吳德平++王曉東

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

關鍵詞：ZigBee；機加工；安全生產監(jiān)控；Web服務器

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

0 引 言

國家安全生產監(jiān)督管理總局將安全生產領域物聯網技術應用試點工程作為“十二五”重點工程。機加工車間中常見的剪板機、臺鉆、車床等設備安全生產事故時有發(fā)生，利用物聯網技術能有效感知人員、設備、設施、環(huán)境的安全狀態(tài)，實現對生產中安全要素和職業(yè)危害因素的實時監(jiān)控和智能處置，可有效提升企業(yè)事故預防預警和應急處置能力。

1 系統(tǒng)功能簡介

根據著名的海因里希事故法則可知，當一個企業(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)過程對安全生產具有十分重要的意義。

機加工設備眾多，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)，實現人機對應，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。

2 系統(tǒng)通信設計

機加工車間的網絡通信設計主要考慮監(jiān)控的可靠性、實時性、便捷性等。ZigBee網絡具有低功耗、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，設備之間的距離都在100 m范圍內，且設備經常會更換、升級，發(fā)生位置變動等，結合ZigBee的特點可知，ZigBee網絡非常適合機加工的作業(yè)環(huán)境。本系統(tǒng)采用網型網絡結構，實現所有具有路由功能的節(jié)點的信息互通，不再受協(xié)調器和路由節(jié)點的限制。在某節(jié)點出現故障時，數據可通過其它路徑繼續(xù)通信，從整體上提高網絡的可靠性。

機加工車間通信系統(tǒng)設計如圖2所示。ZigBee組網后，通過TCP/IP與串口轉換模塊實行Web服務器與ZigBee網絡的通信。PC機則通過Web服務器實現通信。終端機加工設備節(jié)點和路由器節(jié)點均需由CC2530芯片結合少量外圍器件完成。

3 機加工系統(tǒng)主要硬件及相應軟件設計

機加工系統(tǒng)監(jiān)控要實現加工中各項數據的采集、通信和相關控制功能。本系統(tǒng)選用CC2530F128芯片。該芯片適應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建簡單的應用系統(tǒng)，一個晶振即可滿足網狀網絡系統(tǒng)的需要。

3.1 ZigBee路由器節(jié)點設計

路由器在網絡中可以有很多個，主要完成數據的接收、中轉與網絡維護等功能。路由器也包括協(xié)調器，雖然路由器沒有建立網絡的功能，但可以給終端設備分配網絡地址，承擔維護網絡的責任。以剪板機功能模塊為例說明節(jié)點路由器的設計。

路由器節(jié)點與剪板機終端電路設計如圖3所示。節(jié)點組網和剪板機終端電路的功能主要由CC2530實現。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網絡。為提高抗干擾和匹配電路的需要，設備運轉參數經傳感器信號調理電路由CC2530采樣。為提高實時性，設備控制量由中斷口完成。操作人員的IC卡考勤用MF RC531實現讀寫功能，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)議內部的發(fā)送器可以直接驅動距離小于10 cm的天線，接收器包括解調和解碼電路。

路由器節(jié)點軟件設計如圖4所示。本系統(tǒng)網絡協(xié)調器在成功組建網絡后，進入睡眠狀態(tài)并等待外部喚醒，當收到喚醒信號后，開始喚醒網絡中各監(jiān)控節(jié)點采集數據并把接收到的數據或消息發(fā)送到遠程終端。

3.2 ZigBee協(xié)調器節(jié)點設計

協(xié)調器是特殊的路由器。協(xié)調器在整個ZigBee網絡當中是唯一的，是建立網絡的設備。協(xié)調器節(jié)點起到與外部系統(tǒng)接口或協(xié)調與其他網絡路由的作用，主要完成網絡管理、網絡數據整理、無線遠程通信等功能。在硬件電路設計上，可參照路由器節(jié)點電路裁剪，為實現與Web的通信，增加串口與TCP/IP轉換電路，也可根據市場購買的TCP/IP轉串口轉換器確定。ZigBee協(xié)調器通信軟件在設計過程中可參照路由器節(jié)點的設計，同時還要為加入的節(jié)點分配網絡地址。

4 系統(tǒng)監(jiān)控軟件設計

考慮到軟件的應用人員、安全性等因素，Web服務模塊采用C/S架構，實現對機加工車間所采集數據的存儲和對生產現場的控制。Web服務器要記錄機加工車間每臺設備的信息，如管理人員、作業(yè)人員信息、設備的實時運行狀況、相關控制等大量信息，采用JSP+Servlet+JavaBean+MySQL框架實現相關功能。

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、數據庫管理模塊、數據庫查詢模塊、數據實時監(jiān)測模塊、遠程視頻檢測模塊、數據實時報警模塊、數據控制模塊、日志記錄模塊、系統(tǒng)設置模塊和系統(tǒng)控制模塊。對現場的視頻監(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/服務器軟件設計

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

Web服務器軟件要結合實時數據傳輸和遠程控制的要求加以設計?；赪eb機加工數據監(jiān)控原理圖如圖5所示。

圖5 基于Web機加工數據監(jiān)控原理圖

Web數據傳輸采用InputStream和OutputStream流式通信方式，在客戶端和服務器端分別建立輸入輸出流以進行數據發(fā)送和接收。數據采集程序直接與服務器端通信，客戶端利用Applet的實時交互功能與服務器端的Servlet程序通信，實時傳輸數據到Web服務器端。在Web服務器端，利用Servlet程序實現數據的實時處理和實時交互。

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

5 結 語

利用物聯網技術實現安全生產的監(jiān)控是發(fā)展的趨勢。實踐證明，在安全生產中，利用ZigBee技術對機加工車間進行安全生產監(jiān)控，可及時發(fā)現事故隱患，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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