基于云平臺(tái)的智能安燈系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

王海萍

摘? ?要：文章提出基于網(wǎng)狀網(wǎng)的無線安燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，旨在解決當(dāng)前安燈系統(tǒng)中存在的安全性和便捷性不可兼得的問題。通過云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)手段，橋接工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，打通兩網(wǎng)邊界，進(jìn)一步優(yōu)化精益生產(chǎn)過程。

關(guān)鍵詞：安燈系統(tǒng);網(wǎng)狀網(wǎng);云平臺(tái)

1? ? 安燈系統(tǒng)研究的背景與現(xiàn)狀

安燈系統(tǒng)（Andon）起源于日本，用于實(shí)現(xiàn)即時(shí)反饋，及時(shí)解決生產(chǎn)質(zhì)量問題，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)、高質(zhì)量生產(chǎn)的目標(biāo)。

最初的安燈系統(tǒng)采用拉繩模式，由一個(gè)拉繩開關(guān)、一個(gè)報(bào)警燈塔以及生產(chǎn)看板組成。當(dāng)工位上發(fā)生問題時(shí)，拉繩報(bào)警，處理完畢恢復(fù)生產(chǎn)。

拉繩模式有明顯的缺陷，只能反映當(dāng)前工位出現(xiàn)的問題，無法細(xì)化是什么問題，更無法提供后臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能。此時(shí)，按鈕模式應(yīng)運(yùn)而生，相較于拉繩模式，通過定義常見的異常類型，實(shí)時(shí)掌握發(fā)生問題原因。此外，借由后臺(tái)統(tǒng)計(jì)分析功能，為生產(chǎn)管理持續(xù)改善提供豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

從信息傳輸媒介類型來看，目前安燈系統(tǒng)可以分成兩大類：有線和無線。比較典型的是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的安燈系統(tǒng)[1]，如鼎實(shí)為某汽車生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的安燈系統(tǒng)就是基于PROFIBUS總線[2]。盡管基于現(xiàn)場(chǎng)總線的安燈系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性均較為良好，但缺點(diǎn)也是顯而易見的，如設(shè)備安裝過程中布線復(fù)雜，甚至受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境制約而不能合理布線。

無線安燈系統(tǒng)又因通信技術(shù)的不同而不同。射頻433因其傳輸速度快、距離遠(yuǎn)，是目前市場(chǎng)上較為流行的無線通信技術(shù)之一，也廣泛地應(yīng)用于安燈系統(tǒng)中，但其僅能夠進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，不支持組網(wǎng)，且抗干擾能力也較差，因此采用該通信技術(shù)的系統(tǒng)容易受到干擾，尤其是來自系統(tǒng)自身節(jié)點(diǎn)的干擾。因此，研究者將視線轉(zhuǎn)移至WiFi，作為目前普遍使用的無線通信手段，WiFi有著覆蓋范圍廣、使用方便、成本低等特點(diǎn)，并且支持組網(wǎng)，李洪彪等[3]研究了基于WiFi的安燈系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的功能。然而，WiFi技術(shù)的安全隱患較大、穩(wěn)定性差，隨便一個(gè)“WiFi殺手”（Jammer）都能導(dǎo)致聯(lián)網(wǎng)失敗，這是安全性要求高的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不能容忍的。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，一種名為ZigBee的技術(shù)逐漸走進(jìn)人們的視野，研究者很自然地將其與安燈系統(tǒng)結(jié)合，莫太平等[4-5]研究了基于ZigBee的安燈系統(tǒng)，但并沒有充分發(fā)揮ZigBee的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，僅將其作為和WiFi類似的通信手段。ZigBee作為自組網(wǎng)能力強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)于安燈系統(tǒng)的研究和開發(fā)依然在如火如荼地進(jìn)行，但目前的系統(tǒng)通信存在這樣一個(gè)死結(jié)：基于現(xiàn)場(chǎng)總線的，安裝困難、擴(kuò)展性差;基于無線方式的，安全性差，穩(wěn)定性不強(qiáng)。

2? ? 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)安燈系統(tǒng)“無線化”、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)處理“即時(shí)化”、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理“可視化”、精益生產(chǎn)“智能化”等目標(biāo)。安燈信息化系統(tǒng)如圖1所示。（1）呼叫按鈕、信號(hào)燈、語音呼叫、主接收器、電子看板均采用無線通信的方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“無線化”，方便安裝和改造。（2）員工發(fā)現(xiàn)異常按呼叫按鈕，車間能進(jìn)行語音呼叫、對(duì)應(yīng)產(chǎn)線信號(hào)燈閃，提示工作人員來處理，超時(shí)未處理，則通過短信通知更高級(jí)別管理人員，達(dá)到生產(chǎn)處理“即時(shí)化”。（3）辦公室顯示屏顯示和云端數(shù)據(jù)接入，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理“可視化”。（4）故障可追蹤，大數(shù)據(jù)分析，生產(chǎn)瓶頸及時(shí)掌握，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)“智能化”，全面提升企業(yè)生產(chǎn)效率和管理水平。

3? ? 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端（多個(gè)）、無線燈箱（多個(gè)）以及主接收器（一個(gè)）構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)要求具有自組網(wǎng)、多跳傳輸以及可以進(jìn)行物理層安全技術(shù)實(shí)施的特征，因此在設(shè)計(jì)硬件時(shí)首先需要考慮無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。本設(shè)計(jì)考慮采用ZigBee技術(shù)，ZigBee很重要的一個(gè)特點(diǎn)就是具有自組網(wǎng)能力，其數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高、成本低以及時(shí)延短等特點(diǎn)非常契合本項(xiàng)目的要求。

系統(tǒng)終端、無線燈箱以及主接收器在功能上相對(duì)較為簡(jiǎn)單，主要功能如圖2所示。系統(tǒng)終端主要是接收按鈕輸入信息，微控制單元（Micro Control Unit，MCU）將相關(guān)信息處理后經(jīng)由無線模塊發(fā)送出去。無線燈箱主要接收警示燈開關(guān)信息，通過MCU進(jìn)行控制，基于安全考慮，警示燈選用低壓（12 V）LED燈，具有閃爍功能，且使用壽命長(zhǎng)。主接收器主要負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)終端的信息，并將信息通過串口傳輸至系統(tǒng)主機(jī)。需要強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)終端和無線燈箱在整個(gè)安燈系統(tǒng)中可以有很多個(gè)，但主接收器僅有一個(gè)。

4? ? 軟件設(shè)計(jì)

從可裁剪性角度出發(fā)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的后臺(tái)管理平臺(tái)。主接收器將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)后，還需要完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄、統(tǒng)計(jì)分析和多種報(bào)表顯示，并通過看板、語音系統(tǒng)、尋呼系統(tǒng)、云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)管理的持續(xù)改善。由于后臺(tái)涉及的硬件開發(fā)較少，除了語音廣播設(shè)備需要進(jìn)行必要的硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)外，其他設(shè)備基本采用成熟的產(chǎn)品。具體而言，系統(tǒng)主機(jī)采用PC服務(wù)器，電子和綜合看板使用智能電視、尋呼設(shè)備選用手持智能手表，云平臺(tái)則選用成熟的機(jī)智云。因此系統(tǒng)管理平臺(tái)主要由軟件支撐。

系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)核心在于數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，將選用穩(wěn)定的SQL數(shù)據(jù)庫作為平臺(tái)，配以Java開發(fā)系統(tǒng)軟件。在處理語音時(shí)用文字轉(zhuǎn)語音方式實(shí)現(xiàn)，增加靈活性。電子看板和綜合看板上的信息通過網(wǎng)頁版顯示，這主要出于不同品牌智能電視的兼容性考慮。云平臺(tái)的設(shè)計(jì)和開發(fā)主要難點(diǎn)在于對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)和通信協(xié)議的了解。移動(dòng)終端主要是針對(duì)云平臺(tái)數(shù)據(jù)訪問的應(yīng)用軟件的開發(fā)。

5? ? 結(jié)語

本文提出基于網(wǎng)狀網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)方式，與現(xiàn)有的安燈系統(tǒng)采用星型結(jié)構(gòu)入網(wǎng)方式形成鮮明的對(duì)比，極大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，增?qiáng)系統(tǒng)的擴(kuò)展性，提升系統(tǒng)受到干擾時(shí)的自我修復(fù)能力。此種聯(lián)網(wǎng)方式適用于企業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)即時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性、信息反饋實(shí)時(shí)性等要求高的場(chǎng)合。通過此項(xiàng)目的實(shí)施和驗(yàn)證，有利于今后將此聯(lián)網(wǎng)方式推廣至制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）等其他工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

文章提出基于云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)的新型數(shù)據(jù)分析和傳輸手段。通過記錄事件的過程數(shù)據(jù)，借助大數(shù)據(jù)手段，分析事件的根本原因，優(yōu)化精益生產(chǎn)過程。借由云平臺(tái)橋接工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，打通兩網(wǎng)邊界，拓寬網(wǎng)絡(luò)訪問范圍。

文章還提出完全無線化的信息交互方式。該新型安燈系統(tǒng)全面采用無線化的通信方式，其中，語音播報(bào)系統(tǒng)、看板系統(tǒng)均采用無線傳輸方式，這極大地方便了老舊的制造企業(yè)安裝，符合改擴(kuò)建系統(tǒng)的要求，降低了線路改造的成本。

[參考文獻(xiàn)]

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