塔吊遠程上鎖及控制系統研究開發

陳文林，王龍曉，安 震，郝麗娜

（1.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110004；2.東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110004）

據建設部統計資料，2012年上半年，全國共曝光了52起塔機事故，52起塔機事故中死亡45人，57受傷人[1]。根據近年來塔吊事故統計情況，主要有以下幾種問題：第一、塔吊的長時間使用導致其疲勞損壞。操作人員違規吊運超過最大安全載荷的重物，造成塔吊橫臂梁掉落、塔身斷裂等事故；第二、操作人員出現失誤而造成重物從吊鉤墜落；第三、塔吊在工作過程中與周圍相近的建筑物或其他設施碰撞，或者有塔吊群一起工作時互相造成碰撞；第四、在惡劣天氣下（如大風、暴雨等天氣）為了趕工期而繼續施工導致翻塔、塔身折斷或者塔吊與建筑物以及其他塔吊碰撞等事故。

由于國家對建筑行業安全的重視度越來越高，相應的塔吊監控系統在國內的發展速度也越來越快。2010年，黑龍江的戚本志等人設計了實現建筑塔吊單機運行和群塔干涉作業防碰撞的實時監控與聲光報警系統[2]，提高了塔吊在工作過程運行的安全性。2008年西安的彭萬倉等人設計了一款基于編碼技術的塔吊防碰撞系統[3]。2011年中北大學開發了一套塔吊懸臂角度無線監測系統，有效地解決了塔臂在運行過程中角度狀態的實時監測。2008年Shapira A，Rosenfeld Y，Mizrahi I設計了一套基于視覺監控系統的塔式起重機，解決了塔吊操作者的視覺死角，開闊了操作者的視野[4]。歐美地區塔吊制造技術比較先進，多數歐美塔吊制造商所制造的塔式起重機均自帶塔吊運行監測系統，所以單獨針對塔吊監控系統的而建立的公司數量較少。單獨的塔吊監控技術是近幾年發展起來的，采用了許多先進的技術，如利勃海爾、波坦、特雷克斯、WOLFFKRAN、JASO、MORROW、GEDA 等歐美知名品牌企業所生產的塔吊。這些塔吊制造商運用多種新技術，比如德國企業制造的塔吊采用微波傳感定位技術防止塔吊碰撞；英國企業制造的塔吊將先進近場感應技術加入監控系統等。其中國外最為著名的SMIE公司推出最新一代的AC30塔吊防撞系統，該系統能夠阻止塔吊設備在特定的區域運行，這些特定的區域包括醫院、電力設備、學校、廣場等公共區域。

本文設計的遠程塔吊遠程上鎖及控制系統，能夠對塔吊進行遠程上鎖，避免施工方在惡劣的天氣環境下違章作業，同時基于GPRS的無線傳輸模塊能夠實現對塔吊的遠程控制，防碰撞檢測系統可以及時的檢測到障礙物，防止塔吊與塔吊以及塔吊吊籃與建筑物等其他物體的碰撞。提高了塔吊操作的安全性，能夠避免塔吊操作不當以及惡劣氣候下違章操作等帶來的安全事故。

1 總體設計

嵌入式系統與無線通信技術相結合的應用模式是當今電子科技發展的主流，本文研究利用PC機、GPRS無線通信模塊以及單片機的塔吊遠程上鎖及控制方案。該系統遠程上位機采用VB語言來編寫監控中心軟件，并通過PC運行。下位機包括GPRS模塊和單片機，兩者之間由RS-232接口進行連接。PC端監控中心通過Internet網絡-GPRS網絡對下位機發送指令和獲取從下位機發回的信息。下位機獲取命令后由單片機控制執行機構對塔吊進行上鎖和控制。本系統的設計總體路線圖如圖1所示。

圖1 本系統設計整體路線圖Fig.1 The route of system design

2 系統硬件設計

本系統的硬件主要指遠端執行系統的硬件，主要由GPRS無線收發模塊、89C51單片機控制模塊、繼電器執行機構、串口通信模塊。GPRS無線模塊、單片機以及單片機控制的執行機構構成，無線模塊和單片機由RS-232相連。GPRS無線模塊通過GPRS無線網絡獲得命令后，通過RS-232及時地傳輸給單片機，單片機得到命令后并分析，最后根據命令通過繼電器對塔吊進行相應的動作控制。本系統的硬件電路結構圖如圖2所示。

圖2 系統主要電路結構圖Fig.2 The main circuit structure diagram

GPRS無線模塊[5-6]，本設計采用的是北京振鴻偉業公司所生產的GPRSDTU，內置SIMCom公司生產的SIM900無線模塊。SIM900完全采用SMT封裝形式，同時采用了功能強大的ARM926EJ-S芯片處理器。GPRSDTU集成了標準的RS-232接口以及SIM卡接口，可以在PC機上用AT命令通過串口對其進行設置和調試。它不同于普通的GPRS模塊，它是一種實現RS-232/485與TCP/UDP/IP協議透明轉換的嵌入式設備，能夠滿足用戶對數據進行無線傳輸業務的需求。可以方便地為遠程數據通訊提供無線接口，可以實現將嵌入式系統直接與Internet相連，實現網絡的互連互通。適用于工業控制中的數據實時傳輸、工業抄表以及遠程測控等[7]。

本設計控制器采用AT89C52單片機[8]，通過串口，實現與GPRS模塊的通信，完成對PC機的指令接收，實現對塔吊的上鎖和控制。單片機和GPRS無線通信模塊之間、在PC端調試單片機時以及利用PC機對GPRS無線通信模塊調試時，均采用標準的RS-232接口來實現通信傳輸。由于RS-232電平和單片機TTL電平并不相同，在RS-232信號的傳輸過程中是用-3~-15 V表示1，+3~+15 V表示0，而在PCB板上TTL電平一般以5 V表示1，0 V表示0。這樣以來就必須在單片機和PC之間加上電平轉換芯片。SP3232芯片可以良好的使得電平進行高低轉換。

3 系統軟件設計

信息技術的不斷發展，使得各個領域對計算機的網絡化的依賴性變的更大，計算機網絡在各個應用領域地位變得不可取代，建立在TCP/IP協議[9-10]技術基礎之上的網絡互聯也發展的很快。然而TCP/IP協議的開發編程比較復雜，Visual Basic 6.0提供了基于Windows Sockets網絡編程接口的Winsock控件，它使開發通訊程序變得簡單方便。本上位機軟件設計流程圖如圖3所示，打開上位機界面首先進入的是用戶驗證界面，輸入賬號和密碼進行驗證，如果密碼連續三次輸入錯誤就會自動退出軟件，密碼正確就會進入控制界面，用戶在控制界面可以對塔吊進行遠程上鎖、解鎖和控制，控制指令通過互聯網發送。

圖3 上位機系統軟件設計流程圖Fig.3 Host computer software design flowchart

監控系統上位機PC端是整個塔吊遠程上鎖及控制系統的操作中心。它肩負著跟遠程塔吊使用現場中的控制終端進行通信，通過對獲取的和本地的數據進行處理，并對遠程控制終端發送相關上鎖及控制指令。監控中心的主要功能介紹如下：

1）查看功能：監控中心利用VB ADO控件與數據庫連接，可查看到各個設備的具體參數，如設備ID號，SIM手機卡號，端口號以及是否上鎖等狀態。

2）連接與斷開功能：點擊操作界面上的連接設備或者斷開連接，可以相應地連接或斷開所選擇的設備。

3）控制功能：對整個控制中心監控的所有塔吊設備進行上鎖或者解鎖。通過點擊上鎖或者解鎖，將控制命令下發給遠程監控終端，讓遠程監控終端在指定的方案中運行。

4）存儲數據功能：存儲運行過程中產生的信息放到本地數據庫當中，以便于針對具體目的塔吊進行控制。

5）安全性：為了監控中心操作的安全，登陸監控中心必須驗證用戶名和密碼，防止對監控中心進行人為的非法操作。

6）模擬功能：對塔吊和建筑物的相對位置進行模擬，使用戶能方便直觀的看到現場塔吊和建筑物的相對位置。

4 實驗應用

對所設計的上位機軟件進行實際操作測試，驗證系統是否可靠，具體操作步驟如下：

1）登陸界面：監控中心為了安全管理，對所有用戶操作人員都要進行相應權限驗證，并設置相應的登錄密碼，登錄密碼界面如圖4所示。

圖4 系統登陸界面Fig.4 The interface of logining on the system

2）主操作界面：監控中心的主操作界面如圖5所示，在設備情況一欄中以圖表的形式顯示監控中心所監控所有設備的主要信息，并實時查看塔吊的上鎖以及解鎖狀態；在連接設備一欄中，可對圖表中所選中的設備進行連接或者斷開連接；上鎖控制一欄中，對選取的設備進行相應的鎖定或者解鎖控制；運動控制一欄中，可對圖表中選中的設備進行相應的控制，如橫梁順時針或者逆時針旋轉，塔吊小車拉近或者遠離等操作。

圖5 操作界面Fig.5 Operation interface

3）模擬界面：在對塔吊進行現場安裝時記錄下塔吊的位置，并對建筑物的最大障礙尺寸進行測量。最大障礙尺寸即設想出采用一個立方體，這個立方體能夠正好完全地容納所要進行施工的建筑物。根據現場情況建立如圖所示的坐標系，原點（0，0）點為現場左上角點，以此點開始往右為X軸正向，往下為Y軸正向，建筑物和塔吊均包含在此坐標系內。

①建筑物輪廓模擬：如圖所示，在各點坐標參數一欄輸入“第一點位置坐標”和“第三點位置坐標”，點擊“位置預覽”按鈕即可看見如圖6所示的建筑物的最大方形輪廓。

圖6 位置預覽例圖Fig.6 Location preview case diagram

圖7 位置預覽前界面示意圖Fig.7 Before previewing the location schematic diagram

例如在各點坐標參數內輸入相應的坐標值（舉例說明），點擊“位置預覽”可得到以下結果，圖8右半部分的陰影即為建筑物最大障礙尺寸，圖中的斜線表示塔吊初始位置。位置預覽示意圖如圖8所示。

經過實驗測試，通過本系統可以穩定的實現對塔吊上鎖和遠程控制，驗證本系統運行可靠。

5 結 論

本文針對當前我國的塔吊使用現狀以及利用現有的網絡資源（GPRS無線網絡和Internet網絡），研究開發了能有效降低塔吊事故并方便塔吊租賃市場的塔吊遠程上鎖及控制系統。系統充分利用了現有的移動無線通信網絡進行組網結構設計，實現了從塔吊工作現場到監控中心數據服務器之間的無線數據傳輸，很大程度上的降低了企業的運營成本。實現了數據傳輸、處理和發布的實時性、安全性和綜合性，并建立了在時間和空間上無縫的塔吊上鎖及控制的體系。

圖8 位置預覽示意圖Fig.8 Previewing the location schematic diagram

[1]王秀麗.基于WinSock的網絡應用程序的開發研究[J].消費電子，2012（10）:77-77.WANG Xiu-li.The research and development of based on the WinSock network application[J].Consumer Electronics Magazine，2012（10）:77-77.

[2]戚本志，焦春奇，戚瑩.塔吊遠程安全監控系統的研究與設計[J].價值工程，2010，242（2）:242-243.QI Ben-zhi，JIAO Chun-qi，QI Ying.The research and design of tower crane remote security monitoring system[J].Value Engineering，2010，242（2）:242-243.

[3]彭萬倉，王水波，王金州.基于編碼技術的塔吊防碰撞系統設計[J].計算機應用技術，2008.51（4）:51-58.PENG Wan-cang，WANG Shui-bo，WANG Jin-zhou.The design of based on the coding technology of tower crane collision systemdesign[J].Computer Applications Technology，2008，51（4）:51-58.

[4]Shapira A，Rosenfeld Y，Mizrahi I.基于視覺監控系統的塔式起重機[J].建筑工程管理，2008，134（5）：320-332.Shapira A，Rosenfeld Y，Mizrahi I.Vision system for tower cranes[J].Constr.Eng.Manage.，2008.134（5）:320-332.

[5]陳亞平.基于GPRS技術的城市路燈監控終端研制 [D].鎮江：江蘇大學，2010.

[6]羅超.單片機GPRS智能終端及遠程工業監控技術研究[D].長沙：中南大學，2009.

[7]楊俊宇.面向制造單元的遠程監控和診斷系統研究[D].南京：東南大學，2004.

[8]姜書政，王桂海.基于 AT89S52單片機的電機控制系統設計[J].現代電子技術，2010，33（7）:138-140.JIANG Shu-zheng，WANG Gui-hai.The motorcontrolsyste mdesignbased on AT89S52[J].Modern Electronics Technique，2010，33（7）:138-140.

[9]高永強，李翠蓮.VB中基于TCP/IP協議的點對點文件傳輸[N].長治學院報，2012，29（5）:34-38.

[10]周建軍.了解 TCP/IP協議[N].電腦報，2000.