基于物聯網技術的塔式起重機無線遠程監控系統

呂西波，殷玉楓，高崇仁，張孟輝

(太原科技大學機械工程學院，太原030024)

塔式起重機(簡稱塔機)是建筑工程中不可缺少的裝卸設備，巨大推動了基礎設施的建設及社會的發展，但塔機事故的時有發生給社會帶來負面影響。據統計，塔式起重機是特種設備中事故發生率最高的一種，而且事故發生帶來巨大的生命或財產損失[1]。針對塔機的安全管理現狀，本論文提出一種基于物聯網技術的塔式起重機無線遠程監控系統，融合監測和管理于一身[2]，有效地實現了多傳感器多塔機的實時狀態監測等功能。

1 物聯網技術在塔機監控中的應用

為了滿足未來塔式起重機監控的發展需求，國內外起重機企業、研究機構和科研院校一直在對塔式起重機監控的發展模式進行思考和探索[3]。面向塔式起重機監控應用的物聯網結構主要分為感知層、接入層、網絡層和應用層[4]，如圖1所示:

本課題的系統主要包括四部分:塔機監控傳感器(感知層)、塔機運行數據采集裝置(接入層)、前端監控裝置(接入及網絡層)、后端監控平臺(應用層)。系統結構說明:

塔機監控傳感器:傳感器的類型有稱重傳感器、小車變幅及速度傳感器、起重力矩傳感器、回轉角度及回轉速度傳感器、起升高度及起升速度傳感器、吊鉤方向及速度傳感器、風速傳感器、溫度傳感器。本部分傳感器選型，不同型號塔機有不同選擇，在論文中不再敘述。塔機運行時參數采集裝置:通過對傳感器輸出的電壓、電流、脈沖信號進行處理，變為數字信號。在將數字信號進行數據融合及轉化得到更為準確的可讀參數，由ZigBee無線模塊將采集參數傳輸給前端監控裝置。

圖1 塔機監控應用的物聯網結構Fig.1 The internet of things structure of tower crane monitoring applications

前端監控裝置:該裝置安裝在塔機司機室里，由主控板、顯示器、ZigBee無線接收模塊、GPRS無線遠程傳輸模塊等部分組成，主要完成對塔機的運行狀態各個參數實時顯示，對危險狀態預警及報警，將采集運行數據進行存儲，并用GPRS以無線方式傳輸數據，傳輸給后端監控平臺即遠程監控平臺。

后端監控平臺:無線遠程監控平臺通過中國移動通信部門將GPRS模塊傳輸數據進行接收，并配置數據庫服務器，保證數據的長時間及大容量存儲，并方便數據的檢索查閱，并對數據進行分析處理統計。監控平臺配置上位機監控軟件，實現數據的預處理和塔機狀態的判斷，對違章操作預警或報警。通過互聯網，生產廠家、租賃商、用戶、質監部門等可方便地對塔機狀況進行查詢及責任事故調查。

2 塔機運行時參數采集裝置

本部分介紹了數據采集板的及ZigBee模塊的設計。針對不同傳感器輸出信號的不同，有電壓、電流和脈沖信號，設計相應的信號處理電路予以處理，將其轉化為統一的數字信號給采集板使用。

2.1 采集板工作原理

本設計主要組成有數據采集，數據處理，無線傳輸，電源管理等部分。數據采集單元采集塔機運行時各個傳感器參數;數據處理及存儲單元主要是將采集到的信號進行AD轉換，數據級融合、數據存儲和任務調度;無線傳輸單元主要完成數據緩沖、爆發傳輸、數據加密、數據驗證等工作;電源管理單元是對傳感器正常工作提供穩定可靠的電源電壓及電池欠壓指示[5]。工作原理功能結構框圖如圖2所示。

2.2 數據處理存儲及無線收發單元

數據處理單元采用MSP430F5437單片機，此芯片是一個16位超低功耗MCU，集成了較豐富的片內外設。MSP430F5437非常適合在低功耗ZigBee網絡中工作。在本設計中單片機負責控制節點的數據處理操作、數據封裝解析、功耗管理、任務調度等工作，而且可將采集數據實時的存儲在FLASF中，防止數據意外丟失。

無線通信模塊采用TI公司推出的CC2520，可滿足各種應用對于ZigBee/IEEE802.15.4與專有系統的要求，包括工業監控、遠程監控等。

圖2 工作原理結構圖Fig.2 The structure of working principle

3 前端監控裝置

主控制板的功能是實現ZigBee-GPRS無線傳輸、監控數據顯示、塔機GPS定位及報警等。利用主板上的ZigBee無線模塊接收各個傳感器發出的塔機運行數據參數，并在LCD顯示屏上實時顯示。當負荷超過90%時預警，大于100%時報警，并停止塔機運行，這時塔機不能繼續向危險的方向運行，如爬桿、伸臂、起升等，實現對塔機的監控。而且將實時接收到的傳感器數據存入SD卡，并由GPRS模塊把數據傳送給遠程監控平臺。主控制板總體結構如圖3。本系統選用的處理器是三星公司的16/32 位精簡指令集(RISC)微處理 S3C2440[6]。

圖3 主控制板總體結構Fig.3 The overall structure of control board

3.1 GPRS 模塊設計

GPRS是基于GSM的移動分組數據業務，GPRS通過在GSM網絡中引入分組交換的功能，從而支持分組的數據傳輸方式[7]。GPRS網絡在無線通信中的優勢有接入范圍比較廣、高速傳輸、快捷登陸、永遠在線、按流量收費等，非常適合在塔式起重機監控中的應用。GPRS模塊是系統的遠程數據發送端，選用華為公司的GSM EM310模塊，很好的滿足了塔機監控數據傳輸的需要，與主板的接口電路原理圖如圖4。

圖4 GPRS接口電路原理圖Fig.4 The principle diagram GPRS interface circuit

3.2 ZigBee模塊設計

ZigBee模塊本課題采用TI公司的SOC芯片CC2430，集成有高性能8051內核，具有128 K Flash和8 K RAM，14位ADC，AES128加密，看門狗定時器，2個串口等片上設備支持。與主板的接口電路原理圖如圖5。

3.3 串口驅動程序

針對本主控制板所實現的ZIGBEE無線模塊的接收與GPRS模塊的無線傳輸，而且這兩模塊與處理器S3C2440的連接均通過串口進行通訊，因此本課題重點開發嵌入式WINCE5.0的串口驅動程序。

雖然大部分的嵌入式系統都有通用串口驅動，但在具體得工程應用中，如本系統的串口驅動，對數據格式、波特率就有其特殊性，所以要進行串口驅動程序的重新編寫，從而滿足設備的通訊要求。WinCE中串口驅動的實現有固定的模型，串口驅動的結構如圖6所示。串口驅動的開發關鍵是實現流接口函數，MDD層的代碼可參考系統文件目錄下的源代碼，PDD層代碼是與硬件密切相關的，需要才能編寫代碼[8]。

串口驅動模型作為WinCE中的常用驅動模型定義了全功能的串口，定義了TX和RX引線及DTR、RTS等引腳，串口驅動具有流控制和驅動Modem等設備的能力。其具體串口實現功能如下:

SW1開關:向上，串口COM2 RS-232模式;向下(靠近外接排線接口):串口COM2 GPRS模式;

SW2開關:向上，串口COM3 RS-232模式;向下(靠近外接排線接口):串口COM3 GPS模式;

SW3開關:向上，串口COM4 RS-232模式;向下(靠近外接排線接口):串口COM4 RS-485模式;

SW4開關:向上，串口COM5 RS-232模式;向下(靠近外接排線接口):串口COM5 RS-485模式;

SW5開關:向上，串口COM6 RS-232模式;向下(靠近外接排線接口):串口COM6 ZigBee模式。

圖5 ZigBee接口電路原理圖Fig.5 The principle diagram of ZigBee interface circuit

圖6 串口驅動的結構Fig.6 Serial driver structure

4 后端監控平臺

后端監控平臺是由具有固定IP地址的計算機組成，數據庫[9]和軟件是平臺的核心，監控平臺的軟件主要是塔式起重機運行數據采集軟件。

采集軟件的總體設計是圍繞通信的實現來展開的，本軟件是對主控制板發送來的數據進行接收，并且進行數據顯示和保存，并不對數據進行分析，所以除了SOCKET通信外，其他部分的實現相對要簡單一點。由于一臺服務器需要接收多臺下位機同時發送來的數據，本軟件采取多線程技術實現多通道同時接收數據。多線程實現了數據的并行處理，防止某任務長時占用CPU。Visual Studio.NET 2008本身就是一個多線程的環境，此平臺為本技術方案的實施提供了良好的架構基礎。另外，同一進程的所有線程是共享同一內存，因此不需要特殊的數據傳送機制，不需要建立共享存儲區或共享文件，即可實現不同任務之間的協調操作與運行、數據的交互、資源的分配等。如圖7所示為采集軟件的總體流程圖。

圖7 采集軟件總流程圖Fig.7 The flow chart of acquisition chief software

5 軟硬件協同測試

5.1實驗平臺結構

為驗證開發設備的實用性，搭建了如圖8所示的實驗平臺，為了實驗簡單有效，特以銷軸式稱重傳感器為例，來說明實驗的可行性。稱重傳感器與參數采集裝置有線連接，采集電壓信號轉化為起重量;參數采集裝置通過ZigBee無線網絡發送出數據。前端監控裝置的ZigBee模塊接收起重量數據，并通過串口傳輸給上位機監控軟件平臺，實時顯示塔機運行數據。

圖8 實驗平臺結構圖Fig.8 Experimental platform structure

5.2 測試結果

設備上電后，運行正常。上位機監控平臺實時顯示起重量狀況，顯示結果如圖9所示:

圖9 主副起重量狀態顯示Fig.9 The status display of main and auxiliary lifting weight

6 結論

從物聯網技術的結構層次在塔機監控中的應用做了分析，提出了利用物聯網技術的塔機無線監控系統，結合塔式起重機具體的工作方式和環境，用一套物聯網網絡設備完成對塔機的各個運行參數、地理位置及環境狀況的監測與控制，為進一步實現“智能塔機”提供了依據。本系統不但提高了塔機監控的自動化程度，而且節省大量的人力和物力，方便快捷監控管理，有較高的使用價值和社會效益。

[1]范俊祥.塔式起重機[M].北京:中國建材工業出版社，2004.

[2]劉軍.基于物聯網的倉儲管控一體化系統設計策略[J].物流技術，2011，30(8):1-3.

[3]陳俊玲.物聯網的發展趨勢[J].大眾科技，2011(4):30-31.

[4]周小波.基于物聯網技術的設施農業在線測控系統設計[J].太原科技大學學報，2011，32(3):182-185.

[5]王曉明.無線二氧化硫傳感器的網絡節點設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2010(9):32-35.

[6]辛雁峰，夏海寶，易春海.基于S3C2440移動終端的WinCE開發[J].微計算機信息，2009(3):71-73.

[7]曾孝平，吳建軍.基于GPRS無線傳輸的數據采集器設計[J].自動化與儀器儀表，2009，144(4):28-29..

[8]羅健飛，吳仲城，沈春山，等.基于ARM和WinCE下的設備接口驅動設計與實現[J].自動化與儀表，2009，24(3):1-3.

[9]劉少武，張繼福，高崇仁.起重機械檢驗數據挖掘系統的設計與實現[J].太原科技大學學報，2011，32(5):398-402.