基于物聯網的塔機遠程安全監控系統設計*

陳 根 ，易治國

（1.湖南鐵路科技職業技術學院鐵道工程與信息學院，湖南 株洲 412000；2.湖南省高鐵運行安全保障工程技術研究中心，湖南 株洲 412000）

塔式起重機作為建筑行業中使用最為廣泛的工程設備之一，其安全可靠運行是工程項目順利進行的重要保障[1]。研究表明，塔機運行參數（風速、起重量、幅度及回轉等）是影響其安全運行的重要因素[1-2]，因此，亟需對塔機運行監控開展相關研究，建立在線監控系統實現對塔機運行參數的實時數據采集。我國的塔機監控系統目前主要通過傳感器現場布線的方式，然而這種方法存在如下問題：布線困難[3]、監測節點靈活性差；實時性較差[4]，當塔機發生違規作業時不能及時進行預警；監控現場組網能力差，難以形成塔機群監控網絡。針對這些問題，課題組設計了一種基于物聯網的塔機遠程安全監控系統。首先，各個測量終端采集施工現場各臺塔機風速、起重、幅度及回轉等運行參數，然后對采集到的塔機數據進行數字濾波以提高測量準確性和可靠性，最后將濾波后的參數通過WSN網絡發送至網絡中的協調器節點，協調器節點將收集到的塔機運行參數通過網關遠程發送至監控中心，從而實現對塔機運行狀態的在線監控。測試結果表明：該系統能夠為塔機作業安全管理提供有效技術支持。

1 系統總體設計

塔機運行安全監控系統的架構由塔機參數感知層、塔機參數傳輸層及塔機參數應用層三部分組成，系統整體架構如圖1所示。1）感知層。感知層由ZigBee測量節點、ZigBee協調器節點、傳感檢測裝置、網關組成，負責塔機風速、起重、幅度、回轉角度的數據測量和轉發，若檢測值超過預設閾值則進行預警。2）傳輸層。傳輸層實現對感知層采集到的塔機運行狀態數據的遠程無線傳輸。3）應用層。應用層實現對塔機運行狀態數據的收集，并通過組態軟件實現對塔機運行狀態的過程監控[5-6]。

圖1 系統整體架構

2 系統硬件設計

2.1 終端節點設計

終端節點結構如圖2所示。終端節點由STM32處理器、CC2530處理器、傳感器、信號處理電路、存儲模塊、報警模塊、供電電源和LCD顯示模塊等組成。STM32處理器首先對信號處理電路輸出的信號進行AD轉換和模擬量變換，然后將轉換得到的數據進行數字濾波，最后將濾波后的數據通過串口傳送給CC2530處理器，CC2530處理器通過RF模塊將數據發送至協調器節點；當塔機發生違規作業時，STM32處理器驅動報警模塊進行預警，提示監理工作人員進行處理。

圖2 終端節點結構圖

2.2 協調器節點設計

協調器節點由STM32處理器、CC2530處理器、網關、LCD顯示模塊、報警模塊、調試模塊、存儲模塊等組成。CC2530處理器通過RF模塊接收終端節點發送過來的塔機運行參數，然后將接收到的塔機運行參數通過串口傳輸給STM32處理器，STM32處理器對接收到的數據進行LCD顯示、分析預警，最后通過網關模塊將塔機運行參數遠程發送給監控中心。協調器節點結構如圖3所示。

圖3 協調器節點結構圖

2.3 信號處理模塊設計

對傳感器輸出的信號首先進行放大處理，然后再接入CC2530處理器進行AD轉換最終得到實際塔機運行參數值。本系統中采用差分放大電路、RC低通濾波電路和電壓跟隨器[7]，對傳感器輸出的電壓信號進行處理。傳感信號處理電路如圖4所示。

圖4 傳感信號處理電路

根據運算放大器的虛短和虛斷原則[7-8]，求得輸出電壓U0為：

電路中的R1=R3，R2=R4。因此，公式（1）可簡化為：

由于U1和U0之間通過RC低通濾波電路和電壓跟隨器相連，因而抑制了高頻噪聲，提高了輸入阻抗。

3 系統軟件設計

3.1 終端節點軟件設計

終端節點由數據采集模塊和數據發送模塊兩部分組成。數據采集模塊軟件流程如圖5所示，當通電后，系統首先進行初始化，然后便進行AD轉換，再調用濾波算法對轉換后的結果進行數字濾波，數據顯示至LCD，最后將數據通過串口傳輸至數據發送節點。數據發送模塊軟件流程如圖6所示，當系統上電后，首先進行初始化，然后申請加入網絡，當加入網絡后，便進入睡眠模式，等待定時中斷信號來臨，當中斷信號到來后，讀取串口數據并將數據發送至協調器節點，然后便再次進入睡眠模式等待下次中斷信號到來。

圖5 數據采集模塊軟件流程圖

圖6 數據發送模塊軟件流程圖

3.2 數據濾波設計

建筑施工現場環境較為復雜，目標信號中常摻雜有一定的噪聲數據，為提高測量的準確性和可靠性，本系統將滑動平均濾波算法和限幅濾波算法結合。該算法不僅能抑制隨機干擾，還能濾掉偶然出現的大脈沖干擾，下面給出該算法[9-10]的推導過程。

上式在存儲區中開辟了數據長度為N的隊列，隊尾每進來一個最新數據，隊頭便出去一個最老數據，隊列在運算過程中始終保持N個最新數據，同時對每次進入隊列的最新數據進行限幅處理，從而濾掉偶然出現的大脈沖干擾。

3.3 協調器節點軟件設計

協調器節點負責對終端節點的數據進行接收和轉發[11-14]，協調器節點的數據發送模塊軟件流程圖如圖7所示。當節點通電后，協調器節點將接收到的數據顯示至LCD并進行數據分析預警，當超過預設閾值時便進行預警，最后將塔機數據通過網關無線傳輸至監控中心。

圖7 數據發送模塊軟件流程圖

4 運行結果及分析

通過對系統開展聯調聯試，硬件上實現了數據采集，軟件上實現了塔機作業過程監控。焊接好的終端節點實物如圖8所示，監控系統登錄界面如圖9所示，監控組態顯示界面如圖10所示。

圖8 焊接好的終端節點實物

圖9 監控系統登錄界面

圖10 監控組態顯示界面

5 結論

本研究設計了一種基于物聯網的塔機遠程安全監控系統，實現了對塔機運行參數的實時數據采集。當發生塔機吊裝違規作業時，能及時進行預警并提示現場監理人員；同時通過GPRS網絡遠程將信息傳輸至上位機，實現了遠程在線監控。測試結果驗證了系統的有效性和可靠性。