基于無線網技術的塔機集群動態防碰撞系統

劉海龍+張敏三

摘 要：針對建設工地大量采用的塔機群對安全、高效作業的需求，文章設計開發了基于ZigBee無線通信的塔機集群動態防碰撞系統。系統以Cortex-A8為硬件核心，嵌入式Linux4.2內核為軟件平臺，利用無線網絡組網快速、節點布置方式靈活的特點，實現了塔機群間的三維動態信息交互，建立了塔機群控模型和動態防碰撞算法。現場測試表明，系統能有效地保障塔機群安全可靠運行，具有良好的應用前景。

關鍵詞：Linux；無線組網；動態防碰撞；Cortex-A8

1 基于多傳感器融合技術和ZigBee無線通信技術的塔式起重機

塔式起重機（簡稱塔機）大規模應用于工程建設中，又極易引發重大安全事故。近年來，國內建筑起重機設備事故頻發，且呈逐年上升趨勢[1]。為提高工作效率，在同一施工現場經常需要布置多臺塔機集群近距離交叉作業，這樣大大增加了塔機群間碰撞的危險，導致重大安全事故的發生。國標GB/T5031-2008規定：起重機械必須強制安裝安全監控裝置，須對塔機的工作狀態、額定能力及碰撞危險因素進行監控與記錄[2]。因此，開發低成本、穩定高效的塔機無線動態防碰撞系統對于塔機應用安全領域具有重要意義。

本系統采用多傳感器融合技術及ZigBee無線通信組網技術對周邊塔機進行精確位置定位、運動軌跡預測，通過動態防碰撞算法獲得塔機的潛在碰撞預報警及控制信息，有效防止塔機間碰撞事故的發生。ZigBee技術作為一種短距離無線通信，具有低功耗、低成本及高度智能化等特點，是一組基于IEEE 802.15.4無線標準的組網通信技術，具有十分廣闊的應用前景，已經成為國內外公認的新興前沿熱點研究領域[3]。

2 系統的整體結構與功能

塔機群無線安全防碰撞系統主要由各塔機監控終端、ZigBee無線傳輸網絡、上位機監控終端組成，整體結構如圖1所示。

各塔機監控終端為安裝在塔機駕駛室內的嵌入式監控儀表，是安全監控前端的基礎硬件平臺，主要負責采集本塔機傳感器網絡數據實現實時本地監控，并通過連接的ZigBee無線模塊形成一個網絡節點，是構成整個無線網絡的基礎。ZigBee無線傳輸網絡采用分布式控制模式，即每個監控終端節點都是一個獨立的子系統，通過相應算法能獨立判斷周圍危險障礙物并作出相應控制。上位機終端為主控制中心，主要負責管理整個無線網絡子系統，實現了系統的雙重保障。

3 監控終端的硬件結構設計

系統硬件平臺由Cortex-A8微處理器、傳感器采集網絡、報警與控制電路、觸摸屏顯示器、GPRS/GPS模塊、ZigBee無線通信模塊等部分組成，系統的整體框架如圖2所示。

系統采用低功耗、高性能的工業級Cortex-A8微處理器為控制核心，標準工作主頻為600 MHz，采用10級NEON媒體流水線 10-stage NEON media pipe-line，并有先進的分支預測技術，并且用的NEON整型和浮點型管線進行媒體和信號處理。ZigBee模塊采用廣州致遠2.4 GHz ZM2410，內嵌透明傳輸（點對點和點對多點）通信協議，采用RS485接口，最高無線通信速度可達1 Mbps，非常適用于嵌入式系統環境。

4 基于Linux4.2內核系統的ZigBee智能組網

系統防碰撞組網無線網絡采用TI最新的Z-Stack-CC2530-2.2.2版本的協議棧，在其基礎上對3類網絡節點功能進行軟件開發，ZigBee協議棧的基本結構如圖3所示。

4.1 ZigBee協議棧分ZigBee聯盟定義IEEE802.15.4

標準定義兩部分。ZigBee聯盟定義應用層和網絡安全層[4]。如圖3所示，應用層主要用于對應用框架模型進行開發應用，網絡安全層則負責數據管理、組網連接和網絡安全等；IEEE802.15.4是IEEE確定的低速率無線局域網標準，該標準定義了介質訪問控制層（MAC）和物理層（PHY）；介質訪問控制層主要負責產生同步信號和網絡信號，并處理物理無線信道訪問請求。物理層主要負責物理層數據服務和管理服務，并定義了物理無線信道和介質訪問控制層之間的接口。

網絡的第一個設備是網關節點，主要負責網絡的建立。系統上電初始化后啟動Zstack協議棧，根據Config.cfg的頻率設置搜索信道[5]；在確定信道可用后通過網關節點配置網絡參數建立網絡連接。網絡連接建立后網關節點開始不停地對一定范圍之內的區域搜索查看是否有節點加入請求，如果收到外來節點的加入請求，本網關節點就會響應加入并自動分配新節點網絡地址，并更新本地路由表信息。在建立網關和節點的通信后就可以實現相互無線通信，接收的數據通過控制器標準SPI接口從內部寄存器直接傳送給USB控制器。網關節點的程序流程如圖4所示。

4.2 塔機群建模與動態防碰撞算法設計

塔機群防碰撞涉及多個靜態和運動對象之間在三維空間中相交計算方法，具有復雜的時間和空間關系。本系統擬采用層次空間包圍體相交檢測算法，根據塔機的空間對象關系劃分為3層包圍體形式，本算法一方面采用包圍體形式代替了復雜的塔機部件幾何形狀，減少了計算復雜度，同時采用層次方法是利用空間對象關系優化檢測算法，進一步降低檢測計算開銷提高計算效率，另一方面，采用層次包圍體方法在空間上包含了所有塔機部件，在檢測效果上具有很高的可靠性和實用性。本項目防碰撞算法的核心思想是：先利用最外層包圍體的相交檢測排除不可能發生相碰的塔機，再利用子包圍體和相交檢測排除不可能發生碰撞的塔機部件，最后利用基于求異面線段距離的碰撞檢測算法進行精確檢測，最終得出結果。

采用包圍體的目的是利用體積略大規則的幾何體形狀代替復雜的幾何對象進行相交計算，降低了計算復雜度和提高運行效率。在空間對象碰撞檢測領域，空間對象的包圍體有多種形式，主要包括沿坐標軸包圍體（AABB）、球包圍體（Spheres）、方向性包圍體（OBB）等。根據塔機的具體空間形狀與運動關系，在本算法中我們選擇球包圍體方法，其特點是幾何體構造和相交測試簡單，同時當物體發生旋轉運動時，包圍體不需要做任何更新，符合塔機運動情況。本算法所采用的多級包圍體形式如圖5所示。

5 現場測試結果

基于Linux4.2內核嵌入式操作系統的基礎上，結合MFC軟件編程構建友好的人機界面，實現了對影響塔機安全數據的實時監控與記錄，并構建了實時安全防碰撞網絡。通過現場測試表明，去除極值的情況下，系統濾波系數小于等于8時，回轉監控數據會出現偶爾跳躍，容易導致控制電路誤動作，綜合考慮，本系統濾波系數選取16和32兩種，供客戶設置，系統數據穩定可靠，可穩定滿足現場工況需求。

6 結語

本文針對在同一施工場地多臺塔機近距離交叉作業及可能發生碰撞，設計開發了基于Linux4.2內核及ZigBee技術的塔機安全監控與防碰撞系統。針對目前國內大部分類似產品實時性差、精度低、缺乏塔機群動態防碰撞功能等問題，系統采用工業級Cortex-A8為硬件核心，開發了基于Linux4.2內核下ZigBee技術無線網絡，采用多級包圍圈防碰撞算法實現了對塔機群的相互動態防碰撞預報警及安全控制，通過現場調試，系統穩定可靠，確保塔機安全運行的同時，有效地提高了塔機群的作業效率，具有良好的市場前景。

[參考文獻]

[1]吳學松.論道塔機安全與可持續發展[J].建筑機械化，2011（1）：21-23.

[2]中國國家標準化委員會.塔式起重機GB/T 5031—2008[S]. 中國國家標準化委員會，2008（8）：20-21.

[3]尚曉新.基于ZigBee無線通信技術天然氣管道監控系統設計[J].制造業自動化，2012（7）：70-73.

[4]張亞磊，段志善.基于超聲傳感器和Kalman濾波的塔式起重機防碰撞研究[J].起重運輸機械，2010（10）：31-34.

[5]鄭聰海，李彥明，楊山虎，等.總線構架和裁剪化IEEE1451標準的塔機智能檢測系統[J].計算機測量與控制，2010（7）：1992-1996.