移动物联网技术在企业机修管控中的应用研究*

刘安战,韩玉民,车战斌

(中原工学院,河南 郑州 450007)

ZigBee是基于 IEEE802.15.4[1]的无线通信协议,具有功耗低、自组网、抗干扰强和稳定性高等优点，在物联网和低功耗传感网络等领域应用广泛[2-3]。谷歌公司推出的Android[4]智能手机平台及面向应用开发的SDK[5]现已成为众多移动终端应用的基础。

[6]提出一种基于云设计支持平台的体系架构，实现了资源安全、稳定和高效的利用。参考文献[7]提出了一种基于ZigBee的无线传感器网络在病房护理呼叫系统中的应用方案。参考文献[8]基于ZigBee设计了模块化无线节点硬件。参考文献[9-10]对ZigBee和Android技术在智能家居中的综合应用进行了研究，充分利用物联网和智能终端带来的便利，对提高企业生产管理效率显得尤为重要。本文设计开发的企业机修工作管控系统提高了在生产车间大、设备量大、报修率较高、部署有线网络难的生产型企业信息化管理水平和管理效率，从而使机修工作实现信息化和智能化管理控制。

1 系统整体设计

系统包括三个层次，分别是用户访问层、数据服务层和ZigBee网络层。如图1所示。

用户访问层为系统用户提供系统访问服务，用户可以通过Android智能手机终端和浏览器客户端访问系统。通过Android智能手机终端的用户主要是机修负责人和机修工人，机修负责人通过终端可以及时收到机修工作任务，并通过终端将任务分派给机修工人。机修工人通过Android智能手机终端接收到任务后，根据上报的机修信息及时到现场进行维修工作，待维修结束后，通过终端进行确认。整个过程中产生的数据同步记入数据库，管理员可以通过浏览器客户端进行任务查看、信息维护、工作量统计核算等工作。

数据服务层对用户访问层提供数据服务，借助数据库中的数据为上层提供服务，同时对下层提供接入服务。

ZigBee网络层包括 ZigBee协调器、ZigBee路由器和上报呼叫器三类设备。三者之间通过ZigBee协议进行组网，信息最终通过ZigBee协调器连接接入管理服务。ZigBee路由器和上报呼叫器分布在企业的生产车间，便于员工通过呼叫上报器进行任务上报。

图1 系统整体结构图

2 ZigBee接入层设计

2.1 ZigBee模块设计

在ZigBee网络接入层的三种设备中，ZigBee协调器负责配置启动整个网络，是IEEE 802.15.4中定义的全功能设备。ZigBee路由器和上报呼叫器为终端设备。

ZigBee模块的芯片采用美国德州仪器T1公司的CC2530[11]芯片，相比CC2430[12]在内存、RF性能等方面有所改进，该芯片集成了很好的RF收发器,同时集成了业界标准的增强型8051 CPU,具有256 KB可编程闪存和8 KB的RAM,是一个真正符合IEEE 802.15.4规范和ZigBee RF4CE的片上系统解决方案。CC2530外接耦合电容、电感，配备天线,构成了ZigBee无线通信模块。

2.2 硬件设备设计

ZigBee网络接入层的硬件设备包括ZigBee协调器、ZigBee路由器和上报呼叫器。三种设备采用统一的CC2530芯片和2.4 GHz放大器，如图2所示。除此之外每个设备具有自己的功能模块。

图2 ZigBee网络协调器组成图

ZigBee协调器负责选择系统工作通信及网络标识符，建立基于ZigBee的通信网络，通过增加路由节点扩大网络覆盖范围。协调器通过RS232串口与上位机接入管理服务器主机相连。ZigBee协调器包括SP232芯片、CC2530芯片、2.4 GHz放大器和供电模块等。 采用SP3232EEA对TTL电平和RS232电平进行转换，AC220 V通过AC/DC转换输出DC5 V电压为整个模块供电，主要模块组成如图2所示。

ZigBee路由器负责ZigBee网络的组建，具有数据通信等功能。其设计和协调器基本相同，但不包括SP232EEA模块，不需要串口转接。

上报呼叫器是ZigBee网络接入层的终端设备，是系统的基本单元。将其设计成按键形式，通过按下按键，把信息传输到ZigBee协调器。上报呼叫器主要包括用户按键、CC2530模块、2.4 GHz放大器和电源供电模块。用户按键模块负责监测按键状态，分别是“呼叫”和“取消”两个按键。当生产员工按下按键时，信号传入CC2530的输入/输出端口；CC2530模块负责与 ZigBee网络的无线通信，采用单极子谐振天线，长度设计成电子波长的1/4，并整合到PCB板中；电源供应模块与路由器、协调器设计不同,该模块采用3.6 V的2 000 mA锂电池供电，借助AMS11173.3为CC2530提供工作电源，理论工作时间可以达到6年；2.4 GHz放大器可以增加ZigBee通信距离，空旷条件下可以达到2 000 m。

3 软件设计

3.1 接入管理服务

接入管理服务主要包括两方面功能，一是接入服务，即与ZigBee协调器的串口通信，接收呼叫信号并与数据库建立联系；二是终端服务，该服务为Android智能手机提供数据访问服务。

接入服务是一个后台服务，实时监听串口信号，并实时更新数据库。接入服务分为两种服务模式:(1)按键注册模式，该模式主要是为了完成按键的注册，所有接入系统的按键在初次使用时都必须首先通过注册登记到系统的数据库中，接入服务基本流程如图3(a)所示。(2)按键服务模式，该模式实时监听按键的上报呼叫信息,是整个系统在投入实际运行后的常态,按键服务流程如图 3(b)所示。

3.2 数据库

系统数据库中的主要实体包括呼叫按键、机修片区(分厂)、用户、用户类别、设备信息和机修记录。

每一个呼叫按键属于一个机修片区，每个机修片区由一个用户（机修负责人）负责。当一个呼叫记录产生时，系统会根据呼叫按键所属片区，把报修信息报告给相应的负责人。

3.3 用户访问层

Android智能手机客户端的用户角色有机修负责人和机修工人。机修负责人可以进行新到任务查看、任务的派修、维修,机修工人可以进行维修和请求另外派修。

图3 接入服务基本流程

浏览器客户端提供了基于Web的信息管理和维护，通过Web页面可以对系统中的用户、设备、机修片区等信息进行增加、删除、修改和查询等操作，还可对系统的机修数据进行统计查看分析，如可以统计每个工人的机修工作量、任务相应时间、平均维修时间等，从而对机修工人的工作进行绩效考核，为企业提高机修效率提供数据支持。

3.4 机修状态转换

机修记录的状态包括新任务S、已派修B、维修中M、已修好 Y、另派修 O、未修好 N。其中已修好和未修好属于结束状态。状态转换如图4所示，状态转换条件如下：

(1)机修负责人进行任务分配。

(2)机修工人通过智能终端扫描输入或手工输入维修设备的设备ID。

(3)机修工人无法解决问题，请求负责人另外派工人处理。

(4)机修负责人进行任务再分配。

(5)机修负责人确认机修工作无法进行，宣布结束任务。

图4 机修状态转换图

(6)机修工人确认机修工作无法进行,扫描确认人(一般为报修人)条形码标识，宣布结束任务。

(7)机修工人成功完成机修工作，扫描确认人(一般为报修人)条形码标识，宣布结束任务。

3.5 网络数据通信协议

用户访问层和数据服务层之间的数据通信采用JSON数据格式。JSON是一种轻量级数据交换格式，独立于编程语言，可以构建对象和数组两种基本数据结构。Java中的JSONObject和JSONArray类为JSON格式数据的封装和解析提供了方便。

系统通过JSON格式实现网络数据通信，比如维修记录的JSON数组格式如下：

[{机修记 录 1},{机修记 录 2}，...{机修记录n}]

每个机修记录格式如下：

{＂记 录 ID＂: ＂131000101＂,＂呼 叫 时 间＂:＂2013-06-27 12:43:07＂,＂开始时 间＂:＂2013-06-27 12:48:53＂,＂机修状态＂:＂M＂,＂结束时间＂:＂故障原因 ＂:＂ 链 条 断 裂 ＂,＂ 机 修 工 ＂:＂10001＂,＂ 设 备 ID＂:＂1206091000201＂}

4 测试

Android智能手机客户端以列表形式展示任务，系统采用“常使用，优先显示”的原则，在机修负责人主界面上设立了3个列表，分别是未派修、未修好和全部，如图5(a)所示。未派修选项卡下列出的是“新任务-S”的机修记录，未修好列出的是状态为“未修好-N”的机修记录，全部则显示当前用户有权限查看的全部记录。

当有报修任务时，系统会主动推送到Android智能手机客户端，显示任务提醒如图5(a)所示。对于新到任务机修负责人通过“查看详情”按钮查看详情，也可以通过触摸点击未派修列表中的条目进行查看详情，进入任务分派界面，如图5(b)所示。机修负责人可以通过选择机修工人后，点击“指派”按钮把任务派给指定的机修工人。

与机修负责人的界面略有不同，机修工人的Android智能手机客户端主界面包括待维修、维修中和全部3个选项卡。待维修列表列出了机修负责人指派给自己的任务，机修工人同样可以通过查看详情或点击列表条目进入准备维修界面，如图5(c)所示。通过扫描或手工输入设备的条码确认维修任务开始，此时机修状态转为维修中，待机修工人维修结束后，通过扫描确认人的工作条码进行维修工作确认，如图5(d)所示。

本文把移动物联网技术应用于企业机修工作管理控制过程之中，设计和实现了企业机修工作管控系统。系统具有灵活部署特点，特别适用于设备量大、报修率较高、部署有线网络难的生产型企业提高信息化管理水平和管理效率。测试结果表明，系统运行良好。

图5 客户端主要界面

参考文献

[1]LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society.IEEE Std 802.15.4-2006 wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for lowrate wireless personal area networks(LR-WPANs)[S].New York:the IEEE Inc.,2006.

[2]瞿稻,杨继峰,陈伟,等.ZigBee和 Android的智能移动监控系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2012,12(6):10-12.

[3]许驰,李新春.基于ZigBee-WSN的温湿度监测系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2012,12(6):36-39.

[4]Android Web site[EB/OL].(2013-09-16)[2014-0110].http://www.android.com.

[5]Android SDK document[EB/OL].(2013-09-16)[2014-01-10].http://developer.android.com/sdk/index.html.

[6]魏轶彬,田凌.基于企业服务总线的云设计平台的研究与实现[J].现代制造工程,2012(8):1-4.

[7]滕志军,屈银龙,赵雷.ZigBee在病房护理呼叫系统中的应用[J].电子技术应用,2011,37(11):52-54.

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[10]刘敏,谭守标,陈军宁.基于 Android平台和Zigbee术新型智能家居系统[J].计算机系统应用,2012,21(12):133-136.

[11]任珍文,黄玉青.基于CC2530的无线传感器网络监控平台[J].电子技术应用,2012,38(10)122-125.

[12]宁炳武,刘军民.基于CC2430的ZigBee网络节点设计[J].电子技术应用,2008,34(3):95-99.