ZigBee是基于IEEE802.15.4[1]的無線通信協議,具有功耗低、自組網、抗干擾強和穩定性高等優點，在物聯網和低功耗傳感網絡等領域應用廣泛[2-3]。谷歌公司推出的Android[4]智能手機平臺及面向應用開發的SDK[5]現已成為眾多移動終端應用的基礎。
    參考文獻[6]提出一種基于云設計支持平臺的體系架構，實現了資源安全、穩定和高效的利用。參考文獻[7]提出了一種基于ZigBee的無線傳感器網絡在病房護理呼叫系統中的應用方案。參考文獻[8]基于ZigBee設計了模塊化無線節點硬件。參考文獻[9-10]對ZigBee和Android技術在智能家居中的綜合應用進行了研究，充分利用物聯網和智能終端帶來的便利，對提高企業生產管理效率顯得尤為重要。本文設計開發的企業機修工作管控系統提高了在生產車間大、設備量大、報修率較高、部署有線網絡難的生產型企業信息化管理水平和管理效率，從而使機修工作實現信息化和智能化管理控制。
1 系統整體設計
   系統包括三個層次，分別是用戶訪問層、數據服務層和ZigBee網絡層。如圖1所示。

　用戶訪問層為系統用戶提供系統訪問服務，用戶可以通過Android智能手機終端和瀏覽器客戶端訪問系統。通過Android智能手機終端的用戶主要是機修負責人和機修工人，機修負責人通過終端可以及時收到機修工作任務，并通過終端將任務分派給機修工人。機修工人通過Android智能手機終端接收到任務后，根據上報的機修信息及時到現場進行維修工作，待維修結束后，通過終端進行確認。整個過程中產生的數據同步記入數據庫，管理員可以通過瀏覽器客戶端進行任務查看、信息維護、工作量統計核算等工作。
    數據服務層對用戶訪問層提供數據服務，借助數據庫中的數據為上層提供服務，同時對下層提供接入服務。
    ZigBee網絡層包括ZigBee協調器、ZigBee路由器和上報呼叫器三類設備。三者之間通過ZigBee協議進行組網，信息最終通過ZigBee協調器連接接入管理服務。ZigBee路由器和上報呼叫器分布在企業的生產車間，便于員工通過呼叫上報器進行任務上報。
2 ZigBee接入層設計
2.1 ZigBee模塊設計
   在ZigBee網絡接入層的三種設備中，ZigBee協調器負責配置啟動整個網絡，是IEEE 802.15.4中定義的全功能設備。ZigBee路由器和上報呼叫器為終端設備。
　ZigBee模塊的芯片采用美國德州儀器T1公司的CC2530[11]芯片，相比CC2430[12]在內存、RF性能等方面有所改進，該芯片集成了很好的RF收發器,同時集成了業界標準的增強型8051 CPU,具有256 KB可編程閃存和8 KB的RAM,是一個真正符合IEEE 802.15.4規范和ZigBee RF4CE的片上系統解決方案。CC2530外接耦合電容、電感，配備天線,構成了ZigBee無線通信模塊。
2.2 硬件設備設計
　ZigBee網絡接入層的硬件設備包括ZigBee協調器、ZigBee路由器和上報呼叫器。三種設備采用統一的CC2530芯片和2.4 GHz放大器，如圖2所示。除此之外每個設備具有自己的功能模塊。
    ZigBee協調器負責選擇系統工作通信及網絡標識符，建立基于ZigBee的通信網絡，通過增加路由節點擴大網絡覆蓋范圍。協調器通過RS232串口與上位機接入管理服務器主機相連。ZigBee協調器包括SP232芯片、CC2530芯片、2.4 GHz放大器和供電模塊等。采用SP3232EEA對TTL電平和RS232電平進行轉換，AC220 V通過AC/DC轉換輸出DC5 V電壓為整個模塊供電，主要模塊組成如圖2所示。

    ZigBee路由器負責ZigBee網絡的組建，具有數據通信等功能。其設計和協調器基本相同，但不包括SP232EEA模塊，不需要串口轉接。
    上報呼叫器是ZigBee網絡接入層的終端設備，是系統的基本單元。將其設計成按鍵形式，通過按下按鍵，把信息傳輸到ZigBee協調器。上報呼叫器主要包括用戶按鍵、CC2530模塊、2.4 GHz放大器和電源供電模塊。用戶按鍵模塊負責監測按鍵狀態，分別是“呼叫”和“取消”兩個按鍵。當生產員工按下按鍵時，信號傳入CC2530的輸入/輸出端口；CC2530模塊負責與ZigBee網絡的無線通信，采用單極子諧振天線，長度設計成電子波長的1/4，并整合到PCB板中；電源供應模塊與路由器、協調器設計不同,該模塊采用3.6 V的2 000 mA鋰電池供電，借助AMS11173.3為CC2530提供工作電源，理論工作時間可以達到6年；2.4 GHz放大器可以增加ZigBee通信距離，空曠條件下可以達到2 000 m。
3 軟件設計
3.1 接入管理服務
    接入管理服務主要包括兩方面功能，一是接入服務，即與ZigBee協調器的串口通信，接收呼叫信號并與數據庫建立聯系；二是終端服務，該服務為Android智能手機提供數據訪問服務。
    接入服務是一個后臺服務，實時監聽串口信號，并實時更新數據庫。接入服務分為兩種服務模式:(1)按鍵注冊模式，該模式主要是為了完成按鍵的注冊，所有接入系統的按鍵在初次使用時都必須首先通過注冊登記到系統的數據庫中，接入服務基本流程如圖3(a)所示。(2)按鍵服務模式，該模式實時監聽按鍵的上報呼叫信息,是整個系統在投入實際運行后的常態,按鍵服務流程如圖3(b)所示。

3.2 數據庫
    系統數據庫中的主要實體包括呼叫按鍵、機修片區(分廠)、用戶、用戶類別、設備信息和機修記錄。
    每一個呼叫按鍵屬于一個機修片區，每個機修片區由一個用戶（機修負責人）負責。當一個呼叫記錄產生時，系統會根據呼叫按鍵所屬片區，把報修信息報告給相應的負責人。
3.3 用戶訪問層
    Android智能手機客戶端的用戶角色有機修負責人和機修工人。機修負責人可以進行新到任務查看、任務的派修、維修,機修工人可以進行維修和請求另外派修。
    瀏覽器客戶端提供了基于Web的信息管理和維護，通過Web頁面可以對系統中的用戶、設備、機修片區等信息進行增加、刪除、修改和查詢等操作，還可對系統的機修數據進行統計查看分析，如可以統計每個工人的機修工作量、任務相應時間、平均維修時間等，從而對機修工人的工作進行績效考核，為企業提高機修效率提供數據支持。
3.4 機修狀態轉換
    機修記錄的狀態包括新任務S、已派修B、維修中M、已修好Y、另派修O、未修好N。其中已修好和未修好屬于結束狀態。狀態轉換如圖4所示，狀態轉換條件如下：

    (1)機修負責人進行任務分配。
    (2)機修工人通過智能終端掃描輸入或手工輸入維    修設備的設備ID。
    (3)機修工人無法解決問題，請求負責人另外派工人處理。
    (4)機修負責人進行任務再分配。
    (5)機修負責人確認機修工作無法進行，宣布結束任務。
    (6)機修工人確認機修工作無法進行,掃描確認人(一般為報修人)條形碼標識，宣布結束任務。
    (7)機修工人成功完成機修工作，掃描確認人(一般為報修人)條形碼標識，宣布結束任務。
3.5 網絡數據通信協議
    用戶訪問層和數據服務層之間的數據通信采用JSON數據格式。JSON是一種輕量級數據交換格式，獨立于編程語言，可以構建對象和數組兩種基本數據結構。Java中的JSONObject和JSONArray類為JSON格式數據的封裝和解析提供了方便。
    系統通過JSON格式實現網絡數據通信，比如維修記錄的JSON數組格式如下：
 　[{機修記錄1}, {機修記錄2}，...{機修記錄n}]
     每個機修記錄格式如下：
　  {"記錄ID": "131000101","呼叫時間":"2013-06-27 12:43:07","開始時間":"2013-06-27 12:48:53","機修狀態":"M","結束時間":"故障原因":"鏈條斷裂","機修工":"10001","設備ID":"1206091000201"}
4 測試
　Android智能手機客戶端以列表形式展示任務，系統采用“常使用，優先顯示”的原則，在機修負責人主界面上設立了3個列表，分別是未派修、未修好和全部，如圖5(a)所示。未派修選項卡下列出的是“新任務-S”的機修記錄，未修好列出的是狀態為“未修好-N”的機修記錄，全部則顯示當前用戶有權限查看的全部記錄。
   當有報修任務時，系統會主動推送到Android智能手機客戶端，顯示任務提醒如圖5(a)所示。對于新到任務機修負責人通過“查看詳情”按鈕查看詳情，也可以通過觸摸點擊未派修列表中的條目進行查看詳情，進入任務分派界面， 如圖5(b)所示。機修負責人可以通過選擇機修工人后， 點擊“指派”按鈕把任務派給指定的機修工人。

    與機修負責人的界面略有不同，機修工人的Android智能手機客戶端主界面包括待維修、維修中和全部3個選項卡。待維修列表列出了機修負責人指派給自己的任務，機修工人同樣可以通過查看詳情或點擊列表條目進入準備維修界面，如圖5(c)所示。通過掃描或手工輸入設備的條碼確認維修任務開始，此時機修狀態轉為維修中，待機修工人維修結束后，通過掃描確認人的工作條碼進行維修工作確認，如圖5(d)所示。
    本文把移動物聯網技術應用于企業機修工作管理控制過程之中，設計和實現了企業機修工作管控系統。系統具有靈活部署特點，特別適用于設備量大、報修率較高、部署有線網絡難的生產型企業提高信息化管理水平和管理效率。測試結果表明，系統運行良好。
參考文獻
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