基于云平台的智能安灯系统研究与设计

王海萍

摘   要：文章提出基于网状网的无线安灯系统设计方案，旨在解决当前安灯系统中存在的安全性和便捷性不可兼得的问题。通过云平台和大数据手段，桥接工业物联网和互联网，打通两网边界，进一步优化精益生产过程。

关键词：安灯系统;网状网;云平台

1    安灯系统研究的背景与现状

安灯系统（Andon）起源于日本，用于实现即时反馈，及时解决生产质量问题，以实现持续、高质量生产的目标。

最初的安灯系统采用拉绳模式，由一个拉绳开关、一个报警灯塔以及生产看板组成。当工位上发生问题时，拉绳报警，处理完毕恢复生产。

拉绳模式有明显的缺陷，只能反映当前工位出现的问题，无法细化是什么问题，更无法提供后台数据统计分析功能。此时，按钮模式应运而生，相较于拉绳模式，通过定义常见的异常类型，实时掌握发生问题原因。此外，借由后台统计分析功能，为生产管理持续改善提供丰富的数据基础。

从信息传输媒介类型来看，目前安灯系统可以分成两大类：有线和无线。比较典型的是基于现场总线的安灯系统[1]，如鼎实为某汽车生产线设计的安灯系统就是基于PROFIBUS总线[2]。尽管基于现场总线的安灯系统安全性和稳定性均较为良好，但缺点也是显而易见的，如设备安装过程中布线复杂，甚至受到现场环境制约而不能合理布线。

无线安灯系统又因通信技术的不同而不同。射频433因其传输速度快、距离远，是目前市场上较为流行的无线通信技术之一，也广泛地应用于安灯系统中，但其仅能够进行点对点通信，不支持组网，且抗干扰能力也较差，因此采用该通信技术的系统容易受到干扰，尤其是来自系统自身节点的干扰。因此，研究者将视线转移至WiFi，作为目前普遍使用的无线通信手段，WiFi有着覆盖范围广、使用方便、成本低等特点，并且支持组网，李洪彪等[3]研究了基于WiFi的安灯系统，实现了相关的功能。然而，WiFi技术的安全隐患较大、稳定性差，随便一个“WiFi杀手”（Jammer）都能导致联网失败，这是安全性要求高的工业生产现场不能容忍的。随着物联网技术的发展，一种名为ZigBee的技术逐渐走进人们的视野，研究者很自然地将其与安灯系统结合，莫太平等[4-5]研究了基于ZigBee的安灯系统，但并没有充分发挥ZigBee的技术优势，仅将其作为和WiFi类似的通信手段。ZigBee作为自组网能力强的物联网技术，有其独特的优势。

关于安灯系统的研究和开发依然在如火如荼地进行，但目前的系统通信存在这样一个死结：基于现场总线的，安装困難、扩展性差;基于无线方式的，安全性差，稳定性不强。

2    总体设计

本设计旨在实现安灯系统“无线化”、生产现场处理“即时化”、生产现场管理“可视化”、精益生产“智能化”等目标。安灯信息化系统如图1所示。（1）呼叫按钮、信号灯、语音呼叫、主接收器、电子看板均采用无线通信的方式，实现系统“无线化”，方便安装和改造。（2）员工发现异常按呼叫按钮，车间能进行语音呼叫、对应产线信号灯闪，提示工作人员来处理，超时未处理，则通过短信通知更高级别管理人员，达到生产处理“即时化”。（3）办公室显示屏显示和云端数据接入，实现生产管理“可视化”。（4）故障可追踪，大数据分析，生产瓶颈及时掌握，实现精益生产“智能化”，全面提升企业生产效率和管理水平。

3    硬件设计

系统终端（多个）、无线灯箱（多个）以及主接收器（一个）构成网络，该网络要求具有自组网、多跳传输以及可以进行物理层安全技术实施的特征，因此在设计硬件时首先需要考虑无线联网技术。本设计考虑采用ZigBee技术，ZigBee很重要的一个特点就是具有自组网能力，其数据传输可靠、网络容量大、安全性高、成本低以及时延短等特点非常契合本项目的要求。

系统终端、无线灯箱以及主接收器在功能上相对较为简单，主要功能如图2所示。系统终端主要是接收按钮输入信息，微控制单元（Micro Control Unit，MCU）将相关信息处理后经由无线模块发送出去。无线灯箱主要接收警示灯开关信息，通过MCU进行控制，基于安全考虑，警示灯选用低压（12 V）LED灯，具有闪烁功能，且使用寿命长。主接收器主要负责接收系统终端的信息，并将信息通过串口传输至系统主机。需要强调的是系统终端和无线灯箱在整个安灯系统中可以有很多个，但主接收器仅有一个。

4    软件设计

从可裁剪性角度出发，设计系统的后台管理平台。主接收器将数据发送至主机后，还需要完成数据的实时记录、统计分析和多种报表显示，并通过看板、语音系统、寻呼系统、云平台实现精益生产管理的持续改善。由于后台涉及的硬件开发较少，除了语音广播设备需要进行必要的硬件设计和开发外，其他设备基本采用成熟的产品。具体而言，系统主机采用PC服务器，电子和综合看板使用智能电视、寻呼设备选用手持智能手表，云平台则选用成熟的机智云。因此系统管理平台主要由软件支撑。

系统管理软件设计与开发核心在于数据库的开发，将选用稳定的SQL数据库作为平台，配以Java开发系统软件。在处理语音时用文字转语音方式实现，增加灵活性。电子看板和综合看板上的信息通过网页版显示，这主要出于不同品牌智能电视的兼容性考虑。云平台的设计和开发主要难点在于对系统架构和通信协议的了解。移动终端主要是针对云平台数据访问的应用软件的开发。

5    结语

本文提出基于网状网的联网方式，与现有的安灯系统采用星型结构入网方式形成鲜明的对比，极大提高数据传输的可靠性，增强系统的扩展性，提升系统受到干扰时的自我修复能力。此种联网方式适用于企业生产过程中对即时数据统计准确性、信息反馈实时性等要求高的场合。通过此项目的实施和验证，有利于今后将此联网方式推广至制造企业生产过程执行管理系统（Manufacturing Execution System，MES）等其他工业物联网应用。

文章提出基于云平台和大数据的新型数据分析和传输手段。通过记录事件的过程数据，借助大数据手段，分析事件的根本原因，优化精益生产过程。借由云平台桥接工业物联网和互联网，打通两网边界，拓宽网络访问范围。

文章还提出完全无线化的信息交互方式。该新型安灯系统全面采用无线化的通信方式，其中，语音播报系统、看板系统均采用无线传输方式，这极大地方便了老旧的制造企业安装，符合改扩建系统的要求，降低了线路改造的成本。

[参考文献]

[1]陈红霞.工业现场总线在物料ANDON系统的应用[J].现代工业经济和信息化，2017（17）：45-46，53.

[2]汽车生产线Andon系统.鼎实PROFIBUS远程IO在某汽车生产线Andon系统中的应用[J].国内外机电一体化技术，2009（S3）：58-60.

[3]李洪彪，廖玲俐.基于WiFi数据传输的安灯系统设计及应用[J].自动化与仪器仪表，2015（4）：83-84，87.

[4]莫太平，张云强，周园园，等.基于ZigBee的无线暗灯控制系统的设计与实现[J].自动化与仪表，2015（12）：59-62.

[5]魏东，陈前武，施俊文，等.基于物联网技术的安灯系统的设计与实现[J].电子测试，2018（22）：68-69，71.