基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的塔吊監(jiān)測控制系統(tǒng)

何瑛

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 人事處，陜西 西安 710089）

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的塔吊監(jiān)測控制系統(tǒng)

何瑛

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 人事處，陜西 西安 710089）

針對國內(nèi)塔吊安全監(jiān)測系統(tǒng)的實際情況，結(jié)合短距離無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的塔吊安全監(jiān)測系統(tǒng)，在分析設(shè)計系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲的基礎(chǔ)上，對硬件各子模塊做了架構(gòu)設(shè)計，同時對系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)、入網(wǎng)等做了詳細設(shè)計，設(shè)計結(jié)果表明該系統(tǒng)方案穩(wěn)定可行，延時較短，容易擴展，可普及性高，具有一定的實用價值。

ZigBee；路由器；協(xié)調(diào)器；協(xié)議棧；原語

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，高層建筑施工強度與難度的提高，塔式起重機（塔吊）的應(yīng)用越來越廣泛。塔吊的實際工作環(huán)境復(fù)雜，且受自重和結(jié)構(gòu)變形等外界因素影響，在拆裝、運行時也會發(fā)生變形，常規(guī)的塔吊安全保障手段主要依賴于定檢、監(jiān)檢及日常維護，無法對塔吊運行情況做到實時掌握，缺乏突發(fā)事故的預(yù)防機制，因此，需設(shè)計一套操作簡易，安裝簡單，容易擴展，可實時觀測塔吊各項參數(shù)，掌握塔吊健康狀況的監(jiān)測系統(tǒng)。

1 通信標(biāo)準(zhǔn)選取

由于塔吊高度的可變性，以及其結(jié)構(gòu)的多樣性，使得有線通信在塔吊上的布線稍顯麻煩，不夠靈活，故而本設(shè)計將選取短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)常見短距離無線通信的傳輸范圍、網(wǎng)絡(luò)容量及傳輸速率，Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以完全滿足塔吊監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求[1]。

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4 G ISM頻段的低功耗個域網(wǎng)，其通信可靠，網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力強，在外接5 dB鞭狀天線的條件下，可傳輸200～250 m。

2 塔吊監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲

塔吊監(jiān)測系統(tǒng)可實時監(jiān)測力矩情況，并向駕駛員展示，當(dāng)力矩超限時，可發(fā)出聲光報警信號，并控制作業(yè)操作，同時可保存塔吊作業(yè)時各節(jié)點的參數(shù)值。塔吊安全監(jiān)測系統(tǒng)由駕駛室終端，吊重采集節(jié)點，吊高采集節(jié)點，轉(zhuǎn)角采集節(jié)點，幅度采集節(jié)點，ZigBee路由器，ZigBee協(xié)調(diào)器以及PC服務(wù)器等組成，各節(jié)點通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)向駕駛室終端和服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，同時可通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)作控制塔吊。

在塔吊監(jiān)測系統(tǒng)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)主要由路由器負責(zé)，在識別加入終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址后，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)路徑傳輸給協(xié)調(diào)器；而ZigBee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起與管理維護，以及新設(shè)備地址分配，節(jié)點的加入與離開等，都由ZigBee協(xié)調(diào)器完成。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3 塔吊監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

塔吊監(jiān)測是基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息采集系統(tǒng)，硬件[2-6]由監(jiān)控中心（上位機）、駕駛室終端、無線接收網(wǎng)關(guān)、無線稱重儀及手持機、無線傾角測量儀、無線張力測量儀組成。每種測量儀由數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理模塊、無線收發(fā)模塊、供電模塊組成?？紤]系統(tǒng)硬件成本，以及開發(fā)難度和開發(fā)時間，ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，將選擇Chipcon公司的CC2430芯片。它支持2.4 GHz，IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議并內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧，而且具有32/64/128 kB閃存、8 kBSRAM等。

圖1 塔吊ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 子模塊設(shè)計方案

3.1.1 稱重測量儀

無線稱重測量儀，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，能承受一定拉力與壓力。與它配合的無線通信數(shù)據(jù)采集模塊，需具有高靈敏度、低功耗、可持續(xù)穩(wěn)定工作等特點。駕駛室終端、無線手持機，采用帶背光的液晶屏幕，可實時顯示接收到的重量值。本設(shè)計中，稱重傳感器的安放位置如圖1所示，在起升鋼絲的末梢固定端，塔吊起重重量應(yīng)位于稱重傳感器最大量程的20%到80%之間。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2 無線稱重測量儀框圖

3.1.2 無線傾角測量儀

無線傾角測量儀，用于測量物體的傾斜角，即俯仰角，它采用高性能MCU及基于3D-MEMS技術(shù)的進口傾角傳感器設(shè)計，并采用無線通信方式輸出測量結(jié)果。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 無線傾角測量儀框圖

3.1.3 無線張力傳感儀

無線張力測量儀，采用專用于鋼絲繩張力測量的，旁壓張力傳感器，它安裝方便、操作簡單、維修容易。鋼絲繩通過U形螺栓固定在傳感器上，受拉力時力通過導(dǎo)向輪作用于傳感器上。安裝時，張力探頭與張力變送器之間采用屏蔽線連接。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 無線張力測量儀邏輯圖

3.2 手持機設(shè)計

手持機包括以下幾個部分：基于單片機的顯示與預(yù)警模塊、CC2430片上系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘和實時時鐘模塊、調(diào)試接口、天線、電源等組成。CC2430片上系統(tǒng)主要完成消息的接收，應(yīng)用于各個子模塊中。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 手持機終端硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 ZigBee路由器設(shè)計

終端節(jié)點系統(tǒng)地設(shè)計理念為低功耗、節(jié)能，故其發(fā)送功率和以及接收范圍有限。然而，塔吊工作環(huán)境復(fù)雜，對無線信號衰減較大，使短距離無線通訊組網(wǎng)覆蓋的范圍進一步縮小。為使ZigBee網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用于環(huán)境較復(fù)雜的建筑工地，有兩種解決途徑，第一，在原網(wǎng)絡(luò)發(fā)射（CC2430）系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加一級射頻前端放大（CC2591），來提高原網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率，從而增加其網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積。前端放大CC2591連接示意圖如圖6所示，第二，可使用方向性較強的天線組合來實現(xiàn)較遠距離的信息采集與傳輸，如八木與平板天線的組合。本設(shè)計中，兩種都有用到，將八木天線用作路由器的發(fā)射天線，而平板天線用于協(xié)調(diào)器接收天線。

圖6 CC2591連接示意圖

4 ZigBee無線模塊軟件設(shè)計

4.1 設(shè)計流程

塔吊監(jiān)測系統(tǒng)軟件[7-13]設(shè)計的整體流程大致可分為兩個部分：第一，ZigBee設(shè)備初始化以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立，其中需要初始化的設(shè)備有，協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設(shè)備等，而建網(wǎng)過程主要包括3個方面，分別為：終端申請加入，路由允許終端加入，以及協(xié)調(diào)器將路由器加入網(wǎng)絡(luò)等；第二，設(shè)備進入正常運行狀態(tài)后，路由器與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將執(zhí)行循環(huán)程序，并通過中斷來接收，來自終端節(jié)點設(shè)備發(fā)出的消息。

4.2 ZigBee無線模塊相關(guān)軟件設(shè)計

TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧符合ZigBee規(guī)范，可以完全運行在CC2430所在的節(jié)點上。Z-Stack運行在操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）上，其任務(wù)的調(diào)度驅(qū)動機制與Windows消息事件驅(qū)動機制相類似，是通過觸發(fā)任務(wù)事件來實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。

ZigBee模塊每層都有相應(yīng)的服務(wù)來完成設(shè)定的工作任務(wù)，而各項服務(wù)通過服務(wù)原語來實現(xiàn)，有以下4類原語較為常用：請求（Request），指示（Indication），響應(yīng)（Response）和確認（Confirm）。

4.2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器

本設(shè)計中，協(xié)調(diào)器與上位機的通信由RS485來完成。在接收到路由節(jié)點，終端節(jié)點的配置信息以及各傳感器所在節(jié)點反饋回的有效數(shù)據(jù)時，這些數(shù)據(jù)將通過RS485完成協(xié)調(diào)器與服務(wù)器間的傳輸與交互。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備應(yīng)具備申請加入與離開已知網(wǎng)絡(luò)的功能。同時，網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器與路由器還應(yīng)具有，允許網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入與離開，以及維護近鄰設(shè)備列表等功能。

ZigBee協(xié)調(diào)器初始化后才能創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)，初始化時，協(xié)調(diào)器通過NLME-NETWORK-FORMATION.Request請求原語來完成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的地址如同IP地址一樣，具有時效性與唯一性，故地址的分配需遵循一定的算法來執(zhí)行。對ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備地址的分配，會用到以下幾個參數(shù)的設(shè)置MAX_DEPTH，MAX_ROUTERS和MAX_CHILDREN等。

其中，網(wǎng)絡(luò)的最大深度由MAX_DEPTH參數(shù)決定，同時該參數(shù)限制了網(wǎng)絡(luò)在物理上的長度，一般情況，協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)深度為0，其子節(jié)點網(wǎng)絡(luò)深度為1，子節(jié)點的下一級節(jié)點深度為2，以此類推；網(wǎng)絡(luò)中路由器或協(xié)調(diào)器可掛接的并列的子節(jié)點個數(shù)由 MAX_CHILDREN參數(shù)決定；而參數(shù)MAX_ROUTER是MAX_CHILDREN的一個子集，它決定了網(wǎng)絡(luò)中某個在網(wǎng)路由器或者某個在網(wǎng)協(xié)調(diào)器，可處理具有路由功能的子節(jié)點最大個數(shù)。

4.2.2 ZigBee路由器

ZigBee路由器類似Internet網(wǎng)絡(luò)中路由器，在通過原語NLME_START_ROUTER初始化后，將實現(xiàn)終端、路由以及協(xié)調(diào)器間的數(shù)據(jù)交互功能。

路由器允許節(jié)點加入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的流程為：首先，在設(shè)置掃描參數(shù)將要掃描的信道以及掃描每個信道的持續(xù)時間之后，應(yīng)用層將發(fā)送NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原語，網(wǎng)絡(luò)層在接收到該原語后，利用MLME-SCAN.Request原語，請求MAC層執(zhí)行主動掃描。其初始化及入網(wǎng)流程如圖7所示。

圖7 路由器初始化及入網(wǎng)流程圖

4.2.3 ZigBee模塊終端程序

當(dāng)在網(wǎng)的路由器或協(xié)調(diào)器允許一個新節(jié)點加入自身所在網(wǎng)絡(luò)時，新加入的節(jié)點將成為允許加入網(wǎng)絡(luò)的路由器或協(xié)調(diào)器節(jié)點的子節(jié)點。子節(jié)點申請加入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的途徑有兩種，第一種是通過MAC層的關(guān)聯(lián)加入，第二種是由其上一級節(jié)點（父節(jié)點）直接加入網(wǎng)絡(luò)。

終端節(jié)點通電后，需分別進行以下幾個初始化過程，硬件、協(xié)議棧、全局中斷、所在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點狀態(tài)、命令幀狀態(tài)等的初始化，然后運行協(xié)議棧。終端節(jié)點將用戶信息通過其上一級，逐級向上發(fā)送至協(xié)調(diào)器，同時也可以接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令與信息，其主流程圖如8圖所示[7-10]。

圖8 終端節(jié)點程序流程圖

5結(jié) 論

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的塔吊監(jiān)測控制系統(tǒng)，是在結(jié)合了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率高，功耗低，網(wǎng)絡(luò)容量大，通信可靠等功能優(yōu)點的基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)的，具有成本低，技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)合理，方便擴展等優(yōu)勢，在實時監(jiān)測掌握塔吊運行情況的同時，增加了突發(fā)事件的預(yù)防機制，提高了塔吊的安全系數(shù)，從而大大降低突發(fā)事件的發(fā)生，對國內(nèi)塔吊安全監(jiān)測系統(tǒng)以及塔吊黑匣子的研究也具有一定的指導(dǎo)意義。

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Tower crane monitoring control system based on ZigBee network

HE Ying
（Personnel Department，Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi'an 710089，China）

For actual situation of domestic crane safety monitoring system，combined with the development of short-range wireless transmission technology，designed a ZigBee-based wireless networks crane safety monitoring system，based on the analysis and design system network topology，hardware sub-module made architecture design，while building a network ZigBee network system，network，and so do the detailed design，the design results show that the system is stable and feasible，shorter delay，easy to expand，high popularity，has some practical value.

ZigBee；router；coordinator；protocol stack；primitive

TN99

A

1674－6236（2016）18-0089-04

2014-12-12 稿件編號：201412105

何 瑛（1982—），女，江蘇常州人，碩士，講師。研究方向：電子、通信、智能控制等。