吳曉軍 陳航 陳治理 練萍

監(jiān)控管理系統(tǒng)》（GB/T28214-2012）標(biāo)準(zhǔn)，為強(qiáng)制要求符合條件的大型起重機(jī)械加裝安全監(jiān)控系統(tǒng)提供了依據(jù)。

目前，此類監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造已趨于成熟，各地對于該系統(tǒng)的安裝也在穩(wěn)步推進(jìn)中。隨著網(wǎng)絡(luò)在生產(chǎn)生活中的普及，越來越多的移動終端加入網(wǎng)絡(luò)，端到端的訪問大大提高了信息傳遞的效率?；赪eb技術(shù)的起重機(jī)管理正處于高速發(fā)展的階段，故本文提出了“網(wǎng)絡(luò)起重機(jī)”的概念，在起重機(jī)械的安全管理的內(nèi)容中融入了新的理念。幾乎可以預(yù)見在不久的將來，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對于起重機(jī)械等生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)管將不再是個難題。

1.IPv6在起重機(jī)械信息管理中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)（IOT?：?The?Internet?Of?Things）是通過在物品上嵌入電子標(biāo)志或其他存儲物體信息的標(biāo)示，通過網(wǎng)絡(luò)將即時(shí)信息發(fā)送到信息處理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對物品進(jìn)行跟蹤、監(jiān)控等操作的技術(shù)。IPv6協(xié)議現(xiàn)已開始廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)，其擁有快速的帶寬、幾乎無限的IP地址存量、保密性能良好等優(yōu)點(diǎn)?？梢灶A(yù)見，基于IPv6的物聯(lián)網(wǎng)在起重機(jī)械、電梯等與生產(chǎn)生活息息相關(guān)且數(shù)量眾多的特種設(shè)備管理方面有著突出的優(yōu)點(diǎn)。

對于起重機(jī)械生產(chǎn)廠家而言，由于大型起重機(jī)械作業(yè)環(huán)境等原因，機(jī)器發(fā)生故障在所難免，企業(yè)的售后服務(wù)成本不菲。以國家質(zhì)監(jiān)總局與國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會出臺GB/T28214為契機(jī)，若能建立起基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)械云端管理系統(tǒng)（ICS?：?IOT?Cloud?System）實(shí)現(xiàn)信息化管理，則既能滿足使用單位、生產(chǎn)廠家對于現(xiàn)場設(shè)備故障判定、遠(yuǎn)程指導(dǎo)、在線維修等的要求，也能滿足安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)、檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)等對于設(shè)備使用備案、注冊登記、監(jiān)督檢驗(yàn)等的要求。

圖1?IOT?云系統(tǒng)

如圖1，數(shù)據(jù)中心（IOT?Cloud）支持所有加入IPv6地址分配的合法用戶訪問，并對數(shù)據(jù)的有效性、安全性提供保障，分類傳輸數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)用戶的差異性需求。

2.基于S3C2410單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)（Embedded?System）設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)的起重機(jī)的控制主板并未設(shè)置網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，本文采用了在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的S3C2410單片機(jī)來構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械的網(wǎng)絡(luò)功能以及信息采集功能。

（1）272-FBGA封裝的S3C2410單片機(jī)使用了AHB&APB總線，AHB的相互連接采用傳統(tǒng)的主、從模塊共享總線，接口與互連功能分離（圖2）。由于APB可用于對帶寬要求不高的外設(shè)連接，則對于大多數(shù)起重機(jī)的控制主板而言只需要提供簡單的接口即可實(shí)現(xiàn)與S3C2410的通信。

圖2?S3C2410與總線結(jié)構(gòu)???????????????????????圖3?APB主要設(shè)備一覽

（2）APB?BUS適合用于外設(shè)連接，由于起重機(jī)械的各個模塊對于實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊蟠笥趲挼囊螅琒3C2410豐富的功能單元與ARM920T良好的性能完全能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

APB?BUS上掛載的外設(shè)中，Zigbee模塊負(fù)責(zé)近距離節(jié)點(diǎn)的信息傳輸;Displayer模塊可連接到起重機(jī)械司機(jī)室和生產(chǎn)場地的控制中心，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控;由于某些大型起重機(jī)械還配備了無線手持式通訊終端，USB模塊則構(gòu)建了掛載更多諸如此類外設(shè)的物理基礎(chǔ);起重機(jī)械現(xiàn)場數(shù)據(jù)存檔則可通過SD?Card模塊來實(shí)現(xiàn)。

（3）以普通電動葫蘆為例，S3C2410A嵌入式系統(tǒng)（圖3）主要對起重量限制器、高度限位器、行程限位器等多種安全保護(hù)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)信息采集。利用嵌入式網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)物理地址與網(wǎng)絡(luò)地址的轉(zhuǎn)換，再利用適合近距離傳輸?shù)腪igbee模塊實(shí)現(xiàn)信息通訊。

圖4?Embedded?System與起重機(jī)主回路

3.基于IPv6協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)起重機(jī)的特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)起重機(jī)是指在控制系統(tǒng)中內(nèi)置各種芯片和處理器，使其具備網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)通信能力的起重機(jī)械。每臺起重設(shè)備分配唯一的IP地址，都可以通過單位內(nèi)網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)上。除了電腦以外，接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備越來越多，傳統(tǒng)IPv4的地址由于結(jié)構(gòu)原因，其網(wǎng)絡(luò)地址的分配有很大的局限性。IPv6的地址長度理論上支持幾乎無限多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這對實(shí)際生產(chǎn)中在大量使用的起重機(jī)械進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)提供了可能。

在起重機(jī)械的控制中心植入網(wǎng)絡(luò)模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儲存、傳輸功能，這便是網(wǎng)絡(luò)起重機(jī)應(yīng)有的基本功能。

4.基于Zigbee的起重機(jī)械信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)

對安全部件的實(shí)時(shí)監(jiān)控是保證大型起重機(jī)械安全工作的基本要求，基于IEEE?802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、支持大量節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，而大型起重機(jī)械多見于港口、礦山、冶金、路橋等施工場所，工作場地大多環(huán)境較差（多粉塵、工作強(qiáng)度大、環(huán)境溫度高等）且安全部件眾多，使用可靠性高、易于擴(kuò)展、控制功能高和開發(fā)難度低等特點(diǎn)的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)Zigbee的物理層構(gòu)建有其突出的優(yōu)點(diǎn)。

由于Zigbee在短距離信息傳輸上安全可靠且支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該技術(shù)十分適合應(yīng)用于起重機(jī)械的安全部件信息采集模塊。為了實(shí)現(xiàn)信息的采集，下圖所示為各安全部件與控制中心的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D：

圖5?信息采集模塊

基于Zigbee的信息采集系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）低功耗：?由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達(dá)6個月到2年左右的使用時(shí)間，這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。

（2）成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。

（3）時(shí)延短：?通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，?活動設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時(shí)延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應(yīng)用。

（4）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，?而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

（5）可靠：采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，?每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。

（6）安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法，各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

5.結(jié)束語

如今，嵌入式開發(fā)早已廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)，而機(jī)械行業(yè)的信息化前景更是一片廣闊。信息化既促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，同時(shí)也為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)提出了更高的要求。在未來，社會全面信息化，依靠有線網(wǎng)絡(luò)、廣電媒體、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等資源，將信息技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械行業(yè)是可以預(yù)見的。