基于M odbus/TCP協(xié)議的塔式起重機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)

張敏三，劉海龍

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412000）

基于M odbus/TCP協(xié)議的塔式起重機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)

張敏三，劉海龍

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412000）

針對(duì)塔式起重機(jī)分布式、高效及安全運(yùn)行的作業(yè)需求，設(shè)計(jì)了基于Modbus/TCP協(xié)議的塔機(jī)無線監(jiān)控管理系統(tǒng)。以Cortex A8、WinCE6為平臺(tái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控前端，對(duì)塔機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用Modbus/TCP協(xié)議設(shè)計(jì)了無線通訊報(bào)文，通過GPRS與遠(yuǎn)程管理中心雙向通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)群的遠(yuǎn)程監(jiān)控和統(tǒng)一管理。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行證明系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，具有良好的應(yīng)用前景。

Modbus協(xié)議；嵌入式系統(tǒng)；TCP/IP無線通信；智能監(jiān)控

塔式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱塔機(jī)）是現(xiàn)代施工中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行工況復(fù)雜、高空作業(yè)且操作難度大，極易引發(fā)重大安全事故。近年來，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展及塔機(jī)在施工中的廣泛應(yīng)用，塔機(jī)事故頻發(fā)，且呈逐年上升趨勢(shì)［1］。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，為提高工作效率，經(jīng)常有塔機(jī)單位違規(guī)連續(xù)超載作業(yè)和塔機(jī)超齡使用等問題，大大增加了塔機(jī)事故的風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)標(biāo)GB/T5031-2008規(guī)定：起重機(jī)械必須強(qiáng)制安裝安全監(jiān)控裝置，須對(duì)塔機(jī)的工作狀態(tài)、額定能力及危險(xiǎn)因素進(jìn)行監(jiān)控與記錄，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)布至遠(yuǎn)程監(jiān)管中心平臺(tái)［2］。因此，開發(fā)低成本、穩(wěn)定高效的塔機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于塔機(jī)應(yīng)用安全領(lǐng)域具有重要意義。

系統(tǒng)主要針對(duì)影響塔機(jī)作業(yè)安全的重要參數(shù)如傾斜角度、防碰撞信息、吊重、力矩、幅度、高度、風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，通過人機(jī)界面給塔機(jī)操作人員提供參考，并起到“黑匣子”功能；采用GPRS模塊通過TCP/IP方式實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)管中心無縫鏈接，管理人員可通過Internet在線實(shí)現(xiàn)對(duì)轄區(qū)內(nèi)所有塔機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與統(tǒng)一管理。

1　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)主要由塔機(jī)監(jiān)控終端、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心及TCP/IP無線網(wǎng)絡(luò)3部分組成。監(jiān)控終端采用ARM Cortex A8為核心CPU，主要對(duì)塔機(jī)運(yùn)行傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理，通過UARTRS485連接的GPRS模塊采用TCP/IP方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心平臺(tái)；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心綁定有固定的IP地址和端口號(hào)，通過Internt網(wǎng)絡(luò)接收和管理GPRS發(fā)送來的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)發(fā)送管理人員的操作指令給相應(yīng)的塔機(jī)終端；TCP/IP無線網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)MODBUS通信協(xié)議，在保證數(shù)據(jù)安全及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上具有良好的延展性，非常適用于復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)工況，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)采用ARM9 Cortex A8微處理器為核心CPU，主要由傳感器采集網(wǎng)絡(luò)、報(bào)警與控制電路、10.4寸觸摸屏顯示器、GPRS/GPS無線模塊、ZigBee無線通信模塊等部分組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)采用高性能、低功耗ARM9 Cortex A8微處理器為控制核心，基于S5PV210內(nèi)核，標(biāo)準(zhǔn)工作主頻為1G，采用32 bit單通道數(shù)據(jù)總線，512 M DDR2內(nèi)存，完美支持Wince6、Linux等嵌入式操作系統(tǒng)。GPRS模塊采用廣州致遠(yuǎn)ZWG-28 A，支持全透明數(shù)據(jù)通道，內(nèi)嵌TCP/IP、UDP等協(xié)議，可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)無線、遠(yuǎn)程、網(wǎng)絡(luò)化通信方式，又可與Inernet實(shí)現(xiàn)無縫連接，非常適合嵌入式系統(tǒng)環(huán)境。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2　監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)

3　基于M odbus/TCP協(xié)議的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)

Modbus協(xié)議是Modicon公司開發(fā)的一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議，屬于主從網(wǎng)絡(luò)，是一種基于應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，協(xié)議采用一個(gè)主機(jī)對(duì)一個(gè)或多個(gè)從機(jī)通信，采用命令/應(yīng)答模式［3］。其中主機(jī)服務(wù)器與塔機(jī)監(jiān)控終端之間通過鏈接TCP/IP方式進(jìn)行交互，服務(wù)器端建立TCP/IP監(jiān)聽，終端負(fù)責(zé)發(fā)啟注冊(cè)請(qǐng)求，連接建立后服務(wù)器由接收終端上報(bào)的心跳數(shù)據(jù)包判斷TCP連接狀態(tài)。報(bào)文類型采用Modbus請(qǐng)求幀與Modbus響應(yīng)幀實(shí)現(xiàn)命令/應(yīng)答報(bào)文傳輸。協(xié)議報(bào)文類型如圖3所示。

圖3　Modbus/TCP協(xié)議報(bào)文類型

Modbus支持兩種幀結(jié)構(gòu)RTU和ASCⅡ模式，在ASCⅡ模式中，報(bào)文信息的每個(gè)字節(jié)單元被分成兩個(gè)半字節(jié)單元，每個(gè)半字節(jié)單元轉(zhuǎn)換為7位ASCⅡ字符傳送［4］。在數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中，包括幀頭、幀長(zhǎng)度、幀流水號(hào)、協(xié)議號(hào)、命令符、數(shù)據(jù)載荷、CRC校驗(yàn)和幀尾等子域，其中數(shù)據(jù)載荷類型由命令符選定。本系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制中心與塔機(jī)監(jiān)控終端的通信幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1　M odbus協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

4　RS485總線通訊設(shè)計(jì)

在本監(jiān)控系統(tǒng)中，RS485總線構(gòu)成了系統(tǒng)主從式多機(jī)串行總線通訊方式。塔機(jī)監(jiān)控終端采集的數(shù)據(jù)按照Modbus協(xié)議進(jìn)行編碼后，采用TCP/IP方式通過RS485總線發(fā)布給遠(yuǎn)程監(jiān)管中心，并負(fù)責(zé)接收由遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器斷返回的控制指令并控制塔機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。服務(wù)器與下位機(jī)之間采用雙半工通訊方式，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過從機(jī)GPRS模塊SIM號(hào)作為唯一IP標(biāo)識(shí)進(jìn)行識(shí)別［5］。

監(jiān)控終端系統(tǒng)基于WinCE6系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與編寫，WinCE6是一種32位多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的中斷機(jī)制、線程調(diào)度體系和良好的實(shí)時(shí)性，完全能夠保證系統(tǒng)需求的時(shí)間和性能要求［6］。在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中，設(shè)備的物理地址空間須映射到虛擬地址空間才能被內(nèi)核程序調(diào)用，物理地址由總線地址通過譯碼器確定［7］，采用VirtualAlloc（）函數(shù)申請(qǐng)?zhí)摂M地址空間后，通過VirtualCopy（）函數(shù)把物理地址和虛擬地址聯(lián)系起來。

串口驅(qū)動(dòng)本身分為MDD層和PDD層。MDD層對(duì)上層的Device Manager提供了標(biāo)準(zhǔn)的流設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口（COM_xxx），PDD層實(shí)現(xiàn)了HWOBJ結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)中若干針對(duì)于串口硬件操作的函數(shù)指針。

驅(qū)動(dòng)編寫好之后配置其他加載文件，在工程的Platform. reg中添加UART1.dll，當(dāng)加載驅(qū)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)由Device.exe取得驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)表位置信息；然后在工程中Platform.bib文件中添加二進(jìn)制映像代碼；在驅(qū)動(dòng)文件中，創(chuàng)建名稱為Makefile、UART1.def和sources等文件，用于定義驅(qū)動(dòng)中需輸出的應(yīng)用層接口函數(shù)、指定要生成的動(dòng)態(tài)庫(kù)、動(dòng)態(tài)庫(kù)函數(shù)及指定需被編譯的文件源代碼等。在Platform Builder編譯器中，采用Builtand Sysgen將驅(qū)動(dòng)程序編譯入系統(tǒng)映像NK.bin文件，最后將NK.bin文件通過USB燒寫硬件平臺(tái)中［8-9］。

5　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

基于ARM CortexA8為硬件平臺(tái)，結(jié)合嵌入式軟件MFC構(gòu)建友好的人機(jī)界面，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)影響塔機(jī)安全數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄，監(jiān)控終端觸摸屏人機(jī)界面運(yùn)行效果如圖4所示。

圖4　觸摸屏人機(jī)界面

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，傳感器值在去兩端除極值的情況下，采用均值濾波系數(shù)小于12時(shí)，電流型傳感器重量、力矩?cái)?shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)偶爾跳躍，易導(dǎo)致控制電路誤動(dòng)作，綜合考慮，均值濾波系數(shù)選取18、24兩種，系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。數(shù)據(jù)按Modbus協(xié)議編寫后通過RS485及GPRS模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔機(jī)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，用戶可通過Internet實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理塔機(jī)的運(yùn)行。

6　結(jié)　論

塔機(jī)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)對(duì)塔機(jī)的安全運(yùn)行及統(tǒng)一管理具有重要作用，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)大部分類似產(chǎn)品實(shí)時(shí)性較差、性能單一、精度低、缺乏遠(yuǎn)程監(jiān)控功能等問題，設(shè)計(jì)了基于Modbus/TCP通信的塔機(jī)無線監(jiān)控管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了穩(wěn)定、高效、擴(kuò)展性良好的Modbus通信協(xié)議，開發(fā)了基于wince6嵌入式系統(tǒng)上的RS485設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，構(gòu)建設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)塔機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集與本地管理，通過GPRS和構(gòu)建WEB服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔機(jī)群的遠(yuǎn)程監(jiān)控和統(tǒng)一管理，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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The w irelessmonitoring system of tower cranes based on M odbus/TCP protocol

ZHANGMin-san，LIU Hai-long
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412000，China）

For the demand of the tower crane with distributed，efficient and safe operation，the wireless monitoring managementsystem ofa tower crane is designed based on Modbus/TCPprotocol in this paper.In order tomonitor the operation state information of the tower crane real-time，the system monitor front-end is designed by using the platform with Cortex A8 and WinCE6.Wireless communication message is designed by using Modbus/TCP protocol and the remote monitoring and unifiedmanagementof the tower cranes are realized by the two-way communication of GPRSand remotemanagement center. The stable and reliable of the system is proved by the field operation and the system hasgood application prospect.

Modbus/TCP protocol；embedded system；TCP/IP wireless communication；ntelligent montoring

TN302

A

1674-6236（2016）19-0102-03

2015-10-01稿件編號(hào)：201510001

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（15C0905）

張敏三（1957—），男，湖南株洲人，高級(jí)工程師。研究方向：電子技術(shù)和自動(dòng)化控制。