劉安戰(zhàn),韓玉民,車戰(zhàn)斌

(中原工學院,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、抗干擾強和穩(wěn)定性高等優(yōu)點，在物聯(lián)網和低功耗傳感網絡等領域應用廣泛[2-3]。谷歌公司推出的Android[4]智能手機平臺及面向應用開發(fā)的SDK[5]現已成為眾多移動終端應用的基礎。

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

1 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)包括三個層次，分別是用戶訪問層、數據服務層和ZigBee網絡層。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，用戶可以通過Android智能手機終端和瀏覽器客戶端訪問系統(tǒng)。通過Android智能手機終端的用戶主要是機修負責人和機修工人，機修負責人通過終端可以及時收到機修工作任務，并通過終端將任務分派給機修工人。機修工人通過Android智能手機終端接收到任務后，根據上報的機修信息及時到現場進行維修工作，待維修結束后，通過終端進行確認。整個過程中產生的數據同步記入數據庫，管理員可以通過瀏覽器客戶端進行任務查看、信息維護、工作量統(tǒng)計核算等工作。

數據服務層對用戶訪問層提供數據服務，借助數據庫中的數據為上層提供服務，同時對下層提供接入服務。

ZigBee網絡層包括 ZigBee協(xié)調器、ZigBee路由器和上報呼叫器三類設備。三者之間通過ZigBee協(xié)議進行組網，信息最終通過ZigBee協(xié)調器連接接入管理服務。ZigBee路由器和上報呼叫器分布在企業(yè)的生產車間，便于員工通過呼叫上報器進行任務上報。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

2 ZigBee接入層設計

2.1 ZigBee模塊設計

在ZigBee網絡接入層的三種設備中，ZigBee協(xié)調器負責配置啟動整個網絡，是IEEE 802.15.4中定義的全功能設備。ZigBee路由器和上報呼叫器為終端設備。

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]在內存、RF性能等方面有所改進，該芯片集成了很好的RF收發(fā)器,同時集成了業(yè)界標準的增強型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,構成了ZigBee無線通信模塊。

2.2 硬件設備設計

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

圖2 ZigBee網絡協(xié)調器組成圖

ZigBee協(xié)調器負責選擇系統(tǒng)工作通信及網絡標識符，建立基于ZigBee的通信網絡，通過增加路由節(jié)點擴大網絡覆蓋范圍。協(xié)調器通過RS232串口與上位機接入管理服務器主機相連。ZigBee協(xié)調器包括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電平進行轉換，AC220 V通過AC/DC轉換輸出DC5 V電壓為整個模塊供電，主要模塊組成如圖2所示。

ZigBee路由器負責ZigBee網絡的組建，具有數據通信等功能。其設計和協(xié)調器基本相同，但不包括SP232EEA模塊，不需要串口轉接。

上報呼叫器是ZigBee網絡接入層的終端設備，是系統(tǒng)的基本單元。將其設計成按鍵形式，通過按下按鍵，把信息傳輸到ZigBee協(xié)調器。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。用戶按鍵模塊負責監(jiān)測按鍵狀態(tài)，分別是“呼叫”和“取消”兩個按鍵。當生產員工按下按鍵時，信號傳入CC2530的輸入/輸出端口；CC2530模塊負責與 ZigBee網絡的無線通信，采用單極子諧振天線，長度設計成電子波長的1/4，并整合到PCB板中；電源供應模塊與路由器、協(xié)調器設計不同,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，空曠條件下可以達到2 000 m。

3 軟件設計

3.1 接入管理服務

接入管理服務主要包括兩方面功能，一是接入服務，即與ZigBee協(xié)調器的串口通信，接收呼叫信號并與數據庫建立聯(lián)系；二是終端服務，該服務為Android智能手機提供數據訪問服務。

接入服務是一個后臺服務，實時監(jiān)聽串口信號，并實時更新數據庫。接入服務分為兩種服務模式:(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)的數據庫中，接入服務基本流程如圖3(a)所示。(2)按鍵服務模式，該模式實時監(jiān)聽按鍵的上報呼叫信息,是整個系統(tǒng)在投入實際運行后的常態(tài),按鍵服務流程如圖 3(b)所示。

3.2 數據庫

系統(tǒng)數據庫中的主要實體包括呼叫按鍵、機修片區(qū)(分廠)、用戶、用戶類別、設備信息和機修記錄。

每一個呼叫按鍵屬于一個機修片區(qū)，每個機修片區(qū)由一個用戶（機修負責人）負責。當一個呼叫記錄產生時，系統(tǒng)會根據呼叫按鍵所屬片區(qū)，把報修信息報告給相應的負責人。

3.3 用戶訪問層

Android智能手機客戶端的用戶角色有機修負責人和機修工人。機修負責人可以進行新到任務查看、任務的派修、維修,機修工人可以進行維修和請求另外派修。

圖3 接入服務基本流程

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

3.4 機修狀態(tài)轉換

機修記錄的狀態(tài)包括新任務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束狀態(tài)。狀態(tài)轉換如圖4所示，狀態(tài)轉換條件如下：

(1)機修負責人進行任務分配。

(2)機修工人通過智能終端掃描輸入或手工輸入維修設備的設備ID。

(3)機修工人無法解決問題，請求負責人另外派工人處理。

(4)機修負責人進行任務再分配。

(5)機修負責人確認機修工作無法進行，宣布結束任務。

圖4 機修狀態(tài)轉換圖

(6)機修工人確認機修工作無法進行,掃描確認人(一般為報修人)條形碼標識，宣布結束任務。

(7)機修工人成功完成機修工作，掃描確認人(一般為報修人)條形碼標識，宣布結束任務。

3.5 網絡數據通信協(xié)議

用戶訪問層和數據服務層之間的數據通信采用JSON數據格式。JSON是一種輕量級數據交換格式，獨立于編程語言，可以構建對象和數組兩種基本數據結構。Java中的JSONObject和JSONArray類為JSON格式數據的封裝和解析提供了方便。

系統(tǒng)通過JSON格式實現網絡數據通信，比如維修記錄的JSON數組格式如下：

[{機修記 錄 1},{機修記 錄 2}，...{機修記錄n}]

每個機修記錄格式如下：

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

4 測試

Android智能手機客戶端以列表形式展示任務，系統(tǒng)采用“常使用，優(yōu)先顯示”的原則，在機修負責人主界面上設立了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-S”的機修記錄，未修好列出的是狀態(tài)為“未修好-N”的機修記錄，全部則顯示當前用戶有權限查看的全部記錄。

當有報修任務時，系統(tǒng)會主動推送到Android智能手機客戶端，顯示任務提醒如圖5(a)所示。對于新到任務機修負責人通過“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行查看詳情，進入任務分派界面，如圖5(b)所示。機修負責人可以通過選擇機修工人后，點擊“指派”按鈕把任務派給指定的機修工人。

與機修負責人的界面略有不同，機修工人的Android智能手機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修負責人指派給自己的任務，機修工人同樣可以通過查看詳情或點擊列表條目進入準備維修界面，如圖5(c)所示。通過掃描或手工輸入設備的條碼確認維修任務開始，此時機修狀態(tài)轉為維修中，待機修工人維修結束后，通過掃描確認人的工作條碼進行維修工作確認，如圖5(d)所示。

本文把移動物聯(lián)網技術應用于企業(yè)機修工作管理控制過程之中，設計和實現了企業(yè)機修工作管控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有靈活部署特點，特別適用于設備量大、報修率較高、部署有線網絡難的生產型企業(yè)提高信息化管理水平和管理效率。測試結果表明，系統(tǒng)運行良好。

圖5 客戶端主要界面

參考文獻

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