塔式起重機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 輝 劉海龍

(華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)起重設(shè)備的需求也越來(lái)越大，事故的發(fā)生率也呈逐年上升趨勢(shì)[1]。如何保障起重設(shè)備的施工安全和對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一有效管理，已成為迫切需要解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的起重設(shè)備僅有載荷和力矩限位等保護(hù)措施，且只能實(shí)施單機(jī)監(jiān)控或小范圍機(jī)群監(jiān)控管理[2]，顯然已無(wú)法滿(mǎn)足越來(lái)越復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)工況和安全保障要求，嚴(yán)重影響起重設(shè)備的施工安全和工作效率。

本文設(shè)計(jì)了基于GPRS的起重機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，對(duì)影響起重機(jī)運(yùn)行安全的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集、分析和存儲(chǔ)，并通過(guò)GPRS實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。用戶(hù)可通過(guò)Internet在線(xiàn)瀏覽監(jiān)控起重機(jī)的工作狀態(tài)，起重機(jī)在計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一管理下，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域、大范圍內(nèi)諸多參數(shù)的同步監(jiān)測(cè)、協(xié)調(diào)處理和綜合判斷。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、GPRS無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)、起重機(jī)安全監(jiān)控終端三部分組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

遠(yuǎn)程安全監(jiān)控管理系統(tǒng)通過(guò)起重機(jī)安全監(jiān)控終端進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理，并利用GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，為監(jiān)控人員提供數(shù)據(jù)管理與分析，實(shí)時(shí)監(jiān)控起重機(jī)的工作狀態(tài)。

監(jiān)控中心服務(wù)器通過(guò)分配的固定的IP地址與端口連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收GPRS發(fā)送來(lái)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)一分析和綜合管理。無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)由GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet組成，是遠(yuǎn)程監(jiān)控中心與塔機(jī)安全監(jiān)控終端之間的數(shù)據(jù)傳輸媒介。起重機(jī)安全監(jiān)控終端集成了GPRS模塊，可以接收GPS衛(wèi)星定位信息，主要負(fù)責(zé)對(duì)起重設(shè)備實(shí)施單機(jī)監(jiān)控和本地?cái)?shù)據(jù)管理，并將起重機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)地發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心[3－4]。

2 安全監(jiān)控前端設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

起重機(jī)安全監(jiān)控終端是安裝在起重機(jī)駕駛室內(nèi)的儀表部分，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送功能。系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由ARM9微處理器、信號(hào)采集模塊、控制電路、存儲(chǔ)模塊、觸摸屏顯示器、報(bào)警系統(tǒng)、GPS模塊和GPRS模塊等部分組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure of the system hardware

監(jiān)控終端系統(tǒng)使用高性能、低功耗的 S3C2440 ARM9微處理器作為主控制器，其最高工作頻率可達(dá)533 MHz，外圍擴(kuò)展了 64 MB的 SDRAM和 NAND Flash，采用32位WinCE6.0嵌入式操作系統(tǒng)，能夠很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。GPRS模塊采用廣州致遠(yuǎn)ZWG-28A，支持 TCP/IP和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(point to point protocol，PPP)等協(xié)議，提供全透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，可方便實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)、遠(yuǎn)程、網(wǎng)絡(luò)化的通信方式;同時(shí)，可與Internet無(wú)縫連接，提供RS-232、SIM卡接口，非常適用于嵌入式系統(tǒng)環(huán)境。

2.2 GPRS撥號(hào)連接Internet網(wǎng)絡(luò)

GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet是安全監(jiān)控設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸PRS通過(guò)PPP協(xié)議的方式獲取動(dòng)態(tài)分配的IP地址和端口號(hào)，連接成功后，在此基礎(chǔ)上以數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議TCP/IP方式實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器之間的通信[5]。GPRS撥號(hào)連接工作流程如圖3所示。

圖3 GPRS DTU工作流程Fig.3 Working process of GPRS DTU

系統(tǒng)上電后，對(duì)GPRS模塊和監(jiān)控終端進(jìn)行初始化，系統(tǒng)成功啟動(dòng)后監(jiān)控終端開(kāi)始實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，實(shí)施單機(jī)監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。GPRS模塊初始化完成后則進(jìn)行撥號(hào)，通過(guò)PPP協(xié)商獲得分配的IP地址和端口號(hào);然后建立TCP任務(wù)，連接成功后服務(wù)器端將返回?cái)?shù)據(jù)傳輸信息，監(jiān)控終端接收指令后進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，將從本地SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)中提取需發(fā)送的歷史數(shù)據(jù)存放至數(shù)據(jù)發(fā)送列隊(duì)中;最后按照事先定制的通信協(xié)議打包處理后定時(shí)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入串口，通過(guò)連接至串口的GPRS模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。相關(guān)通信協(xié)議及數(shù)據(jù)傳輸格式如下。

① Content-Length：113(發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度)。

② X-mac：1111(起重機(jī)型號(hào)標(biāo)志)。

③ Connection：Keep-Alive。

④ type=data＆time=data＆multiply=data＆weight=data＆Mweight=data＆scope=data＆high=data＆moment=data＆Mmoment=data＆slew=data＆wind=data(數(shù)據(jù)傳輸格式，對(duì)應(yīng)的傳輸數(shù)據(jù)為機(jī)器型號(hào)、時(shí)間、倍率、質(zhì)量、額定質(zhì)量、幅度、高度、力矩、額定力矩、回轉(zhuǎn)、風(fēng)速)。

3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)軟件工作流程

監(jiān)控中心軟件部分由數(shù)據(jù)收發(fā)軟件、數(shù)據(jù)處理與判斷、MySQL5.0數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)和Web應(yīng)用程序組成。其中，數(shù)據(jù)收發(fā)軟件負(fù)責(zé)接收起重機(jī)安全監(jiān)控終端發(fā)送過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，在得到監(jiān)控中心發(fā)出對(duì)機(jī)載監(jiān)控終端的AT控制命令后，通過(guò)Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到指定的監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與監(jiān)控終端之間的雙向通信，并采用Socket套接字的通信方式完成數(shù)據(jù)通信。Socket規(guī)范定義了一套面向字節(jié)兼容的網(wǎng)絡(luò)編程接口，使用Socket能保證應(yīng)用程序能通過(guò)任何網(wǎng)絡(luò)通信。數(shù)據(jù)處理與判斷主要是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并按照起重機(jī)相關(guān)控制規(guī)則邏輯處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)庫(kù)則為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢(xún)等服務(wù)。Web服務(wù)是Web應(yīng)用程序的一部分，用戶(hù)通過(guò)Web程序可查詢(xún)使用數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容。Web應(yīng)用程序則是用戶(hù)訪問(wèn)的接口，采用人性化的界面設(shè)計(jì)，為用戶(hù)提供直觀簡(jiǎn)潔的監(jiān)控信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)。

3.2 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件通過(guò)Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。通過(guò)連接Internet的服務(wù)器，用戶(hù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)在線(xiàn)管理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心功能設(shè)計(jì)主要包括設(shè)備管理、業(yè)務(wù)辦理與申請(qǐng)、查看與設(shè)置系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析等。軟件功能設(shè)計(jì)關(guān)系如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心功能實(shí)現(xiàn)流程Fig.4 Functional implementation of the remote monitoring center

設(shè)備管理是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)在線(xiàn)查詢(xún)起重設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括起重機(jī)型號(hào)、設(shè)備是否開(kāi)機(jī)、吊鉤運(yùn)行位置、吊重、高度、力矩、風(fēng)速、衛(wèi)星地圖等工作參數(shù)，并可以查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)信息，對(duì)報(bào)警預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行提示和統(tǒng)計(jì)。業(yè)務(wù)辦理主要是擴(kuò)展服務(wù)功能，如開(kāi)通短信服務(wù)等。統(tǒng)計(jì)分析是對(duì)數(shù)據(jù)管理的擴(kuò)展，主要包括各種工作量核算、故障與事故統(tǒng)計(jì)等功能，通過(guò)對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)的分析與統(tǒng)計(jì)，為監(jiān)督管理部門(mén)和用戶(hù)提供對(duì)機(jī)群的同步監(jiān)控和統(tǒng)一管理功能。系統(tǒng)配置通過(guò)GPRS的雙向通信功能實(shí)現(xiàn)，采用TCP/IP通信，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過(guò)發(fā)送AT命令實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載監(jiān)控終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控GPRS模塊的工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常，就將其復(fù)位，保證機(jī)載監(jiān)控終端始終在線(xiàn)。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)監(jiān)控終端基于WinCE6.0，設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)界面，同時(shí)采用文字、聲光等方式，實(shí)時(shí)向起重機(jī)駕駛?cè)藛T提供相關(guān)重要數(shù)據(jù)，供其參考;控制電路有效地保障了起重機(jī)的運(yùn)行安全;遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔直觀的用戶(hù)界面，監(jiān)控中心可實(shí)時(shí)監(jiān)控起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)并解決的問(wèn)題如下。

①系統(tǒng)連續(xù)工作超過(guò)10 h以上出現(xiàn)反應(yīng)減慢、死機(jī)甚至崩潰的現(xiàn)象。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，防止過(guò)多的BUG和內(nèi)存碎片是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。對(duì)此，系統(tǒng)采用CodeSnitch對(duì)程序進(jìn)行跟蹤，對(duì)問(wèn)題代碼進(jìn)行準(zhǔn)確定位，問(wèn)題得到了很好解決。

②在通信處于空閑狀態(tài)下無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)斷開(kāi)連接情況。采用SIM卡號(hào)進(jìn)行注冊(cè)的方式設(shè)計(jì)了心跳數(shù)據(jù)包，保證了DTU和服務(wù)器之間的正常連接。

③偶爾出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象。GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸采用TCP/IP的傳輸方式，服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)包完成后返回接收成功信息，監(jiān)控終端通過(guò)返回信息控制數(shù)據(jù)包的發(fā)送，防止數(shù)據(jù)包丟失。

④用戶(hù)通過(guò)瀏覽器在線(xiàn)訪問(wèn)監(jiān)控主站時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)速度緩慢的現(xiàn)象，影響因素有Internet網(wǎng)絡(luò)速度、訪問(wèn)量、服務(wù)器端硬件設(shè)施等。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于GPRS的塔式起重機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控管理系統(tǒng)對(duì)行業(yè)管理部門(mén)、設(shè)備制造和使用企業(yè)具有重要支撐作用。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)大部分類(lèi)似產(chǎn)品實(shí)時(shí)性差、精度低、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能缺乏等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了起重機(jī)安全監(jiān)控終端，完成了對(duì)起重機(jī)本地監(jiān)控和故障預(yù)警，有效地保障了其運(yùn)行安全。通過(guò)GPRS開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大范圍機(jī)群的統(tǒng)一監(jiān)控和協(xié)同管理，在保障安全的同時(shí)有效地提高了起重設(shè)備的工作效率，具有良好的市場(chǎng)前景。

[1]楊巧萍，劉延雷.國(guó)內(nèi)起重機(jī)事故分析與預(yù)防對(duì)策[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2011(2)：140 －141.

[2]韓利鈞，張優(yōu)，姚軍.塔式起重機(jī)安全監(jiān)控技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].建筑安全，2011(3)：46 －48.

[3]李國(guó)民，董延杰.基于WinCE的橋梁檢測(cè)系統(tǒng)接收終端的研究[J].自動(dòng)化儀表，2011，32(1)：83 －85.

[4]Wang Liping.GPRS-based electric power remote monitoring system[J].Communications in Computer and Information Science，2011，86：359 －364.

[5]黃志平，趙紅衛(wèi)，朱廣超，等.高速動(dòng)車(chē)組遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2011，31(1)：33 －36.