一种基于Web的网络起重机模型

吴晓军 陈航 陈治理 练萍

监控管理系统》（GB/T28214-2012）标准，为强制要求符合条件的大型起重机械加装安全监控系统提供了依据。

目前，此类监控系统的设计、制造已趋于成熟，各地对于该系统的安装也在稳步推进中。随着网络在生产生活中的普及，越来越多的移动终端加入网络，端到端的访问大大提高了信息传递的效率。基于Web技术的起重机管理正处于高速发展的阶段，故本文提出了“网络起重机”的概念，在起重机械的安全管理的内容中融入了新的理念。几乎可以预见在不久的将来，由于网络技术的发展，对于起重机械等生产设备的监管将不再是个难题。

1.IPv6在起重机械信息管理中的应用

物联网（IOT ： The Internet Of Things）是通过在物品上嵌入电子标志或其他存储物体信息的标示，通过网络将即时信息发送到信息处理系统，从而实现对物品进行跟踪、监控等操作的技术。IPv6协议现已开始广泛应用于生产，其拥有快速的带宽、几乎无限的IP地址存量、保密性能良好等优点。可以预见，基于IPv6的物联网在起重机械、电梯等与生产生活息息相关且数量众多的特种设备管理方面有着突出的优点。

对于起重机械生产厂家而言，由于大型起重机械作业环境等原因，机器发生故障在所难免，企业的售后服务成本不菲。以国家质监总局与国家标准化管理委员会出台GB/T28214为契机，若能建立起基于物联网的起重机械云端管理系统（ICS ： IOT Cloud System）实现信息化管理，则既能满足使用单位、生产厂家对于现场设备故障判定、远程指导、在线维修等的要求，也能满足安全监察机构、检验检测机构等对于设备使用备案、注册登记、监督检验等的要求。

图1 IOT 云系统

如图1，数据中心（IOT Cloud）支持所有加入IPv6地址分配的合法用户访问，并对数据的有效性、安全性提供保障，分类传输数据以实现用户的差异性需求。

2.基于S3C2410单片机的嵌入式系统（Embedded System）设计

由于传统的起重机的控制主板并未设置网络传输模块，本文采用了在工业生产中广泛使用的S3C2410单片机来构建嵌入式系统，实现起重机械的网络功能以及信息采集功能。

（1）272-FBGA封装的S3C2410单片机使用了AHB&APB总线，AHB的相互连接采用传统的主、从模块共享总线，接口与互连功能分离（图2）。由于APB可用于对带宽要求不高的外设连接，则对于大多数起重机的控制主板而言只需要提供简单的接口即可实现与S3C2410的通信。

图2 S3C2410与总线结构                       图3 APB主要设备一览

（2）APB BUS适合用于外设连接，由于起重机械的各个模块对于实时传输的要求大于带宽的要求，S3C2410丰富的功能单元与ARM920T良好的性能完全能够满足实际生产的需求。

APB BUS上挂载的外设中，Zigbee模块负责近距离节点的信息传输;Displayer模块可连接到起重机械司机室和生产场地的控制中心，实现现场的实时监控;由于某些大型起重机械还配备了无线手持式通讯终端，USB模块则构建了挂载更多诸如此类外设的物理基础;起重机械现场数据存档则可通过SD Card模块来实现。

（3）以普通电动葫芦为例，S3C2410A嵌入式系统（图3）主要对起重量限制器、高度限位器、行程限位器等多种安全保护装置进行实时信息采集。利用嵌入式网卡实现物理地址与网络地址的转换，再利用适合近距离传输的Zigbee模块实现信息通讯。

图4 Embedded System与起重机主回路

3.基于IPv6协议的网络起重机的特点

网络起重机是指在控制系统中内置各种芯片和处理器，使其具备网络连接和数据通信能力的起重机械。每台起重设备分配唯一的IP地址，都可以通过单位内网关连接到互联网上。除了电脑以外，接入互联网的设备越来越多，传统IPv4的地址由于结构原因，其网络地址的分配有很大的局限性。IPv6的地址长度理论上支持几乎无限多的网络设备，这对实际生产中在大量使用的起重机械进入互联网提供了可能。

在起重机械的控制中心植入网络模块，实现数据采集、储存、传输功能，这便是网络起重机应有的基本功能。

4.基于Zigbee的起重机械信息实时采集系统

对安全部件的实时监控是保证大型起重机械安全工作的基本要求，基于IEEE 802.15.4标准的Zigbee网络具有低功耗、低成本、支持大量节点的特点，而大型起重机械多见于港口、矿山、冶金、路桥等施工场所，工作场地大多环境较差（多粉尘、工作强度大、环境温度高等）且安全部件众多，使用可靠性高、易于扩展、控制功能高和开发难度低等特点的单片机来实现Zigbee的物理层构建有其突出的优点。

由于Zigbee在短距离信息传输上安全可靠且支持多种网络拓扑结构，该技术十分适合应用于起重机械的安全部件信息采集模块。为了实现信息的采集，下图所示为各安全部件与控制中心的星型网络拓扑图：

图5 信息采集模块

基于Zigbee的信息采集系统具有以下优点：

（1）低功耗： 由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

（2）成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

（3）时延短： 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms， 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

（4）网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络， 而且网络组成灵活。

（5）可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

（6）安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

5.结束语

如今，嵌入式开发早已广泛应用于机械行业，而机械行业的信息化前景更是一片广阔。信息化既促进了物联网的发展，同时也为物联网行业提出了更高的要求。在未来，社会全面信息化，依靠有线网络、广电媒体、卫星网络等资源，将信息技术应用到机械行业是可以预见的。