一種基于Web的網絡起重機模型

吳曉軍 陳航 陳治理 練萍

監控管理系統》（GB/T28214-2012）標準，為強制要求符合條件的大型起重機械加裝安全監控系統提供了依據。

目前，此類監控系統的設計、制造已趨于成熟，各地對于該系統的安裝也在穩步推進中。隨著網絡在生產生活中的普及，越來越多的移動終端加入網絡，端到端的訪問大大提高了信息傳遞的效率。基于Web技術的起重機管理正處于高速發展的階段，故本文提出了“網絡起重機”的概念，在起重機械的安全管理的內容中融入了新的理念。幾乎可以預見在不久的將來，由于網絡技術的發展，對于起重機械等生產設備的監管將不再是個難題。

1.IPv6在起重機械信息管理中的應用

物聯網（IOT?：?The?Internet?Of?Things）是通過在物品上嵌入電子標志或其他存儲物體信息的標示，通過網絡將即時信息發送到信息處理系統，從而實現對物品進行跟蹤、監控等操作的技術。IPv6協議現已開始廣泛應用于生產，其擁有快速的帶寬、幾乎無限的IP地址存量、保密性能良好等優點。可以預見，基于IPv6的物聯網在起重機械、電梯等與生產生活息息相關且數量眾多的特種設備管理方面有著突出的優點。

對于起重機械生產廠家而言，由于大型起重機械作業環境等原因，機器發生故障在所難免，企業的售后服務成本不菲。以國家質監總局與國家標準化管理委員會出臺GB/T28214為契機，若能建立起基于物聯網的起重機械云端管理系統（ICS?：?IOT?Cloud?System）實現信息化管理，則既能滿足使用單位、生產廠家對于現場設備故障判定、遠程指導、在線維修等的要求，也能滿足安全監察機構、檢驗檢測機構等對于設備使用備案、注冊登記、監督檢驗等的要求。

圖1?IOT?云系統

如圖1，數據中心（IOT?Cloud）支持所有加入IPv6地址分配的合法用戶訪問，并對數據的有效性、安全性提供保障，分類傳輸數據以實現用戶的差異性需求。

2.基于S3C2410單片機的嵌入式系統（Embedded?System）設計

由于傳統的起重機的控制主板并未設置網絡傳輸模塊，本文采用了在工業生產中廣泛使用的S3C2410單片機來構建嵌入式系統，實現起重機械的網絡功能以及信息采集功能。

（1）272-FBGA封裝的S3C2410單片機使用了AHB&APB總線，AHB的相互連接采用傳統的主、從模塊共享總線，接口與互連功能分離（圖2）。由于APB可用于對帶寬要求不高的外設連接，則對于大多數起重機的控制主板而言只需要提供簡單的接口即可實現與S3C2410的通信。

圖2?S3C2410與總線結構???????????????????????圖3?APB主要設備一覽

（2）APB?BUS適合用于外設連接，由于起重機械的各個模塊對于實時傳輸的要求大于帶寬的要求，S3C2410豐富的功能單元與ARM920T良好的性能完全能夠滿足實際生產的需求。

APB?BUS上掛載的外設中，Zigbee模塊負責近距離節點的信息傳輸;Displayer模塊可連接到起重機械司機室和生產場地的控制中心，實現現場的實時監控;由于某些大型起重機械還配備了無線手持式通訊終端，USB模塊則構建了掛載更多諸如此類外設的物理基礎;起重機械現場數據存檔則可通過SD?Card模塊來實現。

（3）以普通電動葫蘆為例，S3C2410A嵌入式系統（圖3）主要對起重量限制器、高度限位器、行程限位器等多種安全保護裝置進行實時信息采集。利用嵌入式網卡實現物理地址與網絡地址的轉換，再利用適合近距離傳輸的Zigbee模塊實現信息通訊。

圖4?Embedded?System與起重機主回路

3.基于IPv6協議的網絡起重機的特點

網絡起重機是指在控制系統中內置各種芯片和處理器，使其具備網絡連接和數據通信能力的起重機械。每臺起重設備分配唯一的IP地址，都可以通過單位內網關連接到互聯網上。除了電腦以外，接入互聯網的設備越來越多，傳統IPv4的地址由于結構原因，其網絡地址的分配有很大的局限性。IPv6的地址長度理論上支持幾乎無限多的網絡設備，這對實際生產中在大量使用的起重機械進入互聯網提供了可能。

在起重機械的控制中心植入網絡模塊，實現數據采集、儲存、傳輸功能，這便是網絡起重機應有的基本功能。

4.基于Zigbee的起重機械信息實時采集系統

對安全部件的實時監控是保證大型起重機械安全工作的基本要求，基于IEEE?802.15.4標準的Zigbee網絡具有低功耗、低成本、支持大量節點的特點，而大型起重機械多見于港口、礦山、冶金、路橋等施工場所，工作場地大多環境較差（多粉塵、工作強度大、環境溫度高等）且安全部件眾多，使用可靠性高、易于擴展、控制功能高和開發難度低等特點的單片機來實現Zigbee的物理層構建有其突出的優點。

由于Zigbee在短距離信息傳輸上安全可靠且支持多種網絡拓撲結構，該技術十分適合應用于起重機械的安全部件信息采集模塊。為了實現信息的采集，下圖所示為各安全部件與控制中心的星型網絡拓撲圖：

圖5?信息采集模塊

基于Zigbee的信息采集系統具有以下優點：

（1）低功耗：?由于ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。

（2）成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee協議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

（3）時延短：?通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms，休眠激活的時延是15ms，?活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業控制場合等）應用。

（4）網絡容量大：一個星型結構的Zigbee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡，?而且網絡組成靈活。

（5）可靠：采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，?每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

（6）安全：ZigBee提供了基于循環冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

5.結束語

如今，嵌入式開發早已廣泛應用于機械行業，而機械行業的信息化前景更是一片廣闊。信息化既促進了物聯網的發展，同時也為物聯網行業提出了更高的要求。在未來，社會全面信息化，依靠有線網絡、廣電媒體、衛星網絡等資源，將信息技術應用到機械行業是可以預見的。