塔吊遠(yuǎn)程上鎖及控制系統(tǒng)研究開發(fā)

陳文林，王龍曉，安 震，郝麗娜

（1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110004）

據(jù)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)資料，2012年上半年，全國(guó)共曝光了52起塔機(jī)事故，52起塔機(jī)事故中死亡45人，57受傷人[1]。根據(jù)近年來(lái)塔吊事故統(tǒng)計(jì)情況，主要有以下幾種問(wèn)題：第一、塔吊的長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致其疲勞損壞。操作人員違規(guī)吊運(yùn)超過(guò)最大安全載荷的重物，造成塔吊橫臂梁掉落、塔身斷裂等事故；第二、操作人員出現(xiàn)失誤而造成重物從吊鉤墜落；第三、塔吊在工作過(guò)程中與周圍相近的建筑物或其他設(shè)施碰撞，或者有塔吊群一起工作時(shí)互相造成碰撞；第四、在惡劣天氣下（如大風(fēng)、暴雨等天氣）為了趕工期而繼續(xù)施工導(dǎo)致翻塔、塔身折斷或者塔吊與建筑物以及其他塔吊碰撞等事故。

由于國(guó)家對(duì)建筑行業(yè)安全的重視度越來(lái)越高，相應(yīng)的塔吊監(jiān)控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展速度也越來(lái)越快。2010年，黑龍江的戚本志等人設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)建筑塔吊單機(jī)運(yùn)行和群塔干涉作業(yè)防碰撞的實(shí)時(shí)監(jiān)控與聲光報(bào)警系統(tǒng)[2]，提高了塔吊在工作過(guò)程運(yùn)行的安全性。2008年西安的彭萬(wàn)倉(cāng)等人設(shè)計(jì)了一款基于編碼技術(shù)的塔吊防碰撞系統(tǒng)[3]。2011年中北大學(xué)開發(fā)了一套塔吊懸臂角度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效地解決了塔臂在運(yùn)行過(guò)程中角度狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。2008年Shapira A，Rosenfeld Y，Mizrahi I設(shè)計(jì)了一套基于視覺監(jiān)控系統(tǒng)的塔式起重機(jī)，解決了塔吊操作者的視覺死角，開闊了操作者的視野[4]。歐美地區(qū)塔吊制造技術(shù)比較先進(jìn)，多數(shù)歐美塔吊制造商所制造的塔式起重機(jī)均自帶塔吊運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所以單獨(dú)針對(duì)塔吊監(jiān)控系統(tǒng)的而建立的公司數(shù)量較少。單獨(dú)的塔吊監(jiān)控技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的，采用了許多先進(jìn)的技術(shù)，如利勃海爾、波坦、特雷克斯、WOLFFKRAN、JASO、MORROW、GEDA 等歐美知名品牌企業(yè)所生產(chǎn)的塔吊。這些塔吊制造商運(yùn)用多種新技術(shù)，比如德國(guó)企業(yè)制造的塔吊采用微波傳感定位技術(shù)防止塔吊碰撞；英國(guó)企業(yè)制造的塔吊將先進(jìn)近場(chǎng)感應(yīng)技術(shù)加入監(jiān)控系統(tǒng)等。其中國(guó)外最為著名的SMIE公司推出最新一代的AC30塔吊防撞系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠阻止塔吊設(shè)備在特定的區(qū)域運(yùn)行，這些特定的區(qū)域包括醫(yī)院、電力設(shè)備、學(xué)校、廣場(chǎng)等公共區(qū)域。

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程塔吊遠(yuǎn)程上鎖及控制系統(tǒng)，能夠?qū)λ踹M(jìn)行遠(yuǎn)程上鎖，避免施工方在惡劣的天氣環(huán)境下違章作業(yè)，同時(shí)基于GPRS的無(wú)線傳輸模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)塔吊的遠(yuǎn)程控制，防碰撞檢測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)的檢測(cè)到障礙物，防止塔吊與塔吊以及塔吊吊籃與建筑物等其他物體的碰撞。提高了塔吊操作的安全性，能夠避免塔吊操作不當(dāng)以及惡劣氣候下違章操作等帶來(lái)的安全事故。

1 總體設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用模式是當(dāng)今電子科技發(fā)展的主流，本文研究利用PC機(jī)、GPRS無(wú)線通信模塊以及單片機(jī)的塔吊遠(yuǎn)程上鎖及控制方案。該系統(tǒng)遠(yuǎn)程上位機(jī)采用VB語(yǔ)言來(lái)編寫監(jiān)控中心軟件，并通過(guò)PC運(yùn)行。下位機(jī)包括GPRS模塊和單片機(jī)，兩者之間由RS-232接口進(jìn)行連接。PC端監(jiān)控中心通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)-GPRS網(wǎng)絡(luò)對(duì)下位機(jī)發(fā)送指令和獲取從下位機(jī)發(fā)回的信息。下位機(jī)獲取命令后由單片機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)塔吊進(jìn)行上鎖和控制。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體路線圖如圖1所示。

圖1 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體路線圖Fig.1 The route of system design

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件主要指遠(yuǎn)端執(zhí)行系統(tǒng)的硬件，主要由GPRS無(wú)線收發(fā)模塊、89C51單片機(jī)控制模塊、繼電器執(zhí)行機(jī)構(gòu)、串口通信模塊。GPRS無(wú)線模塊、單片機(jī)以及單片機(jī)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成，無(wú)線模塊和單片機(jī)由RS-232相連。GPRS無(wú)線模塊通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲得命令后，通過(guò)RS-232及時(shí)地傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)得到命令后并分析，最后根據(jù)命令通過(guò)繼電器對(duì)塔吊進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作控制。本系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主要電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The main circuit structure diagram

GPRS無(wú)線模塊[5-6]，本設(shè)計(jì)采用的是北京振鴻偉業(yè)公司所生產(chǎn)的GPRSDTU，內(nèi)置SIMCom公司生產(chǎn)的SIM900無(wú)線模塊。SIM900完全采用SMT封裝形式，同時(shí)采用了功能強(qiáng)大的ARM926EJ-S芯片處理器。GPRSDTU集成了標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口以及SIM卡接口，可以在PC機(jī)上用AT命令通過(guò)串口對(duì)其進(jìn)行設(shè)置和調(diào)試。它不同于普通的GPRS模塊，它是一種實(shí)現(xiàn)RS-232/485與TCP/UDP/IP協(xié)議透明轉(zhuǎn)換的嵌入式設(shè)備，能夠滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸業(yè)務(wù)的需求?？梢苑奖愕貫檫h(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊提供無(wú)線接口，可以實(shí)現(xiàn)將嵌入式系統(tǒng)直接與Internet相連，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互連互通。適用于工業(yè)控制中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、工業(yè)抄表以及遠(yuǎn)程測(cè)控等[7]。

本設(shè)計(jì)控制器采用AT89C52單片機(jī)[8]，通過(guò)串口，實(shí)現(xiàn)與GPRS模塊的通信，完成對(duì)PC機(jī)的指令接收，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔吊的上鎖和控制。單片機(jī)和GPRS無(wú)線通信模塊之間、在PC端調(diào)試單片機(jī)時(shí)以及利用PC機(jī)對(duì)GPRS無(wú)線通信模塊調(diào)試時(shí)，均采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口來(lái)實(shí)現(xiàn)通信傳輸。由于RS-232電平和單片機(jī)TTL電平并不相同，在RS-232信號(hào)的傳輸過(guò)程中是用-3~-15 V表示1，+3~+15 V表示0，而在PCB板上TTL電平一般以5 V表示1，0 V表示0。這樣以來(lái)就必須在單片機(jī)和PC之間加上電平轉(zhuǎn)換芯片。SP3232芯片可以良好的使得電平進(jìn)行高低轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

信息技術(shù)的不斷發(fā)展，使得各個(gè)領(lǐng)域?qū)τ?jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化的依賴性變的更大，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域地位變得不可取代，建立在TCP/IP協(xié)議[9-10]技術(shù)基礎(chǔ)之上的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)也發(fā)展的很快。然而TCP/IP協(xié)議的開發(fā)編程比較復(fù)雜，Visual Basic 6.0提供了基于Windows Sockets網(wǎng)絡(luò)編程接口的Winsock控件，它使開發(fā)通訊程序變得簡(jiǎn)單方便。本上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示，打開上位機(jī)界面首先進(jìn)入的是用戶驗(yàn)證界面，輸入賬號(hào)和密碼進(jìn)行驗(yàn)證，如果密碼連續(xù)三次輸入錯(cuò)誤就會(huì)自動(dòng)退出軟件，密碼正確就會(huì)進(jìn)入控制界面，用戶在控制界面可以對(duì)塔吊進(jìn)行遠(yuǎn)程上鎖、解鎖和控制，控制指令通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送。

圖3 上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Host computer software design flowchart

監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)PC端是整個(gè)塔吊遠(yuǎn)程上鎖及控制系統(tǒng)的操作中心。它肩負(fù)著跟遠(yuǎn)程塔吊使用現(xiàn)場(chǎng)中的控制終端進(jìn)行通信，通過(guò)對(duì)獲取的和本地的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)遠(yuǎn)程控制終端發(fā)送相關(guān)上鎖及控制指令。監(jiān)控中心的主要功能介紹如下：

1）查看功能：監(jiān)控中心利用VB ADO控件與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，可查看到各個(gè)設(shè)備的具體參數(shù)，如設(shè)備ID號(hào)，SIM手機(jī)卡號(hào)，端口號(hào)以及是否上鎖等狀態(tài)。

2）連接與斷開功能：點(diǎn)擊操作界面上的連接設(shè)備或者斷開連接，可以相應(yīng)地連接或斷開所選擇的設(shè)備。

3）控制功能：對(duì)整個(gè)控制中心監(jiān)控的所有塔吊設(shè)備進(jìn)行上鎖或者解鎖。通過(guò)點(diǎn)擊上鎖或者解鎖，將控制命令下發(fā)給遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，讓遠(yuǎn)程監(jiān)控終端在指定的方案中運(yùn)行。

4）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能：存儲(chǔ)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的信息放到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，以便于針對(duì)具體目的塔吊進(jìn)行控制。

5）安全性：為了監(jiān)控中心操作的安全，登陸監(jiān)控中心必須驗(yàn)證用戶名和密碼，防止對(duì)監(jiān)控中心進(jìn)行人為的非法操作。

6）模擬功能：對(duì)塔吊和建筑物的相對(duì)位置進(jìn)行模擬，使用戶能方便直觀的看到現(xiàn)場(chǎng)塔吊和建筑物的相對(duì)位置。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

對(duì)所設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)際操作測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)是否可靠，具體操作步驟如下：

1）登陸界面：監(jiān)控中心為了安全管理，對(duì)所有用戶操作人員都要進(jìn)行相應(yīng)權(quán)限驗(yàn)證，并設(shè)置相應(yīng)的登錄密碼，登錄密碼界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)登陸界面Fig.4 The interface of logining on the system

2）主操作界面：監(jiān)控中心的主操作界面如圖5所示，在設(shè)備情況一欄中以圖表的形式顯示監(jiān)控中心所監(jiān)控所有設(shè)備的主要信息，并實(shí)時(shí)查看塔吊的上鎖以及解鎖狀態(tài)；在連接設(shè)備一欄中，可對(duì)圖表中所選中的設(shè)備進(jìn)行連接或者斷開連接；上鎖控制一欄中，對(duì)選取的設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的鎖定或者解鎖控制；運(yùn)動(dòng)控制一欄中，可對(duì)圖表中選中的設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，如橫梁順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，塔吊小車?yán)蛘哌h(yuǎn)離等操作。

圖5 操作界面Fig.5 Operation interface

3）模擬界面：在對(duì)塔吊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)記錄下塔吊的位置，并對(duì)建筑物的最大障礙尺寸進(jìn)行測(cè)量。最大障礙尺寸即設(shè)想出采用一個(gè)立方體，這個(gè)立方體能夠正好完全地容納所要進(jìn)行施工的建筑物。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況建立如圖所示的坐標(biāo)系，原點(diǎn)（0，0）點(diǎn)為現(xiàn)場(chǎng)左上角點(diǎn)，以此點(diǎn)開始往右為X軸正向，往下為Y軸正向，建筑物和塔吊均包含在此坐標(biāo)系內(nèi)。

①建筑物輪廓模擬：如圖所示，在各點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)一欄輸入“第一點(diǎn)位置坐標(biāo)”和“第三點(diǎn)位置坐標(biāo)”，點(diǎn)擊“位置預(yù)覽”按鈕即可看見如圖6所示的建筑物的最大方形輪廓。

圖6 位置預(yù)覽例圖Fig.6 Location preview case diagram

圖7 位置預(yù)覽前界面示意圖Fig.7 Before previewing the location schematic diagram

例如在各點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)內(nèi)輸入相應(yīng)的坐標(biāo)值（舉例說(shuō)明），點(diǎn)擊“位置預(yù)覽”可得到以下結(jié)果，圖8右半部分的陰影即為建筑物最大障礙尺寸，圖中的斜線表示塔吊初始位置。位置預(yù)覽示意圖如圖8所示。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)本系統(tǒng)可以穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)對(duì)塔吊上鎖和遠(yuǎn)程控制，驗(yàn)證本系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)當(dāng)前我國(guó)的塔吊使用現(xiàn)狀以及利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源（GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)），研究開發(fā)了能有效降低塔吊事故并方便塔吊租賃市場(chǎng)的塔吊遠(yuǎn)程上鎖及控制系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有的移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從塔吊工作現(xiàn)場(chǎng)到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，很大程度上的降低了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸、處理和發(fā)布的實(shí)時(shí)性、安全性和綜合性，并建立了在時(shí)間和空間上無(wú)縫的塔吊上鎖及控制的體系。

圖8 位置預(yù)覽示意圖Fig.8 Previewing the location schematic diagram

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