一種建筑塔吊地面操控裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曾昭獻(xiàn)　馬永軍

摘 要：針對(duì)目前的建筑塔吊操作控制裝置中操作人員工作環(huán)境惡劣，安全隱患大這一現(xiàn)狀，文章設(shè)計(jì)了一種無需高空作業(yè)的地面操作控制裝置，運(yùn)用了實(shí)時(shí)高清數(shù)字視頻處理、物聯(lián)網(wǎng)、無線WIFI、51單片機(jī)微控制等技術(shù)，闡述了地面操控裝置的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：高清數(shù)字視頻；物聯(lián)網(wǎng)；硬盤錄像機(jī)

1 概述

建筑塔吊是建筑機(jī)械的關(guān)鍵設(shè)備，在高層建筑施工中起著重要的作用，同時(shí)，對(duì)它的操控是建筑施工安全中最關(guān)鍵的因素。目前的建筑塔吊操作控制裝置有兩種作業(yè)方式：高空作業(yè)和現(xiàn)場(chǎng)遙控作業(yè)方式。高空作業(yè)方式，操作人員工作環(huán)境極為不便，在幾十米高的踏架上爬上爬下，安全隱患大；現(xiàn)場(chǎng)遙控作業(yè)方式，操作人員視線有限，容易造成塔吊工作盲區(qū)和安全事故。

隨著電子科技的迅速發(fā)展，高清數(shù)字實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)、WIFI、微控制等技術(shù)在各領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用，鑒于目前建筑塔吊操控方式存在的問題，文章提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用高清數(shù)字視頻技術(shù)和無線傳輸技術(shù)，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)畫面實(shí)時(shí)傳送和監(jiān)控，能在地面進(jìn)行操作的建筑塔吊操控裝置的設(shè)計(jì)方案。

2 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)分兩部分：塔吊施工現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控部分和塔吊操作控制部分。

2.1 視頻監(jiān)控部分設(shè)計(jì)思路

操作人員在地面或室內(nèi)通過安裝在塔吊回旋機(jī)構(gòu)四個(gè)方位的高清晰、高可靠性數(shù)字彩色攝像頭來采集的施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像，并傳至硬盤錄像機(jī)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)處理，根據(jù)在固定位置顯示器或移動(dòng)顯示器上顯示的圖像，對(duì)塔吊進(jìn)行操控。

2.2 塔吊操作控制部分設(shè)計(jì)思路

手動(dòng)或遙控操作手柄發(fā)出操作指令，送入51單片機(jī)微控制芯片經(jīng)數(shù)據(jù)處理輸出驅(qū)動(dòng)指令，以驅(qū)動(dòng)塔吊的各功能電機(jī)正常工作。同時(shí)通過小車行程、塔臂回轉(zhuǎn)角度、塔吊力矩、起升電機(jī)過載等傳感器采集的數(shù)據(jù)送入51單片機(jī)微控制芯片經(jīng)程序和數(shù)據(jù)處理發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令，以啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和報(bào)警電路，保證塔吊的安全生產(chǎn)。

3 操控裝置的硬件組成

系統(tǒng)硬件主要包括7個(gè)模塊：視頻圖像采集模塊、視頻處理模塊、視頻顯示模塊、塔吊工作信息采集模塊、操作模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、塔吊驅(qū)動(dòng)及聲光報(bào)警模塊。硬件組成如圖1所示。

4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 視頻圖像采集

視頻圖像采集模塊中四臺(tái)攝像頭的安裝位置和用途如圖2所示。所有攝像頭采用高清晰彩色數(shù)字?jǐn)z像頭。所采集的施工現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像接入硬盤錄像機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，球型攝像頭配備云臺(tái)控制器。

4.2 視頻圖像處理

視頻圖像處理模塊采用大華DH-NER硬盤錄像機(jī)為視頻圖像主處理模塊。該型硬盤錄像機(jī)為嵌入式微控制系統(tǒng)，集計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、視頻數(shù)據(jù)處理、圖像合成、存儲(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)等最新技術(shù)于一體，是本裝置圖像控制中心，可同時(shí)處理八路視頻信號(hào)，輸出一路VGA、一路HDMI視頻。接入無線路由器，可輸出無線WIFI信號(hào)。施工現(xiàn)場(chǎng)采集的四路圖像接入硬盤錄像機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，視頻顯示合成，一路輸出至大屏幕顯示器，一路經(jīng)無線路由器輸出至移動(dòng)顯示器，視頻格式為MPEG4，無線傳輸速率達(dá)500KB。同時(shí)通過TCP/IP協(xié)議接入Internet，實(shí)現(xiàn)建筑管理人員的遠(yuǎn)程監(jiān)控。視頻圖像處理工作過程如圖3所示，硬盤錄像機(jī)操作主界面如圖4所示。

4.3 視頻顯示

根據(jù)裝置的設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的視頻圖像進(jìn)行高清晰彩色顯示。硬盤錄箱機(jī)VGA輸出信號(hào)分辨率最大為：1280x1024。所選用的顯示器具有以下性能：最佳分辨率： 1680x1050，視頻接口： D-Sub（VGA），DVI-D。本裝置主顯示器選用SAMSUN 24寸彩色顯示器，輔助顯示器選用SAMSUN 21寸彩色顯示器，移動(dòng)顯示器選用Lenovo/聯(lián)想 A7600 A10-70十寸四核平板電腦。移動(dòng)顯示器通過WIFI接入硬盤錄像機(jī)并瀏覽視頻圖像。

4.4 單片機(jī)微控制系統(tǒng)

單片機(jī)微控制系統(tǒng)是本裝置操控的核心系統(tǒng)，本裝置選用技術(shù)成熟，運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠的8位8051單片機(jī)微控制系統(tǒng)。操作模塊發(fā)出的指令，送入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算和處理，發(fā)出指令以驅(qū)動(dòng)塔吊各功能電機(jī)正常工作；同時(shí)塔吊工作信息采集模塊也進(jìn)入正常工作，當(dāng)采集的信息出現(xiàn)異常時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)自鎖裝置并安全報(bào)警，復(fù)位后，重新工作。信息的接入和輸出連接8051單片機(jī)的并行I/O端口，操作控制接入口為：P1.0-P1.7；采集的信息接入口為：P2.0-P2.7；輸出驅(qū)動(dòng)接口為：P3.0-P3.3；遙控操作接入口為：串行接口。運(yùn)行程序建立在C語言平臺(tái)上開發(fā)。程序流程圖如圖5所示。

4.5 塔吊工作信息采集

塔吊工作信息采集模塊是對(duì)塔吊工作時(shí)工作狀態(tài)的信息采集，采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容：小車行程前后極限位置數(shù)據(jù)；塔臂旋轉(zhuǎn)位置數(shù)據(jù)；力矩?cái)?shù)據(jù)；起重過載數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)信息通過A/D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)碼，接入8051單片機(jī)的并行I/O端口：P2.0-P2.7。電路原理框圖如圖6所示。

4.6 塔吊操作控制

本裝置中有手柄操作和遙控操作兩種方式，手柄操作采用左、右手分功能操作，左手柄操控塔臂旋轉(zhuǎn)，右手柄操控小車行走和起重。手柄操作桿選用工業(yè)用操作桿。控制功能如圖7所示。手柄發(fā)出的操控指令為二進(jìn)制碼直接接入8051單片機(jī)的并行I/O端口：P1.0-P1.7。遙控操作選用工業(yè)用塔吊遙控器，發(fā)射與接收采用自鎖回路及高縝密集成電路，有安全碼、漢明碼等相應(yīng)工業(yè)所需安全措施，遙控距離：100米，安全加密碼：43億組永不重復(fù)。遙控發(fā)射器將操作指令編碼并無線發(fā)射，接收器收到信息并解碼，再接入8051單片機(jī)的串行接口。

4.7 塔吊驅(qū)動(dòng)電路和聲光報(bào)警

塔吊驅(qū)動(dòng)電路包括：小車行走和自鎖、塔臂旋轉(zhuǎn)和自鎖、升降電機(jī)和自鎖電路。單片機(jī)發(fā)出指令后，這些驅(qū)動(dòng)電路相應(yīng)動(dòng)作，以驅(qū)動(dòng)各功能電機(jī)工作。在本裝置中延用高空操作方式塔吊成熟電路，與它不同的是控制電路接入方式，本裝置中控制電路接入的驅(qū)動(dòng)指令是8051單片機(jī)發(fā)出。由于8051單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)大電流繼電器困難，在8051單片機(jī)和大電流繼電器之間加了一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。聲光報(bào)警直接由單片機(jī)完成，通過單片機(jī)運(yùn)行程序產(chǎn)生1KHz信號(hào)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，同時(shí)在P3.4端口輸出一個(gè)高電平驅(qū)動(dòng)LED，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

5 結(jié)束語

本裝置將視頻數(shù)字監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)、無線WIFI、單片機(jī)微控制技術(shù)融合在一起，它的實(shí)現(xiàn)，不僅大大改善了塔吊操作人員的工作環(huán)境，同時(shí)也減少了塔吊操作人員安全隱患。因?yàn)橛辛艘曨l存儲(chǔ)，有利于安全事故的調(diào)查和遠(yuǎn)程管理。提高了管理效率和效益，對(duì)高層建筑的安全生產(chǎn)有著重要的意義。

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作者簡(jiǎn)介：曾昭獻(xiàn)，男，九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。

馬永軍，男，九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，主要研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制技術(shù)。