基于ZigBee通信的一字梯安全監測研究

賴青嵐

(國網泉州供電公司，福建 泉州 362000)

1 引言

供電企業負責變電站、配電室、開閉所和所有線路的運維檢修工作，作業量大、作業時間長、作業人員缺乏，因此作業工程中經常存在安全隱患，特別是登高作業安全問題尤為突出。

運維和檢修作業過程中，經常需要使用一字梯進行高處巡視和檢修工作。電網檢修作業過程中，明確規定在變電站或配電室內一字梯搬運應采用兩人放倒搬運；使用一字梯過程中，嚴禁傾斜角度超過60度；且要求每個梯子要有限高標識，嚴禁作業過程中人員超過限高標識作業；同時要求，一字梯應能夠承受作業人員和所攜帶工具、材料的總重量。

然而，實際工作過程中，經常出現違反《安規》的現象，有人立著搬運梯子，有的超重上梯作業，有的梯子傾斜角度偏離太多，這些現象都給人身、設備和電網帶來嚴重的威脅。可見，研制一款一字梯安全監測裝置，對加強登高巡視和檢修等工作的安全管控至關重要。

2 概念介紹

2.1 傳感器

傳感器是一種信息或數據監測裝置，它通過對所測量或感應的對象進行信息或數據采集，然后轉換成電信號等其他方式的數據輸出，以滿足信息或數據的采集、傳輸和儲存等功能。

2.2 ZigBee通信

ZigBee基于IEEE 802.15.4標準的低功耗局域網協議，是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術，它可以適應無線傳感器的低花費、低能量、高容錯性等的要求。

與傳統星型、點對點、網狀網絡采用最低成本節點為所有聯網設備提供覆蓋的架構不同，ZigBee采用動態、自主的路由協議，基于AODV的路由技術。

這種獨特的架構使ZigBee擁有近距離、低復雜度、自組織、低功耗、高數據速率的特點。

2.3 閾值比較法

閾值比較法的原理：前端感應器將采集到的傾斜度、重量等數據信號轉變為無線電波等，然后以ZigBee通信方式，傳輸到控制單元模塊。控制單元模塊將信號轉化為具體數據與預先設置的參數進行比較，當超過預先設定的參數時，輸出“違章作業”、“禁止攀登”或“停止作業”等報警信號。

閾值比較法作為一字梯安全監測算法，對于傾斜度、承重、觸摸情況的監測精確，實施簡單，編程方便。

3 功能設計

研制一款監測裝置，通過各種傳感器監測傾斜角、重量和人員數量，通過報警器提示現場作業人員違章行為，從而遏制現場違章行為，實現作業現場安全管控，提高現場作業人員的安全性。具體功能設計如下：

(1)監測一字梯的傾斜度；

(2)監測是否有人扶梯；

(3)監測一字梯是否承載過重；

(4)監測一字梯是否兩人放倒搬運；

(5)監測是否超過限高工作；

(6)報警提示；

(7)違章記錄。

4 系統架構設計

一字梯安全監測裝置的系統架構主要由三部分組成：數據采集層、數據傳輸層和數據處理層，如圖1所示。

圖1 一字梯安全監測通信結構圖

數據采集層采用多種傳感器相融合的方法對一字梯傾斜度、一字梯當前承重、是否有人扶梯、是否超過限高作業、是否兩人放倒搬運等情況進行采集；數據傳輸層采用ZigBee通信，對每個傳感器的數據進行匯總、傳輸至處理層；數據處理層負責對底層的數據進行分析、對比和處理運算，對運維檢修現場使用一字梯安全情況進行研判，并提供良好的人機交互界面[1]。

5 裝置結構

監測裝置分解為四大模塊，硬件模塊結構如圖3所示。其中感應模塊用于監測作業人員數據；報警模塊用于提示作業人員違章行為；控制單元模塊用于數據采集及算法處理，并得出結果；外觀設計完成各模塊的組裝，使監測裝置產品化。

圖2 硬件結構圖

5.1 感應模塊

一字梯安全監測裝置配置傾斜度感應模塊實時監測一字梯的傾斜度，并將數值傳送給控制單元模塊；重量感應模塊實時監測一字梯的承重，并將數值傳送給控制單元模塊；扶手感應模塊實時監測一字梯是否在使用、是否有人扶梯，并將數值傳送給控制單元模塊；限高感應模塊實時監測是否有人超過限高作業，并將數值傳送給控制單元模塊。

5.2 報警模塊

一字梯安全監測裝置優選語音模塊和告警模塊相結合，語音模塊播報現場作業情況是否符合現在安全作業規范條例；告警模塊用于違章警示和聲光提醒。

5.3 控制單元模塊

控制單元模塊為一字梯安全監測器的核心，主要包括CPU、存儲模塊、USB模塊、通信輸出模塊、信號復歸、手動報警、電源電路、鍵盤控制、液晶顯示和聲光報警等。如圖3所示。它主要功能包括：

圖3 控制單元模塊結構圖

(1)經載波通信模塊接收數據和發送指令；

(2)數據存儲、數據處理和數據顯示；

(3)通過鍵盤輸入每個采集模塊的最低和最高報警值，當數值越限時聲光報警；

(4)可通過人工手動報警和信號復歸。

5.4 外觀設計

外觀設計主要用于產品各模塊的組裝，使監測裝置產品化，如圖4和圖5所示。

圖4 外觀設計正面結構圖

圖5 外觀設計反面結構圖

6 軟件架構

一字梯安全監測裝置的軟件程序框架如圖6所示。

圖6 軟件框架圖

程序中判斷部分是安全監測程序的核心部位，使用閾值比較法作為一字梯安全監測核心算法。

閾值比較法分為閾值點判斷和閾值區間判斷兩類[2]。

(1)閾值點判斷。以閾值比較法的傾斜度感應模塊為例，假設傾斜度下限設定為45°，上限設定為65°。當一字梯安全監測裝置的傾斜度感應模塊監測到一字梯傾斜度大于65度或小于45°，則判斷可能違章作業，進行違章作業進一步研判。

(2)閾值區間判斷。以閾值比較法的重量感應模塊為例，閾值區間判斷不同于閾值點判斷，作業人員的體重不確定，扶梯的人力度不確定，梯子的傾斜度不確定，但正常情況下，架設承重上限100kg，且波動幅度平緩。當發生超重違章作業時，承重將遠大于100kg，且數據平穩，波動平緩，就判定可能發生違章作業，進行違章作業進一步研判。

采用閾值比較法作為一字梯安全監測算法，把閾值點判斷和閾值區間判斷兩種方式結合起來，大大提提高安全研判的精度。

7 結束語

本文介紹了一種對作業現場使用一字梯安全情況進行數據采集、分析、存儲和處理，實現一字梯傾斜度、承重、是否有人扶梯、是否兩人放倒搬運等情況監測的一字梯安全監測裝置。它能實現警示違章和違章提醒功能，實現一字梯使用過程中的在線安全管控。一字梯安全監測裝置充分考慮安全性、經濟性、可靠性和可擴展性，它監測的范圍大，安裝方便、使用簡單、擴展簡單。