基于物聯網的起重機智能作業管理系統設計與實現

基于物聯網的起重機智能作業管理系統設計與實現

胡素峰1丁樹慶2馮月貴2王會方2

(1.國家質量監督檢驗檢疫總局 北京 100088)

(2.南京市特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210002)

采用物聯網技術，設計一種由主控機PC、無線射頻模塊和讀卡器模塊等部分組成的起重機作業管理系統，實現人機互認及作業記錄管理。詳細介紹了系統硬件結構設計原理及實現方法，給出了作業管理系統軟件設計。實際調試表明：該系統能夠實現對作業人員身份的識別和起重機作業記錄管理等功能，且具有數據傳輸有效距離遠、移動性強、安裝簡單和擴展性好等特點。

射頻識別 無線通訊 作業管理 人機互認

物聯網技術是通過無線射頻識別紅外感應器、定位系統、激光掃描儀等各種信息傳感設備，把任何物體與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。作為一項新技術，物聯網在公共安全各項領域中的應用將十分廣泛[2]。

本文基于物聯網技術設計了起重機作業人員管理系統，感控層通過射頻識別技術實現了起重機作業人員的身份識別；傳輸層通過無線網絡通訊技術實現起重機作業信息的無線傳輸；應用層通過數據庫技術，實現起重機作業記錄的統計、查詢及管理。

1 系統總體結構設計

本系統采用基于物聯網技術設計了系統架構，分感控層、傳輸層和應用層。在感控層，通過射頻讀卡器讀取識別卡中的起重機械人員和設備信息，通過自組織網絡傳輸至匯集節點，一般根據起重機械使用現場環境設置若干個匯集節點；在傳輸層，各匯集節點通過2G/3G/4G等移動通訊網絡或以太網等有線網絡傳輸至服務平臺，實現數據交換、實時處理和控制網絡信息傳遞；在應用層，構建了由存儲服務器、數據服務器、web服務器組成的應用支撐平臺，分別完成數據的存儲、數據分析和web訪問等功能。在應用支撐平臺的基礎上，通過對起重機械相關的設備、人員、操作、檢驗、作業、違規等信息數據進行處理，實現起重機智能作業管理平臺的設備信息管理、人員權限管理、檢驗信息管理、操作信息管理、作業記錄管理、違規記錄管理等功能。同時，在管理平臺對作業人員信息進行驗證，當起重機械信息、作業人員信息、作業權限信息和作業班次信息等相符合的情況下，反饋給感控層的作業控制器，實現對起重機械主電路的開啟和關閉控制，使得只有當作業人員、設備信息、作用權限、作業時間驗證時，開啟起重機械，杜絕操作人員的違章作業行為，確保起重機械安全運行。系統總體結構如圖1所示。

本系統中射頻識別讀卡器、作業控制器和自組織網絡控制器等均集成在終端硬件中，主控制采用了三星公司推出的一款基于ARM11內核（ARM1176JZF-S)的低功耗、高性價比的RSIC處理器S3C6410，滿足系統控制和數據處理等功能。系統采用移動通訊網絡，采用集成的DTU數傳模塊。作業管理平臺采用B/S架構的設計方案。硬件終端將起重機作業信息通過無線網絡傳送到起重機械作業管理平臺。

2 主控制系統硬件設計

射頻讀卡器和無線模塊是本系統硬件設計中的主要部分，本系統設計了915MHz的超高頻射頻讀卡器讀取人員識別卡的信息，根據不同的身份進行不同的作業，同時將作業信息傳送給無線模塊，通過無線通訊發送到服務器中[3]。本文采用的射頻識別芯片是ADF7020，無線模塊采用了無線收發芯片Si4432。硬件架構如圖2所示。

圖1 系統總體結構

圖2 硬件系統結構

2.1 射頻讀寫模塊設計

作業管理終端的射頻識別卡本身就是一種電子標簽，由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，用來標識特定的作業人員。本系統采用的標簽遵循ISO18000-6C的協議標準。金屬電子標簽在設計上將偶極子天線設計成長天線微帶圖形方式，以加大天線的有效輻射面積，提高標簽的靈敏度，提高標簽的性能。同時，選用特制的FR4印制板作為制作天線的基板，板厚0.4mm，微帶天線采用腐蝕方法進行生產，生產出的電子標簽可靠性高、一致性好、成本低。

硬件系統采用ADF7020芯片作為系統射頻識別芯片[4]，RF2173作為射頻識別驅動電路。實現主頻862 ～928MHz的超高頻信號識別。ADF7020是一款新的適用于ISM 頻段的收發芯片。它支持FSK/ASK/ GFSK/OOK/GOOK多種解調方式。輸出功率可變范圍為-16～+13dBm，其內部集成了完整的無線收發電路。在接收模式下，相當于一個傳統的超外差接收器，RF(射頻)輸入信號通過從RFIN 管腳引出的天線，經LNA放大后進入混頻器，通過混頻器混頻產生IF中頻信號。在IF處理階段，該信號在送入解調器前被放大和濾波。解調后從引腳DATA I/O輸出解調數字信號，解調信號的同步由芯片提供的時鐘信號完成。

考慮到ADF7020的發射級能輸出最大13dBm的功率，因此讀寫器采用了射頻功率放大器RF2173，滿足了系統的功率要求。識別卡的無線信號，在-50dbm左右，通過基于HS2812的混頻電路，實現基帶放大到200mv，通過比較判決電路，實現ISO18000-6C協議的數據傳輸。其硬件實現原理如圖3所示：

圖3 射頻讀寫模塊硬件原理圖

2.2 無線模塊設計

無線模塊采用無線收發芯片Si4432，發送模塊主要將要發送的數據經S3C6410處理后，通過Si4432進行編碼處理，以特定的格式經天線發送給接收模塊；接收模塊中Si4432將射頻信號放大、解調之后經S3C6410進行相應的處理，從而實現了低功耗、小體積、高靈敏度條件下的高質量無線數據傳輸。

Si4432 芯片是一款高集成度、低功耗、多頻段的無線收發芯片，可工作在315/433/868/915MHz四個頻段；內部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數字調制解調器、64字節的發送和接收數據FIFO，以及可配置的GPIO等。Si4432的接收靈敏度達到-117dB，可提供極佳的鏈路質量，在擴 大傳輸范圍的同時將功耗降至最低；最小濾波帶寬達8k Hz，具有極佳的頻道選擇性，在240～960MHz頻段內，不加功率放大器時的最大輸出功率就可達+20dBm，設計良好時收發距離最遠可達2km。

S3C6410通過內置SPI對Si4432進行初始化配置、讀寫數據、訪問FIFO等操作。使用4線SPI，即MOSI、MISO、SCK和nSEL。MOSI/MISO為串行數據傳輸；SCK用于同步串行數據傳輸；nSEL為片選信號，nIRQ是中斷狀態輸出引腳。SDN決定了Si4432 芯片的工作狀態。當SDN=0時，芯片處于常規工作模式；當SDN=1時，芯片處于掉電模式，功耗很低，Si4432前端的分集式電路采用SKY13267，這款交叉開關實現分集式天線發送和接收通道的自動切換。硬件設計原理如圖4所示。

圖4 無線收發模塊硬件原理圖

3 主控制系統軟件設計

主控制器采用了高性能的處理器ARM11，有足夠的資源運行操作系統，考慮Windows CE系統的穩定性、可靠性、實時性，而且具有良好的圖形界面、成熟的開發平臺、應用程序與桌面程序的一致性。系統滿足了便攜式設備、移動設備和嵌入式設備對操作系統的需求。因此系統硬件采用WinCE操作系統。

系統需要根據系統的硬件平臺和軟件的需要進行操作系統的裁剪。考慮到功能性，系統需要加入LCD驅動、觸摸屏驅動、串口驅動、USB 驅動、NandFlash 驅動、RTC驅動等，又需要用EVC進行應用程的開發，因此還需要加入MFC組件。所有需要的模塊添加完畢后，編譯可以得到nk.bin 和nk..nb0 兩個鏡像文件。用USB連接PC和硬件系統，把鏡像下載到硬件平臺。設置平臺的啟動地址，完成平臺的搭建。

驅動層實現處理器以及外圍硬件設備的驅動，使應用程序能夠和硬件設備進行通信，驅動層入LCD驅動、觸摸屏驅動、串口驅 動、USB 驅動、Nand-Flash 驅動、RTC驅動等。組件層包含了支持串行通信的組件、文件管理組件、設備管理組件等。系統層提供了COREDLL、WINSOCK、COMMCTRL、COMMDLG、WININET 等Win32 API 函數，應用程序可以通過這些API 函數訪問組件層來實現各種功能。圖5為基于WinCE 平臺的系統層次結構。

圖5 基于WinCE 平臺的系統層次結構

4 作業管理系統軟件平臺設計

軟件系統采用.NET架構，并使用SQL Server 2005作為為后臺數據庫。

系統采用服務器/瀏覽器方式，使用三層應用體系結構，方便開發和維護，與目前計算機技術和互聯網的發展相一致。第一層為用戶層，其主要的工具是瀏覽器（Internet Explorer）。第二層是業務邏輯層，主要是根據起重機操作規范、日常監管等業務處理邏輯，設計分布式部件對象模型，基于開放式軟件基礎的分布式計算環境的遠程過程調用，使用戶可以更快、更容易地監控和操控起重機人機互認系統。第三層為數據庫層，主要是信息數據庫以及與其有關的后臺存儲過程和存取規則。

識別終端有人員對起重機進行操作時，系統彈出提示信息，包括操作人員姓名、操作動作、操作設備等信息。同時所有的操作記錄在系統中以列表的形式顯示出來，軟件界面如圖6所示。管理系統中可以實現設備信息管理、操作信息管理、員工管理、人員信息管理、檢驗報告管理、作業記錄管理、違規記錄管理、密碼修改等八個功能。

5 結束語

系統在某大型鋼鐵企業的起重機上使用，在鋼鐵廠的粉塵、高溫、油污、強電磁干擾環境，系統可靠運行，提高了企業對起重機械的安全管理水平。

圖6 起重機作業監控管理系統軟件界面

有利于作業人員資質管理，減少違規操作，減少起重機無證作業的現象，所有的起重機使用過程信息都可以重現，從而使相關人員習慣于被監督的工作狀態。很好的解決技術監督局部門操作人員持證上崗的管理困擾。同時還有利于對設備進行集中管理，起重機“信息管理服務平臺”完成起重機設備管理，包括設備信息、檢驗信息、操作記錄；完成起重機作業人員管理，包括人員信息、作業記錄、違規記錄等信息。設備使用單位以及各級監管和檢驗人員可以隨時隨地根據不同的需要對設備情況進行查詢。

1 國家質量監督檢驗檢疫總局．2012年全國特種設備安全狀況白皮書[M].2012

2 馬鑫,黃全義,疏學明等，物聯網在公共安全領域中的應用研究[J].中國安全科學學報，2010，20（7）：171～176

3 丁樹慶，任詩波．基于RFID技術的起重機械人機交互系統研究[J]. 機電工程技術，2013，42（6）：76～80

4 鄧毅華.ISO 18000-6 RFID 讀寫器設計[J]微計算機信息,2009,25(11):7～9

Design and Implementation of Crane Operation Management System Based on Internet of Things

Hu Sufeng1Ding Shuqing2Feng Yuegui2Wang Huifang2
（1.General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine Beijing 100088)
(2.Nanjing Special Equipment Inspection Institute Nanjing 210002）

This paper designs a kind of crane operation management system by the master PC, wireless radio frequency module and card reader module and other parts based on the Internet of things technology.The system realize the function of man-machine mutual recognition and work records management. Detailed introduces the system hardware structure design principle and realization method of operation management system software design are given. Actual debugging shows that the system can realize the operation personnel identity recognition and crane operation records management, and other functions, and has the characteristic of data transmission effective distance, strong mobility, simple installation and good expansibility, etc.

RFID (radio frequency identifi cation) Wireless communication Operations Management man-machine mutual recognition

X941

B

1673－257X(2014)10－22－04

10.3969/j.issn.1673-57X.2014.10.006

胡素峰(1976～),男,高級工程師，主要負責特種設備安全管理與信息技術研究。

2014-06-17）