基于S3C6410的造船門式起重機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)

陳慶，劉海龍

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

基于S3C6410的造船門式起重機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)

陳慶，劉海龍

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

針對目前造船門機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在通信方式、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和數(shù)據(jù)存儲等方面的不足，設(shè)計(jì)了以S3c6410 ARM11為硬件平臺的門機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)；系統(tǒng)采用Zigbee無線組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對各分布式傳感器監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與處理，能夠在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)問題并參與控制；移植了嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite3.0對關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲，實(shí)現(xiàn)"黑匣子"記錄功能；經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能有效地保障造船門機(jī)運(yùn)行安全，提高工作效率，具有良好的應(yīng)用前景。

安全監(jiān)控；S3C6410；Zigbee無線傳輸；SQLite數(shù)據(jù)庫

造船門式起重機(jī)（簡稱門機(jī)）是船舶制造中必不可少的關(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，隨著船舶工業(yè)的發(fā)展及門機(jī)在船舶制造中的廣泛應(yīng)用，施工中事故頻發(fā)，且呈逐年上升趨勢[1]。由于造船門機(jī)體積龐大、覆蓋范圍廣且同時(shí)具有四路主載重吊鉤，目視操作難度較大；在現(xiàn)場施工中，為提高工作效率，常有操作人員違規(guī)超載作業(yè)和重要部件超齡使用等問題，大大增加了門機(jī)事故的風(fēng)險(xiǎn)。國標(biāo)GB/T5031-2008規(guī)定：大型起重機(jī)械必須強(qiáng)制安裝安全監(jiān)測裝置，須對設(shè)備的工作狀態(tài)、額定能力及危險(xiǎn)因素進(jìn)行監(jiān)控與記錄[2]。傳統(tǒng)造船門機(jī)安全監(jiān)控裝置普遍采用機(jī)械式的，主要由操作人員的經(jīng)驗(yàn)來保證，缺少動態(tài)監(jiān)控與顯示。林衛(wèi)國[3]等提出了一種以單片機(jī)核心的門機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，雖然在性能上有所提高，但監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)單一，且采用通信電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，安裝繁瑣、線路易老化，對傳輸信號干擾影響系統(tǒng)整體功能。因此，開發(fā)集成度高、穩(wěn)定高效的安全監(jiān)控系統(tǒng)對于門機(jī)應(yīng)用安全領(lǐng)域具有重要意義。

系統(tǒng)主要針對影響門機(jī)作業(yè)安全的重要參數(shù)如四路吊重、傾斜角度、防碰撞信息、小車幅度、運(yùn)行速度、高度、風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過人機(jī)界面為門機(jī)操作人員提供參考，并起到“黑匣子”功能；儀表連接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在線對轄區(qū)內(nèi)所有門機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)一管理。

1 總體結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)主要由無線傳感器終端、智能監(jiān)控儀表和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成。傳感器子系統(tǒng)采用單片機(jī)對編碼器數(shù)據(jù)采集與處理，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送給S3C6410監(jiān)控儀表；安裝在駕駛室內(nèi)的監(jiān)控儀表接收數(shù)據(jù)與處理分析，為門機(jī)操作人員提供參考的同時(shí)，并將有關(guān)數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過Internt網(wǎng)絡(luò)接收和管理智能儀表發(fā)送來的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

智能監(jiān)控儀表采用高性能、低功耗的S3C6410 ARM11微處理器為核心CPU，外圍由Zigbee模塊、GPRS/GPS模塊、報(bào)警與控制電路、觸摸屏顯示器和存儲單元等部分組成。S3C6410微處理器基于ARM1176JZF內(nèi)核，標(biāo)準(zhǔn)工作主頻600M，具有4通道UART，完美支持Linux、Android等嵌入式操作系統(tǒng)[4]。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架

2 主要電路設(shè)計(jì)與分析

2.1 Zigbee無線通信電路

Zigbee通信是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有低成本、低功耗、低復(fù)雜度等特點(diǎn)[5]。在門機(jī)系統(tǒng)中，每個(gè)傳感器采集點(diǎn)通過89C51單片機(jī)連接Zigbee模塊形成一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)與S3C6410監(jiān)控儀表進(jìn)行“多對一”數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)分布式傳感器數(shù)據(jù)的采集。Zigbee模塊數(shù)據(jù)輸入RXD1、輸出TXD1分別連接至SP3232EEN芯片RXD0、TXD0引腳，通過轉(zhuǎn)換后對應(yīng)連接于S3C6410 CPG2～5引腳，從而實(shí)現(xiàn)無線模塊與主控芯片的數(shù)據(jù)通信。硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 Zigbee無線通信電路設(shè)計(jì)圖

2.2 “黑匣子”存儲電路設(shè)計(jì)

“黑匣子”存儲電路實(shí)時(shí)記錄門機(jī)動態(tài)運(yùn)行參數(shù)，數(shù)據(jù)采用 Excel表格形式按日期分類進(jìn)行存儲，按照國標(biāo) GB/ T5031-2008規(guī)定：歷史數(shù)據(jù)存儲量不小于90天。因此系統(tǒng)采用8GB SDHC高速存儲卡，具有大容量、高性能、安全等特點(diǎn)。SDHC的DATA0～DATA3，LCK（時(shí)鐘線）、CMD（命令線）分別連接至S3C6410GPG7～GPG10、GPE5和GPE4引腳，實(shí)現(xiàn)DATA0～DATA3串行數(shù)據(jù)傳輸和存儲[6]。主要電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 SDHC存儲電路設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 SQLite3.0數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的快速存儲及動態(tài)更新，移植SQLite3.0數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)管理。SQLite3.0為目前應(yīng)用最廣泛的嵌入式數(shù)據(jù)庫，它支持ACID特性、系統(tǒng)開銷小、支持SQL92標(biāo)準(zhǔn)、檢索效率高，非常適合嵌入式領(lǐng)域[8]。其體系結(jié)構(gòu)自底而上分為操作系統(tǒng)接口層、存儲管理層、虛擬機(jī)層、用戶接口層，內(nèi)部分為內(nèi)核 （Core）、SQL編譯器（SQL Compiler）、后端（Backend）、附件（Accessories）等四個(gè)核心組件，其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

編譯 sqlite3-amalgamation-3_7_5數(shù)據(jù)庫源代碼得到sqlite3.dll、sqlite3.lib文件作為應(yīng)用程序的支持庫，采用類CppSQLite3U進(jìn)行C++封裝好后提供專用API調(diào)用接口，程序直接調(diào)用API函數(shù)可方便地實(shí)現(xiàn)大容量本地?cái)?shù)據(jù)管理，如進(jìn)行查詢、搜索、加密、U盤導(dǎo)出與GPRS發(fā)送等操作，相關(guān)代碼如下：

圖4 SQLite3.0數(shù)據(jù)庫內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，軟件執(zhí)行系統(tǒng)初始化功能，包含看門狗、系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O口、VS1003B模塊、Zigbee模塊、控制電路復(fù)位等，初始化完成后儀表對原設(shè)定參數(shù)進(jìn)行讀取，并利用WaitForMultipleObject（）函數(shù)等待對應(yīng)事件，事件發(fā)生后做出相應(yīng)的處理；當(dāng)檢測數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)啟動SQLite3.0數(shù)據(jù)庫線程，實(shí)現(xiàn)對門機(jī)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的存儲；同時(shí)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)布通過GPRS模塊連接Internet網(wǎng)路，構(gòu)建的Web服務(wù)器完成對數(shù)據(jù)的接收，實(shí)現(xiàn)了對門機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。軟件工作流程如圖5所示。

圖5 門機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工作流程圖

4 現(xiàn)場測試結(jié)果

基于S3C6410 ARM11為硬件平臺，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)Embedded Compact7構(gòu)建友好的人機(jī)界面，很好地實(shí)現(xiàn)了對影響造船門機(jī)安全數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄。通過現(xiàn)場測試表明，Zigbee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)采用Modbus通信協(xié)議，采用均值濾波系數(shù)大于12時(shí)，電流型傳感器重量、力矩?cái)?shù)據(jù)穩(wěn)定，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。通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)了對門機(jī)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，用戶可通過Internet實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理門機(jī)的運(yùn)行。監(jiān)控終端觸摸屏人機(jī)界面運(yùn)行效果如圖6所示。

圖6 觸摸屏人機(jī)界面

5結(jié) 論

系統(tǒng)通過Zigbee無線組網(wǎng)的模式對各分布式傳感器監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集與控制，并實(shí)現(xiàn)了保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)到黑匣子、違章運(yùn)行聲光提示報(bào)警、上位機(jī)集中監(jiān)控等功能?？朔藗鹘y(tǒng)機(jī)械保護(hù)監(jiān)控模式的不足，是機(jī)械保護(hù)裝置的良好替代產(chǎn)品，對于保障造船門機(jī)的安全運(yùn)行具有重要作用。長期現(xiàn)場運(yùn)行表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]徐鵬程.造船門式起重機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)的思考[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2013，26（125）:170-175.

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[3]許明，閆旻.基于ARM11和WinCE的溫室大棚嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（3）:88-90.

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The wireless monitoring system of shipbuilding gantry cranes based on S3C6410

CHEN Qing，LIU Hai-long
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412000，China）

For the insufficient of the present monitoring and control system of the crane in communication mode，monitoring data and data is stored；the system of gantry crane safety monitoring and control based on S3c6410 ARM11 is designed in this paper.The Zigbee wireless networking is used to collect and deal with the distributed sensor monitoring，and it can find the problems and to control in the shortest time.To realize the"black box"record function，the SQLite3.0 embedded database is transplanted to real-time storage the Critical data.It is confirmed that the system operation is stable and reliable that can guarantee the monitoring and control system operation security and improving work efficiency，and it has a good application prospect.

safety monitoring；S3C6410；Zigbee wireless transmission；SQLite database

TN302

A

1674－6236（2016）18-0054-03

2015-10-03 稿件編號：201510004

湖南省教育廳科學(xué)研究青年項(xiàng)目（15B155）

陳 慶（1980—），男，湖南株洲人，碩士，講師，工程師。研究方向：電氣自動化，自動化控制。