滿堂扣件式鋼管腳手架安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究

胡乾傳，夏巍，劉閏豪

(安徽建筑大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，腳手架的使用量日益增多，受扣件的質(zhì)量、管理水平等因素影響，隨之而來的腳手架施工中的坍塌事故也越來越多，給人員生命和財產(chǎn)帶來了重大損失。近年來，腳手架的安全問題得到了越來越多的關(guān)注。

目前，在腳手架安全方面的研究已取得了大量的成果。郭佳、何銘華等[1]以實(shí)際工程為例，提出了一種新型碗扣式鋼管腳手架位移監(jiān)測系統(tǒng)，對預(yù)警進(jìn)行了分級，對腳手架可能存在的安全隱患實(shí)時監(jiān)測與預(yù)警。水博和于軍琪[2]提出用無線監(jiān)測技術(shù)對腳手架進(jìn)行監(jiān)測，通過對數(shù)據(jù)處理與分析，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值發(fā)出預(yù)警信號。武雷等[3]采用BIM技術(shù)對腳手架進(jìn)行了安全管理，解決了腳手架可能存在的安全隱患問題。朱瀟等[4]提出了基于移動IT技術(shù)的外腳手架安全監(jiān)測系統(tǒng)，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和分析，人員可以及時判斷外腳手架安全狀況。于清緣和陳立中[5]分析了我國腳手架施工中的安全事故，同時借鑒國外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)提出了安全性更高的新型腳手架，建立合理有效的監(jiān)督職能體系和安全職業(yè)培訓(xùn)等一系列解決方案。陳述、望運(yùn)龍[6]通過分析腳手架安全施工的各種影響因素，給出了腳手架作業(yè)事故樹結(jié)構(gòu)圖，計算得出腳手架事故發(fā)生的概率大小。Wu等[7]提出了基于RFID技術(shù)的自組織實(shí)時追蹤系統(tǒng)的框架，用于對潛在安全事故的分析與預(yù)警。Kim和Ahn[8]利用BIM技術(shù),通過對重要數(shù)據(jù)的收集，并在規(guī)劃階段使用它，建立了腳手架安全評估系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的腳手架監(jiān)測主要依靠人工監(jiān)測來完成的，人工監(jiān)測存在很多問題，勞動強(qiáng)度大、效率低、成本高、監(jiān)測范圍小。目前物聯(lián)網(wǎng)已成為計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域一個活躍的研究分支，為腳手架的安全實(shí)時監(jiān)測提供了技術(shù)支持。本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的滿堂扣件式鋼管腳手架安全監(jiān)測系統(tǒng)，對腳手架存在的安全隱患實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值，通過短信告知人員，從而實(shí)現(xiàn)腳手架的安全監(jiān)測與預(yù)警。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本文設(shè)計的滿堂扣件式鋼管腳手架安全監(jiān)測系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分以及上位監(jiān)控中心三大部分構(gòu)成。應(yīng)用激光位移傳感器和MPU6050對腳手架的位移、沖擊加速度和偏移角度等參數(shù)監(jiān)測，APC220-43無線通訊模塊接收從各個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并通過GPRS及時地遠(yuǎn)程傳送給監(jiān)測中心，采用Java編程開發(fā)系統(tǒng)軟件，在Web瀏覽器上對腳手架的位移、加速度、偏移角度進(jìn)行顯示，并且設(shè)置相應(yīng)預(yù)警值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值，通過短信告知人員。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 滿堂扣件式鋼管腳手架安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的底層為監(jiān)測層，用于腳手架的位移、沖擊加速度和偏移角度等參數(shù)的獲取，它主要由傳感器節(jié)點(diǎn)組成。首先需要選擇要監(jiān)測的幾個點(diǎn)，對腳手架的每一層都進(jìn)行監(jiān)測，將傳感器連接在腳手架鋼管上。根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》計算出滿堂扣件式鋼管腳手架預(yù)警值。激光位移傳感器監(jiān)測腳手架的位移，在施工現(xiàn)場監(jiān)測滿堂扣件式鋼管腳手架的位移，需將激光位移傳感器固定安裝。將設(shè)定腳手架激光位移傳感器多次測量固定位置距目標(biāo)滿堂扣件式鋼管腳手架的距離，求得平均值設(shè)為D1，在后期對滿堂扣件式鋼管腳手架位移的監(jiān)測距離設(shè)為D2，則△D為滿堂扣件式鋼管腳手架的位移。對滿堂扣件式鋼管腳手架的沖擊加速度和偏移角度進(jìn)行監(jiān)測，需要在滿堂扣件式鋼管腳手架上安裝MPU6050，用于監(jiān)測滿堂扣件式鋼管腳手架的x軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度、x軸傾角、Y軸傾角、Z軸傾角。將MPU6050的數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊傳送至網(wǎng)關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)。最后將激光位移傳感器和MPU6050對腳手架的位移、沖擊加速度和偏移角度監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時在監(jiān)測系統(tǒng)的軟件上顯示。

系統(tǒng)的中間層是數(shù)據(jù)的傳輸部分，由無線通訊網(wǎng)關(guān)組成。下行通訊由APC220-43無線通訊模塊組成，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的采集控制、接收處理；上行通訊由GPRS模塊組成，下行通訊接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到管理與預(yù)警平臺。

最上層即為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，管理和預(yù)警平臺通過GPRS模塊SIM900A接收到的網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)，在Web瀏覽器上對腳手架的位移、加速度、偏移角度進(jìn)行顯示，并且設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值，通過短信告知人員。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由激光位移傳感器、MPU6050、PIC18F4520單片機(jī)、APC220-43模塊、電源模塊。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

微處理器采用Microchip公司生產(chǎn)的PIC18F4520型號單片機(jī)，PIC18F4520具有低功耗、速度快、全靜態(tài)設(shè)計、可以C語言編程等特點(diǎn)。具有32KB閃存程序存儲器和13路10位A/D、另外還有CCP/ECCP模塊。該微處理器的基本功能對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的處理。

本系統(tǒng)選用的激光位移傳感器，為GHLM07C模塊，在施工現(xiàn)場監(jiān)測鋼管腳手架的位移，需將該激光測距傳感器固定安裝。GHLM07C模塊上電以后處于待機(jī)狀態(tài)，通過RS232發(fā)送測量命令。

加速度計選用的是MPU6050，采取微處理器讀取MPU6050的測量數(shù)據(jù)信息，然后通過串口發(fā)送出去，同時避免了自身開發(fā)復(fù)雜龐大的通信協(xié)議。此模塊內(nèi)部集成了電壓穩(wěn)定電路，同時可以適配3.3V/5V的嵌入式系統(tǒng)，利于接入。另外此模塊選用高效的數(shù)字濾波技術(shù)，能夠有效降低測量的噪聲，同時改善測量精度。MPU6050模塊內(nèi)部繼承了動態(tài)卡爾曼濾波算法，可以在復(fù)雜多變的動態(tài)環(huán)境下，精確的輸出模塊的實(shí)時狀態(tài)，測量精度可高達(dá)0.01度，并且輸出穩(wěn)定，是一個低成本的適用于各種場合的傳感器。

無線通訊模塊采用的是APC220-43，APC220-43是高度集成微功率無線數(shù)據(jù)傳送模塊，其內(nèi)部嵌入了高性能微處理器以及高速度射頻芯片。APC220-43模塊為用戶提供了多種多樣的選擇頻道，此模塊可以透明的傳送各種長度大小的數(shù)據(jù)信息，并且用戶自身不必編寫龐大復(fù)雜的程序。另外由于模塊具有遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，軟件設(shè)置也簡單多樣，從而使之在各種領(lǐng)域都具有普遍的應(yīng)用。APC220-43模塊主要通過串口通信。本系統(tǒng)中,APC220-43模塊需要與每個節(jié)點(diǎn)以及主控板相連，將傳感器采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給主控板的功能。

激光位移傳感器7-30V供電電壓，MPU6050模塊3.3V供電電壓，APC220-43模塊5V供電電壓。

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成對數(shù)據(jù)的收集匯總，主要由無線通信模塊、處理器模塊、GPRS模塊、電源模塊等組成。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

為了提高節(jié)點(diǎn)的通用性和減少系統(tǒng)的設(shè)計成本，無線通信模塊與微處理器任然采用APC220-43模塊與PIC18F4520來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與處理。GPRS模塊選用SIM900A，SIM900A內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，該模塊有AT指令集接口，PIC18F4520將采集的數(shù)據(jù)發(fā)給SIM900A模塊，最后SIM900A模塊把信息發(fā)送到設(shè)定的手機(jī)號上，此過程實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)送與接收。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)測中心平臺

傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理以后，監(jiān)測中心將這些數(shù)據(jù)顯示給用戶，監(jiān)測系統(tǒng)的使用是面向用戶的，監(jiān)測軟件的開發(fā)至關(guān)重要，監(jiān)測中心軟件將需要保存的數(shù)據(jù)定時傳送到數(shù)據(jù)庫中，提供查詢服務(wù)。整個平臺采用B/S模式開發(fā)，監(jiān)測中心的系統(tǒng)軟件主要有主界面模塊、登錄界面模塊、注冊模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、預(yù)警設(shè)置模塊5部分組成。該系統(tǒng)軟件經(jīng)過驗(yàn)證已經(jīng)能夠成功運(yùn)行。圖4為滿堂扣件式鋼管腳手架安全預(yù)警系統(tǒng)中腳手架的位移、加速度、偏移角度的實(shí)時采集數(shù)據(jù)顯示界面。

圖4 滿堂扣件式鋼管腳手架安全預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示界面

3.2 監(jiān)測預(yù)警值的確定

本文設(shè)計的滿堂扣件式鋼管腳手架安全預(yù)警系統(tǒng)對腳手架的位移、加速度、偏移角度進(jìn)行預(yù)警，給出了預(yù)警值的上限，滿堂扣件式鋼管腳手架的位移、加速度、偏移角度預(yù)警值見表1。

表1 滿堂扣件式鋼管腳手架預(yù)警值

3.3 系統(tǒng)軟件的運(yùn)行平臺和開發(fā)工具

該系統(tǒng)軟件采用B/S架構(gòu)，系統(tǒng)軟件的運(yùn)行平臺采用Windows 7,用Eclipse開發(fā)軟件程序，MySQL進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，服務(wù)器選用Apache Tomcat7.0。整個系統(tǒng)軟件的設(shè)計和開發(fā)使用了面向?qū)ο蟮姆椒ê图夹g(shù)，體現(xiàn)了可視化的友好的人機(jī)界面。

3.4 系統(tǒng)軟件工作流程

首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，進(jìn)行基本的系統(tǒng)設(shè)置，當(dāng)讀取數(shù)據(jù)的周期到來時，將讀取的數(shù)據(jù)提取出來，并將該結(jié)果顯示出來，同時把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)顯示結(jié)果調(diào)用相應(yīng)模塊，如果數(shù)據(jù)超過設(shè)置的預(yù)警值，記錄超限值并通過短信告知人員。圖5為系統(tǒng)軟件工作流程。

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程圖

4 結(jié)論

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的滿堂扣件式鋼管腳手架安全監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方案。選擇合適的處理器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊、GPRS模塊元器件，并設(shè)計了監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖，同時設(shè)計了滿堂扣件式鋼管腳手架安全預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示界面,給出了監(jiān)測預(yù)警值和系統(tǒng)的軟件流程，從而滿堂扣件式鋼管腳手架安全監(jiān)測與預(yù)警實(shí)現(xiàn)智能化。該系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價值，由于它可以在惡劣的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)低功耗的長時間監(jiān)測，一方面可以提高生產(chǎn)效率和安全性，降低生產(chǎn)成本，另一面還可以降低勞動者的生產(chǎn)強(qiáng)度，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

[1]郭佳,何銘華,殷治寧,等.碗扣式鋼管腳手架位移監(jiān)測系統(tǒng)研制及預(yù)警值確定[J].公路工程,2014,39(6)：316-320.

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