基于ZigBee和Web的机加工车间安全生产监控系统设计

吴德平++王晓东

摘 要：利用物联网技术加强安全生产监控具有十分重要的意义。在机加工车间利用ZigBee技术，运用基于C/S架构的Web服务器实时监控系统，能有效对安全生产中的人、机、物三要素进行有效监控，及时发现事故隐患，减少安全事故，对安全稳定的生产起着重要作用。

关键词：ZigBee；机加工；安全生产监控；Web服务器

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）11-00-02

0 引 言

国家安全生产监督管理总局将安全生产领域物联网技术应用试点工程作为“十二五”重点工程。机加工车间中常见的剪板机、台钻、车床等设备安全生产事故时有发生，利用物联网技术能有效感知人员、设备、设施、环境的安全状态，实现对生产中安全要素和职业危害因素的实时监控和智能处置，可有效提升企业事故预防预警和应急处置能力。

1 系统功能简介

根据著名的海因里希事故法则可知，当一个企业有300起隐患或违章，必然要发生29起轻伤或故障，另外还有一起重伤、死亡或重大事故。机加工车间通常设备多，事故隐患也多，因此易发生安全事故，实时监控车间的作业过程对安全生产具有十分重要的意义。

机加工设备众多，本文仅以事故发生较频繁的剪板机、台钻和砂轮机设备为例说明。机加工车间安全监控包括对人、机、环境的监控。机加工车间安全监控简图如图1所示。作业人员持卡作业，实现人机对应，并通过摄像头及时了解作业人员的行为。通过温湿度检测对作业环境进行监控。剪板机、台钻和砂轮机主要根据事故隐患和事故特点对其进行监控，而远程监控通过计算机实现。

2 系统通信设计

机加工车间的网络通信设计主要考虑监控的可靠性、实时性、便捷性等。ZigBee网络具有低功耗、高安全、动态路由、传输范围（相邻节点之间）一般介于10～100 m之间等特点。而机加工车间的特点是空间有限，设备之间的距离都在100 m范围内，且设备经常会更换、升级，发生位置变动等，结合ZigBee的特点可知，ZigBee网络非常适合机加工的作业环境。本系统采用网型网络结构，实现所有具有路由功能的节点的信息互通，不再受协调器和路由节点的限制。在某节点出现故障时，数据可通过其它路径继续通信，从整体上提高网络的可靠性。

机加工车间通信系统设计如图2所示。ZigBee组网后，通过TCP/IP与串口转换模块实行Web服务器与ZigBee网络的通信。PC机则通过Web服务器实现通信。终端机加工设备节点和路由器节点均需由CC2530芯片结合少量外围器件完成。

3 机加工系统主要硬件及相应软件设计

机加工系统监控要实现加工中各项数据的采集、通信和相关控制功能。本系统选用CC2530F128芯片。该芯片适应2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收发器，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能。只需极少的外接元件就能构建简单的应用系统，一个晶振即可满足网状网络系统的需要。

3.1 ZigBee路由器节点设计

路由器在网络中可以有很多个，主要完成数据的接收、中转与网络维护等功能。路由器也包括协调器，虽然路由器没有建立网络的功能，但可以给终端设备分配网络地址，承担维护网络的责任。以剪板机功能模块为例说明节点路由器的设计。

路由器节点与剪板机终端电路设计如图3所示。节点组网和剪板机终端电路的功能主要由CC2530实现。CC2591是TI公司推出的工作在2.4 GHz，面向低功耗与低电压无线应用，且集成度很高的射频前端芯片，能很好地提高接收灵敏度和接收距离。该芯片与CC2530的RF_N、RF_P接口连接，配置合适的天线接入ZigBee网络。为提高抗干扰和匹配电路的需要，设备运转参数经传感器信号调理电路由CC2530采样。为提高实时性，设备控制量由中断口完成。操作人员的IC卡考勤用MF RC531实现读写功能，该芯片工作于13.56 MHz，集成了在13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议，支持ISO/IECl4443的所有层和协议内部的发送器可以直接驱动距离小于10 cm的天线，接收器包括解调和解码电路。

路由器节点软件设计如图4所示。本系统网络协调器在成功组建网络后，进入睡眠状态并等待外部唤醒，当收到唤醒信号后，开始唤醒网络中各监控节点采集数据并把接收到的数据或消息发送到远程终端。

3.2 ZigBee协调器节点设计

协调器是特殊的路由器。协调器在整个ZigBee网络当中是唯一的，是建立网络的设备。协调器节点起到与外部系统接口或协调与其他网络路由的作用，主要完成网络管理、网络数据整理、无线远程通信等功能。在硬件电路设计上，可参照路由器节点电路裁剪，为实现与Web的通信，增加串口与TCP/IP转换电路，也可根据市场购买的TCP/IP转串口转换器确定。ZigBee协调器通信软件在设计过程中可参照路由器节点的设计，同时还要为加入的节点分配网络地址。

4 系统监控软件设计

考虑到软件的应用人员、安全性等因素，Web服务模块采用C/S架构，实现对机加工车间所采集数据的存储和对生产现场的控制。Web服务器要记录机加工车间每台设备的信息，如管理人员、作业人员信息、设备的实时运行状况、相关控制等大量信息，采用JSP+Servlet+JavaBean+MySQL框架实现相关功能。

4.1 系统监控软件功能模块

系统监控软件包括用户登录模块、人员管理模块、数据库管理模块、数据库查询模块、数据实时监测模块、远程视频检测模块、数据实时报警模块、数据控制模块、日志记录模块、系统设置模块和系统控制模块。对现场的视频监控采用专用接口，在界面开发时只需接入即可。

4.2 Web客户端/服务器软件设计

Web客户端主要利用表单实现多种交互式操作。可以使用强大而灵活的客户端表单验证框架（JSValidation）技术，利用XML与JavaScript相结合的方式实现用户登录等功能。

Web服务器软件要结合实时数据传输和远程控制的要求加以设计。基于Web机加工数据监控原理图如图5所示。

图5 基于Web机加工数据监控原理图

Web数据传输采用InputStream和OutputStream流式通信方式，在客户端和服务器端分别建立输入输出流以进行数据发送和接收。数据采集程序直接与服务器端通信，客户端利用Applet的实时交互功能与服务器端的Servlet程序通信，实时传输数据到Web服务器端。在Web服务器端，利用Servlet程序实现数据的实时处理和实时交互。

监控的实时性通过线程来实现，加工现场实时数据的传输和发送各属一个线程。线程可以用Thread类实现，也可以通过Runnable接口实现。数据传输程序采用模块化结构，用JavaBean实现。一个JavaBean负责数据传输方式的选择，确定数据的存放；另一个JavaBean负责数据的实时传输。使用这种技术，数据传输速度快，效率高，能实现数据的实时传输和远端监控。

5 结 语

利用物联网技术实现安全生产的监控是发展的趋势。实践证明，在安全生产中，利用ZigBee技术对机加工车间进行安全生产监控，可及时发现事故隐患，减少安全事故，对提高安全管理效率发挥了重要作用。

参考文献

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