裝配式建筑施工塔機通信系統(tǒng)及設(shè)計研究

余浩浩，吳玉厚，石懷濤

（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

現(xiàn)階段我國工業(yè)化建筑發(fā)展十分迅速，國務(wù)院提出“力爭10年時間左右，使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%”。與傳統(tǒng)建筑相比，建筑工業(yè)化通過標準化設(shè)計、預配件工廠化生產(chǎn)、機械化施工，不僅大大縮短了工期，而且極大程度地減少了施工人數(shù)，提高了勞動生產(chǎn)率，降低了勞動力成本。但目前在工業(yè)化建筑施工中，仍采用傳統(tǒng)施工技術(shù)及裝備，這樣存在自動化程度低、勞動強度高、效率低、安全保障困難等問題，難以滿足工業(yè)化建筑施工需求，已經(jīng)成為制約工業(yè)化建筑發(fā)展的瓶頸之一。

隨著我國大力推廣裝配式混凝土建筑，研發(fā)適用于裝配式建筑施工的專用技術(shù)及系統(tǒng)，提高施工效率與安全，已成為我國建筑工業(yè)化發(fā)展的迫切需求。自動化施工中，需要利用傳感設(shè)備從施工現(xiàn)場采集構(gòu)件溫度、變形、受力、設(shè)備運行及現(xiàn)場施工狀況等，反映施工中各種施工生產(chǎn)要素及其狀態(tài)的有用信息的數(shù)據(jù)。穩(wěn)定高效的通信系統(tǒng)將施工所需數(shù)據(jù)準確及時地采集和傳遞,從而為項目決策和控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以利于自動化施工和管理。

自動化施工過程涉及很多傳感器數(shù)據(jù)通信環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)建筑施工通信系統(tǒng)主要通過有線方式，原理相對簡單，技術(shù)比較成熟，但每個動作都需要有線電路和設(shè)備可靠連接。有線通信系統(tǒng)很多的電氣輔助元件及引線增加了建設(shè)維護成本，相比較于無線通信系統(tǒng)，在功耗、功能等方面有很大的發(fā)展局限性。

在實際工程應(yīng)用中，無線通信方式有Bluetooth、WiFi、Zigbee、NFC、LoRa技術(shù)等。采取3G/4G移動通信網(wǎng)絡(luò)或者ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，這種方式的通信系統(tǒng)中節(jié)點擴展不靈活、遠距離傳輸干擾大等問題，在檢測傳感器數(shù)量大的時候成本也很高。根據(jù)實際需要及各個無線通信技術(shù)功耗與傳輸距離對比（如圖1），通過工況環(huán)境的實地考察，針對以上情況，結(jié)合LoRa網(wǎng)絡(luò)的遠距離、低功耗、高性能，支持大規(guī)模組網(wǎng)特性，研究確立了使用LoRa系統(tǒng)作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線鏈路。

圖1 各個無線通信技術(shù)功耗與傳輸距離對比

1 基于LoRa技術(shù)通信系統(tǒng)

基于LoRa的組網(wǎng)通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)終端、通信基站、集成通信模塊的用戶設(shè)備、具備通信功能的用戶設(shè)備等組成，系統(tǒng)采用LoRa通信協(xié)議進行組網(wǎng)通信，實現(xiàn)命令或參數(shù)的下達，以及數(shù)據(jù)的采集與上傳等功能。

本文設(shè)計一套基于LoRa的無線通信試驗系統(tǒng)，模擬實現(xiàn)塔機施工過程中的通信功能，硬件搭建主要設(shè)備由主從LoRa、三菱FX3u型PLC、MCGS組態(tài)屏、電氣線路、接線端子、VGA快轉(zhuǎn)接頭等組成。測試了通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟包率、實現(xiàn)了塔機施工中各環(huán)節(jié)通信過無線收發(fā)、實時有效顯示。

2 基于LoRa通信系統(tǒng)設(shè)計

以塔機施工環(huán)節(jié)為例，設(shè)計一套主從LoRa無線通信實驗系統(tǒng)，塔機施工過程主要包括吊鉤垂直方向的起升動作、水平方向的變幅和回轉(zhuǎn)動作。上電工作時由位移傳感器檢測吊鉤動作時的位置信息，塔機建筑施工基本構(gòu)成環(huán)節(jié)及通信信息流程。首先是塔機從安全位置到物料現(xiàn)場區(qū)域調(diào)取物料，然后執(zhí)行中間動作環(huán)節(jié)將物料吊送至施工現(xiàn)場區(qū)域卸載物料，最后一步塔機的吊鉤提升到安全距離內(nèi)準備下次的吊送施工過程。每個環(huán)節(jié)不同動作的操控，都涉及信息傳輸，選擇LoRa設(shè)備搭建主從通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)實時傳輸和信息的監(jiān)看。

2.1 通信架構(gòu)

本文設(shè)計的通信系統(tǒng)，由一套LoRa設(shè)備建立無線鏈路傳輸，首先設(shè)定通信系統(tǒng)的主從機和信道及目標地址，工控機作為上位機存儲監(jiān)控塔機工作狀態(tài)。塔機的動作指令由PLC有線傳輸給LoRa從機，再經(jīng)無線通信實現(xiàn)塔機的施工動作控制，系統(tǒng)組態(tài)MCGS關(guān)聯(lián)施工變量和實時顯示通信協(xié)議內(nèi)容，無線架構(gòu)如圖2所示。

圖2 LoRa無線系統(tǒng)的“無線架構(gòu)”

LoRa無線系統(tǒng)的“無線架構(gòu)”，采用的是星型網(wǎng)絡(luò)，檢查硬件線路連接正確后，給PLC設(shè)備和LoRa模塊設(shè)備上電，下載主機和從機程序，調(diào)試實現(xiàn)了主機與多從機間的數(shù)據(jù)收發(fā)無線通信。

2.2 實驗通信協(xié)議編制

本系統(tǒng)由無線LoRa和有線485進行組網(wǎng)通信，均采用MODBUS通信協(xié)議RTU通信方式。可進行點對點通信和點（基站）對多（模塊）通信。塔機進行機械施工的過程中，塔機駕駛室工控機和地面遠程無線通信，設(shè)計握手通信協(xié)議。如表1。

2.3 系統(tǒng)組成及功能

搭建測試平臺進行鏈路通信實驗，實驗板面上，三檔開關(guān)實現(xiàn)點動和常動控制的切換，左側(cè)檔位常動模式，右側(cè)檔位點動模式，中間檔位無效。搖桿前/后動作，實現(xiàn)變幅電機正/反轉(zhuǎn)控制；左/右動作，實現(xiàn)起升電機的正/反轉(zhuǎn)控制。如圖3。

表1 實驗系統(tǒng)通信協(xié)議

圖3 搭建LoRa無線系統(tǒng)實物圖

觸摸屏MCGS組態(tài)界面，主要功能有：顯示收發(fā)遙控數(shù)據(jù)，遙控器權(quán)限及選控電機指示，GPS定位信號指示及收發(fā)數(shù)據(jù)顯示和按鍵透傳，以太網(wǎng)相關(guān)參數(shù)讀寫。

2.4 MCGS組態(tài)設(shè)計

監(jiān)控界面通過組態(tài)軟件設(shè)計（如圖4），系統(tǒng)添加輸入輸出設(shè)備模塊及變量，可以實時顯示收發(fā)數(shù)據(jù)和通過指示燈判定塔機動作的情況。組態(tài)界面有2個數(shù)據(jù)顯示區(qū)，5個指示燈、1個模式選擇區(qū)、12個關(guān)聯(lián)按鍵。具體功能如下。

圖4 實驗系統(tǒng)MCGS組態(tài)設(shè)計

1）發(fā)送數(shù)據(jù)顯示區(qū) 通信過程中，由從機LoRa發(fā)送給主機設(shè)備的協(xié)議數(shù)據(jù)信息。

2）接收數(shù)據(jù)顯示區(qū) 通信過程中，由主機LoRa發(fā)送給從機設(shè)備接收的協(xié)議信息。

3）動作選擇 根據(jù)現(xiàn)場工況，機械施工起升、變幅、回轉(zhuǎn)動作的選擇和狀態(tài)指示，出現(xiàn)異常指示燈閃爍警告。

4）電機轉(zhuǎn)速控制 搭建的模擬測試系統(tǒng)，對電機工作設(shè)定為3個操控檔位進行測試，通過協(xié)議完成檔位選擇確認。

5）手動控制 塔機操控模式可以變換，直接由外接搖桿手動進行塔機動作。

6）模式選擇 組態(tài)顯示設(shè)計的3種操控模式，包括檔位控制模式、手動控制模式、微調(diào)模式。

7）微調(diào)模式 設(shè)定一種就位微調(diào)電機轉(zhuǎn)速，模擬實現(xiàn)就位時的微調(diào)動作。

8）啟動指示燈 系統(tǒng)上電自檢，指示系統(tǒng)狀態(tài)情況，不正常及時檢查維護。

9）塔機工作指示燈 在操作施工環(huán)節(jié)，顯示工作狀態(tài)是否正常。

10）完成按鍵 系統(tǒng)檢測到吊鉤復位到安全距離內(nèi)，塔機施工完成后，關(guān)閉系統(tǒng)。

3 實驗測試

在實驗樓和室外塔機模型進行了多次實驗檢測，通過操控主機實現(xiàn)塔機的控制作用，將物料從指定取料位置吊運到指定施工位置，包括塔機的起升動作、變幅動作、回轉(zhuǎn)動作的調(diào)控，遠程通信效果良好、界面隨動跟隨流暢，平均數(shù)據(jù)丟包率0.05%，滿足工程設(shè)定標準。如圖5。

圖5 實驗測試圖

為確保無線通信系統(tǒng)的可靠性，對無線通信系統(tǒng)進行多項測試，軟件界面如圖6，測試內(nèi)容及結(jié)果如下。

3.1 測試1

測試調(diào)節(jié)LoRa無線通信系統(tǒng)主機與從機之間接收發(fā)送數(shù)據(jù)信息，測試結(jié)果表明任意數(shù)據(jù)在傳輸過程無丟失。

表2 測試2數(shù)據(jù)記錄表

表3 測試3數(shù)據(jù)記錄表

圖6 發(fā)送（左）及接收（右）使用軟件截圖

3.2 測試2

電腦通過串口助手由LoRa1給LoRa2發(fā)送數(shù)據(jù)，通過電腦串口助手顯示接收數(shù)據(jù)。每包126字節(jié)進行測試，多次測算丟包率情況丟包率在0.0285%以下。測試記錄如表2。

3.3 測試3

測試結(jié)果表明LoRa無線通信系統(tǒng)主機與從機之前多組數(shù)據(jù)同時發(fā)送，丟包率為0，好于工業(yè)標準0.05%以下，測試記錄如表3。

3.4 測試4

對LoRa無線通信系統(tǒng)進行了隔墻性能的測試，在有多重墻體的復雜室內(nèi)環(huán)境下大約40m范圍內(nèi)，穿越9層實驗樓墻體，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的主、從機數(shù)據(jù)無線通信。本測試均在信道72，每包126字節(jié)進行測試，丟包率萬分之五以內(nèi)，符合工程要求。測試場所：從實驗樓隔教室進行穿透墻層實驗。主要測試參數(shù)設(shè)置及測試結(jié)果如表4。

表4 測試4數(shù)據(jù)記錄表

3.5 測試5

進行數(shù)據(jù)傳輸測試，電腦通過串口助手由LoRa1給LoRa2發(fā)送數(shù)據(jù)，通過電腦串口助手顯示接收數(shù)據(jù)；電腦通過串口助手向PLC循環(huán)發(fā)送2個字節(jié)的數(shù)據(jù)，采取有線通信，無LoRa接入；電腦通過串口助手接從機LoRa向PLC主機LoRa發(fā)送數(shù)據(jù)，通過PLC顯示接收數(shù)據(jù)。測試表明PLC和串口助手間，232通信和485通信實時有線通信測試，數(shù)據(jù)丟包率極小。PLC無線485通信準確及時，采用無線LoRa系統(tǒng)485通信數(shù)據(jù)傳輸，丟包率在萬分之五以下，符合工程要求。

調(diào)試完成兩套不同通信信道的LoRa無線系統(tǒng)，通信信道和波特率分別采用72、115200，82、19200。測試結(jié)果表明LoRa無線系統(tǒng)在波特率為19200，發(fā)送間隔為500ms的情況下丟包率最少。

3.6 測試6

LoRa置于密閉金屬殼體內(nèi)部穿透通信測試，測試結(jié)果表明將LoRa置于密閉金屬殼體內(nèi)部通信仍然可以實現(xiàn)穩(wěn)定的主、從機數(shù)據(jù)無線通信，符合工程要求。

說明：重發(fā)間隔需大于發(fā)送所需時間加接收節(jié)點回復ack時間，即slot>=243.97ms(單次發(fā)送所需時間8)+10ms（接收方回復ack時間估計值）。發(fā)送頻率>243.97(單次發(fā)送所需時間)+260ms×2（保證有兩次重發(fā)時間）=763.97ms。

4 結(jié)語

本文研究了基于LoRa的裝配式建筑施工通信過程，并搭建了一套基于LoRa的裝配式建筑施工通信測試系統(tǒng)，在實驗樓內(nèi)和室外塔機模型完成重復性通信效果測試。

1）對大功率LoRa無線通信系統(tǒng)進行了隔墻性能的測試，在有多重墻體的復雜室內(nèi)環(huán)境下大約100m范圍內(nèi)，穿越16層實驗樓墻體，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的主、從機數(shù)據(jù)無線通信，符合工程要求。

2）實驗測試分析可知通信過程中，數(shù)據(jù)丟包率符合工程需求且安全可靠，滿足工程通信系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

3）通過實際的現(xiàn)場試點應(yīng)用驗證表明，本文中研究并設(shè)計的技術(shù)應(yīng)用方案，試驗效果良好，可以有效提高設(shè)備在線率并降低現(xiàn)場維護設(shè)備頻次，提高工作效率，具有非常好的推廣前景。