的天線接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。為提高抗干擾和匹配電路的需要，設(shè)備運轉(zhuǎn)參數(shù)經(jīng)傳感器信號調(diào)理電路由CC2530采樣。為提高實時性，設(shè)備控制量由中斷口完成。操作人員的IC卡考勤用MF RC531實現(xiàn)讀寫功能，該芯片工作于13.56 MHz，集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議，支持ISO/IECl4443的所有層和協(xié)議內(nèi)部的發(fā)送器可以直接驅(qū)動距離小于10 cm的天線，接收器包括解調(diào)和解碼電路。

路由器節(jié)點軟件設(shè)計如圖4所示。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在成功組建網(wǎng)絡(luò)后，進入睡眠狀態(tài)并等待外部喚醒，當(dāng)收到喚醒信號后，開始喚醒網(wǎng)絡(luò)中各監(jiān)控節(jié)點采集數(shù)據(jù)并把接收到的數(shù)據(jù)或消息發(fā)送到遠程終端。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

協(xié)調(diào)器是特殊的路由器。協(xié)調(diào)器在整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中是唯一的，是建立網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。協(xié)調(diào)器節(jié)點起到與外部系統(tǒng)接口或協(xié)調(diào)與其他網(wǎng)絡(luò)路由的作用，主要完成網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)整理、無線遠程通信等功能。在硬件電路設(shè)計上，可參照路由器節(jié)點電路裁剪，為實現(xiàn)與Web的通信，增加串口與TCP/IP轉(zhuǎn)換電路，也可根據(jù)市場購買的TCP/IP轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換器確定。ZigBee協(xié)調(diào)器通信軟件在設(shè)計過程中可參照路由器節(jié)點的設(shè)計，同時還要為加入的節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址。

4 系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計

考慮到軟件的應(yīng)用人員、安全性等因素，Web服務(wù)模塊采用C/S架構(gòu)，實現(xiàn)對機加工車間所采集數(shù)據(jù)的存儲和對生產(chǎn)現(xiàn)場的控制。Web服務(wù)器要記錄機加工車間每臺設(shè)備的信息，如管理人員、作業(yè)人員信息、設(shè)備的實時運行狀況、相關(guān)控制等大量信息，采用JSP+Servlet+JavaBean+MySQL框架實現(xiàn)相關(guān)功能。

4.1 系統(tǒng)監(jiān)控軟件功能模塊

系統(tǒng)監(jiān)控軟件包括用戶登錄模塊、人員管理模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、數(shù)據(jù)庫查詢模塊、數(shù)據(jù)實時監(jiān)測模塊、遠程視頻檢測模塊、數(shù)據(jù)實時報警模塊、數(shù)據(jù)控制模塊、日志記錄模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊和系統(tǒng)控制模塊。對現(xiàn)場的視頻監(jiān)控采用專用接口，在界面開發(fā)時只需接入即可。

4.2 Web客戶端/服務(wù)器軟件設(shè)計

Web客戶端主要利用表單實現(xiàn)多種交互式操作?？梢允褂脧姶蠖`活的客戶端表單驗證框架（JSValidation）技術(shù)，利用XML與JavaScript相結(jié)合的方式實現(xiàn)用戶登錄等功能。

Web服務(wù)器軟件要結(jié)合實時數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制的要求加以設(shè)計。基于Web機加工數(shù)據(jù)監(jiān)控原理圖如圖5所示。

圖5 基于Web機加工數(shù)據(jù)監(jiān)控原理圖

Web數(shù)據(jù)傳輸采用InputStream和OutputStream流式通信方式，在客戶端和服務(wù)器端分別建立輸入輸出流以進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)采集程序直接與服務(wù)器端通信，客戶端利用Applet的實時交互功能與服務(wù)器端的Servlet程序通信，實時傳輸數(shù)據(jù)到Web服務(wù)器端。在Web服務(wù)器端，利用Servlet程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理和實時交互。

監(jiān)控的實時性通過線程來實現(xiàn)，加工現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的傳輸和發(fā)送各屬一個線程。線程可以用Thread類實現(xiàn)，也可以通過Runnable接口實現(xiàn)。數(shù)據(jù)傳輸程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，用JavaBean實現(xiàn)。一個JavaBean負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇，確定數(shù)據(jù)的存放；另一個JavaBean負責(zé)數(shù)據(jù)的實時傳輸。使用這種技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速度快，效率高，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和遠端監(jiān)控。

5 結(jié) 語

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)安全生產(chǎn)的監(jiān)控是發(fā)展的趨勢。實踐證明，在安全生產(chǎn)中，利用ZigBee技術(shù)對機加工車間進行安全生產(chǎn)監(jiān)控，可及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，減少安全事故，對提高安全管理效率發(fā)揮了重要作用。

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