施工現(xiàn)場智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計*

韓芝俠 方 元 趙 越 薛雄飛

（寶雞文理學院電子電氣工程學院 寶雞 721016）

1 引言

我國正處于經(jīng)濟和社會快速發(fā)展的時期，工程建設(shè)作為國家基本建設(shè)的重要部分正在蓬勃發(fā)展?？v觀整個市場經(jīng)濟現(xiàn)狀，建筑業(yè)在我國國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位，而建筑施工是整個建設(shè)環(huán)節(jié)中尤為重要的一環(huán)［1～2］。隨著建設(shè)工程規(guī)模不斷擴大、進度不斷加快，在施工過程中體現(xiàn)出來的問題也尤為明顯。如何保證工程施工質(zhì)量，確保施工人員安全，提高工程建設(shè)效率，降低工程建設(shè)成本，這一系列的問題直接關(guān)系著整個工程項目的成敗和施工單位今后的發(fā)展［3～4］。于是，施工現(xiàn)場智能監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運而生，已經(jīng)引起越來越多的施工企業(yè)及國家相關(guān)部門的高度重視和密切關(guān)注［5］。

2 設(shè)計需求

為實現(xiàn)施工現(xiàn)場的智能監(jiān)測，安全監(jiān)測設(shè)備（如施工升降機監(jiān)測終端、塔機監(jiān)測終端、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測終端）可將多種施工設(shè)備的的運行狀態(tài)、違規(guī)信息、報警以及施工環(huán)境信息發(fā)送給服務(wù)器，用于施工管理者或監(jiān)管部門對建筑施工過程進行監(jiān)控，以保證施工質(zhì)量，確保施工人員安全［6～7］。本文僅以施工升降機監(jiān)測終端為例，給出施工現(xiàn)場智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，具體設(shè)計需求如下。

在現(xiàn)場根據(jù)需要安裝施工升降機監(jiān)測終端，可以采集升降機的相關(guān)信息（如速度、重量、位置、狀態(tài)、操作者等）并保存在FLASH中，在發(fā)生報警事件時，終端可以發(fā)出語音報警提示［8］。由于當前的移動通信基站的覆蓋面極高，資費便宜，因此采用4G/3G/2G自適應(yīng)DTU組網(wǎng)方式實現(xiàn)監(jiān)測終端和遠程服務(wù)器之間的通信［9～10］。當兩者之間建立連接后，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)測終端的注冊、注銷、在線心跳包、基本參數(shù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、版本信息等數(shù)據(jù)的上報，遠程服務(wù)器根據(jù)監(jiān)測終端的地址，下發(fā)對應(yīng)的指紋信息、時間信息等數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對施工現(xiàn)場的智能監(jiān)測［11～12］。

3 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

基于以上實際需求分析，本文給出了如圖1所示的系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計方案，實現(xiàn)監(jiān)測終端與服務(wù)器的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。該方案具有可接入點多，接入點范圍大，可裁剪，低成本、低維護費用等特點［13］。

圖1 施工現(xiàn)場智能監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)原理框圖

如圖1，升降機監(jiān)測終端、塔機監(jiān)測終端及環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測終安裝完成后，監(jiān)測設(shè)備隨施工設(shè)備一同進入工作狀態(tài)，每個監(jiān)控終端都可利用通信模塊中的手機號碼在服務(wù)器端注冊登錄，以心跳包的形式維持監(jiān)測終端在線，若升降機當前的工作狀態(tài)正常，則每隔10min自動上報一次信息，服務(wù)器將接收到監(jiān)測信息（速度、重量、位置、狀態(tài)、操作者等）存儲；若出現(xiàn)警告事件時，監(jiān)控終端采用語音的方式通知操作人員，并實時將升降機的當前狀態(tài)和警告原因發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)不同的警告等級，通知相關(guān)人員作出相應(yīng)的處理。

管理者或者監(jiān)管部門可以在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方通過個人賬戶登錄服務(wù)器，可以隨時查詢當前所有在網(wǎng)的監(jiān)測設(shè)備的實時工作信息、歷史信息及警告信息，可將信息統(tǒng)計、造表或打印。

4 系統(tǒng)方案設(shè)計

4.1 升降機監(jiān)測終端硬件設(shè)計

施工升降機監(jiān)測終端主要包括單片機控制電路、傳感器信號采集電路、音頻電路、時鐘電路、存儲電路、遠程通信模塊、液晶屏及指紋等接口電路。硬件原理框圖如圖2所示。

單片機采用STC15W 4K58S4為核心［14］，實現(xiàn)重量、位置、移動速度、移動方向、進料門/出料門的狀態(tài)、高/低限位、操作者等信息的采集。

音頻電路將語音信息存儲在采用串行控制模式的MXG系列OTP語音芯片中，控制芯片播放其中的某一段語音，音頻信號再通過放大，最終通過喇叭播放出來。

時鐘電路采用時鐘芯片PCF8563T，通過I2C總線實現(xiàn)校時和當前時間的讀取，配合監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集，記錄實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并存儲在SPI總線的FLASH中。該芯片使用雙電源供電，在監(jiān)測終端正常工作時采用電源供電，關(guān)機時采用電池供電；有網(wǎng)絡(luò)時，通過遠程服務(wù)器在線校時，否則可以通過觸摸屏校時。

存儲電路采用W25Q16，使用單片機的SPI口與串行FLASH相連并通過電阻做上拉，用于對FLASH做讀、寫操作，以存儲傳感器參數(shù)、人員信息及歷史數(shù)據(jù)。

液晶屏采用7寸經(jīng)濟型串口，該屏屬于4線精密電阻式觸控類型，支持BMP、JPEG、WMF、PNG和GIF等圖片格式下載；支持任意位置文本、圖片、GIF動畫和常用GUI顯示；支持多種組態(tài)控件，如按鈕控件、文本控件、進度條、儀表、曲線和滑塊控件等；支持系統(tǒng)彈出內(nèi)置虛擬鍵盤輸入；支持中英文輸入法；通過RS-232通信實現(xiàn)人機交互。

指紋傳感器采用TTL電平的串口與單片機通信，用于識別操作者信息。

遠程通信模塊采用RS-232接口外置的4G/3G/2G自適應(yīng)DTU，DTU可以透明傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議，實現(xiàn)監(jiān)測終端與遠程服務(wù)器間的數(shù)據(jù)通信。

圖2 升降機監(jiān)測終端原理框圖

升降機監(jiān)測終端將各種傳感器（圖2虛線框內(nèi)）輸出的模擬信號（重量傳感器）或數(shù)字信號（高度傳感器、限位開關(guān)）經(jīng)過調(diào)理、放大，變換成為單片機可以處理的信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換為所需測量的升降機參數(shù)，如速度、重量、位置、狀態(tài)、操作者信息等，并做出相應(yīng)的措施，如數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)上報、語音報警等［11］。

4.2 升降機監(jiān)測終端軟件設(shè)計

軟件采用模塊化設(shè)計，監(jiān)測終端軟件可分為傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信模塊幾個部分，軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 升降機監(jiān)測終端軟件結(jié)構(gòu)圖

4.2.1 主程序設(shè)計

主程序的設(shè)計是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它按照一定時序調(diào)用各功能模塊，最終實現(xiàn)施工升降機監(jiān)測終端的正常工作，在初始化傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和通信模塊后，循環(huán)處理各個模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4.2.2 傳感器采集模塊

傳感器采集模塊包括三種：模擬信號的AD采集（稱重傳感器）、脈寬調(diào)制型信號的采集（高度傳感器）和開關(guān)量信號的采集（限位傳感器）。

2路模擬信號采集使用的是單片機的片內(nèi)10位AD，連續(xù)采集5次，將5次的結(jié)果求均值從而得到2路AD的值，再通過傳感器的標定值從而得到當前吊籠的重量。

1路脈寬調(diào)制型信號采集使用的是定時器1和外部中斷，分別在外部中斷0的上升沿和下降沿，啟動定時器1計數(shù)，在每一個上升沿計算占空比，連續(xù)采集5次算平均值通過標定值從而得到當前吊籠的高度。

4路開關(guān)量信號的采集是通過I/O口循環(huán)讀取，得到當前的門狀態(tài)和高低限位的狀態(tài)。

數(shù)據(jù)處理程序中通過定時器定時500ms，循環(huán)采集上述三種傳感器信號，根據(jù)采集到的重量參數(shù)、高度參數(shù)、門狀態(tài)和高低限位參數(shù)，計算出是否有報警信息（包括進料門在非1層打開報警、出料門在非整層位置打開報警、超載報警、超限位報警），如果有則采用語音播報，并給服務(wù)器發(fā)送報警信息后存儲數(shù)據(jù)并顯示；否則每隔10min自動上報一次正常工作信息，存儲后顯示。程序流程如圖5所示。

4.2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊包括三個部分，分別是標定參數(shù)存儲、操作者指紋信息和實時數(shù)據(jù)/報警數(shù)據(jù)存儲。標定參數(shù)存儲是指施工升降機監(jiān)測終端在安裝過程中，就將標定的傳感器參數(shù)存儲在內(nèi)部FLASH當中；操作者指紋信息是服務(wù)器通過無線傳輸，將操作者的指紋信息發(fā)送到監(jiān)測終端，單片機將操作者姓名存儲在內(nèi)部FLASH中并將對應(yīng)的指紋特征碼按順序存儲到指紋模塊的指紋庫位置號內(nèi)；在正常工作時，通過標定的參數(shù)將施工升降機當前的工作參數(shù)（速度、重量、位置、狀態(tài)、操作者等）計算出來，當有報警信息時實時保存報警信息，否則以10min為間隔，將采集到的施工升降機當前的工作參數(shù)存儲到外接FLASH當中，以備可能的讀取歷史數(shù)據(jù)的查詢，當FLASH存滿后從頭覆蓋存儲。

4.2.4 通信模塊設(shè)計

通信模塊分為三個部分，顯示模塊、指紋識別模塊和遠程通信模塊。

1）顯示模塊

顯示模塊采用的是RS-232電平的串口液晶屏，單片機的串口3通過RS-232接口芯片后，與液晶屏通信，程序流程圖如圖6所示。

圖6 顯示模塊程序流程圖

2）指紋識別模塊

指紋識別模塊采用TTL電平與單片機的串口2通信，指紋數(shù)據(jù)由遠程服務(wù)器下發(fā)，將操作者的信息按地址存儲在單片機的內(nèi)部FLASH中，并將指紋的特征碼下發(fā)到指紋模塊的指紋特征碼庫中。單片機控制指紋模塊每隔1s去采集一次指紋，當采集到有指紋錄入時，單片機控制指紋模塊生成特征碼，收到生成特征碼成功的信息后，單片機就會在指紋庫中進行搜索，搜索到有相同指紋時，指紋模塊返回指紋庫位置號，單片機通過返回的位置號確定當前操作者的信息。如果沒有查找到，則返回沒有找到，語音提示并產(chǎn)生報警數(shù)據(jù)存儲在FLASH中，并給服務(wù)器發(fā)送報警信息，即有非工作人員在非法操作［8，13］。流程圖如圖7所示。

圖7 指紋識別模塊流程圖

只有升降機在1層時允許操作者登錄或者退出系統(tǒng)。當操作者進入施工升降機，指紋認證成功后登錄系統(tǒng)，升降機才能正常使用，否則監(jiān)測終端將會語音提示操作者登錄系統(tǒng)并通過遠程模塊向服務(wù)器報警。當操作者離開升降機時通過指紋識別退出。

3）遠程通信模塊

遠程通信模塊采用的是外部透傳模塊，和監(jiān)測終端的串口模塊相連，由串口監(jiān)測終端通過固定協(xié)議和遠程服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互，如監(jiān)測終端的注冊、注銷、在線心跳包、校時、操作者信息、基本參數(shù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、版本信息等，如圖8所示。

圖8 遠程通信模塊流程圖

5 結(jié)語

本文對施工現(xiàn)場智能監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究，根據(jù)升降機監(jiān)測終端的采集需求，給出了硬件設(shè)計方案和各主要模塊的軟件設(shè)計流程。該監(jiān)測終端可實時監(jiān)控升降機的工作狀態(tài)，如速度、重量、位置、狀態(tài)、操作者信息等，并做出語音提示；通過外置透傳模塊實時傳送至服務(wù)器，使管理者和監(jiān)管部門在任何可以上網(wǎng)的地方實時掌握升降機的工作狀態(tài)并采取相應(yīng)措施，從而減少升降機的安全隱患［15］。若配合塔機智能安全監(jiān)控系統(tǒng)和揚塵在線監(jiān)測系統(tǒng)，就可以完整地實現(xiàn)施工現(xiàn)場的全面監(jiān)測，并將這些施工設(shè)備和施工環(huán)境監(jiān)測信息傳輸?shù)浇y(tǒng)一的監(jiān)測平臺上，極大地方便管理者和監(jiān)督部門對有可能出現(xiàn)的安全隱患進行及時處理，以確保施工過程安全有序進行。