基于物聯(lián)網(wǎng)的塔機遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計*

陳 根 ，易治國

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學院鐵道工程與信息學院，湖南 株洲 412000；2.湖南省高鐵運行安全保障工程技術(shù)研究中心，湖南 株洲 412000）

塔式起重機作為建筑行業(yè)中使用最為廣泛的工程設(shè)備之一，其安全可靠運行是工程項目順利進行的重要保障[1]。研究表明，塔機運行參數(shù)（風速、起重量、幅度及回轉(zhuǎn)等）是影響其安全運行的重要因素[1-2]，因此，亟需對塔機運行監(jiān)控開展相關(guān)研究，建立在線監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對塔機運行參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集。我國的塔機監(jiān)控系統(tǒng)目前主要通過傳感器現(xiàn)場布線的方式，然而這種方法存在如下問題：布線困難[3]、監(jiān)測節(jié)點靈活性差；實時性較差[4]，當塔機發(fā)生違規(guī)作業(yè)時不能及時進行預警；監(jiān)控現(xiàn)場組網(wǎng)能力差，難以形成塔機群監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。針對這些問題，課題組設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的塔機遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)。首先，各個測量終端采集施工現(xiàn)場各臺塔機風速、起重、幅度及回轉(zhuǎn)等運行參數(shù)，然后對采集到的塔機數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波以提高測量準確性和可靠性，最后將濾波后的參數(shù)通過WSN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點將收集到的塔機運行參數(shù)通過網(wǎng)關(guān)遠程發(fā)送至監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)對塔機運行狀態(tài)的在線監(jiān)控。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠為塔機作業(yè)安全管理提供有效技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

塔機運行安全監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)由塔機參數(shù)感知層、塔機參數(shù)傳輸層及塔機參數(shù)應用層三部分組成，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。1）感知層。感知層由ZigBee測量節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點、傳感檢測裝置、網(wǎng)關(guān)組成，負責塔機風速、起重、幅度、回轉(zhuǎn)角度的數(shù)據(jù)測量和轉(zhuǎn)發(fā)，若檢測值超過預設(shè)閾值則進行預警。2）傳輸層。傳輸層實現(xiàn)對感知層采集到的塔機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸。3）應用層。應用層實現(xiàn)對塔機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集，并通過組態(tài)軟件實現(xiàn)對塔機運行狀態(tài)的過程監(jiān)控[5-6]。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 終端節(jié)點設(shè)計

終端節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。終端節(jié)點由STM32處理器、CC2530處理器、傳感器、信號處理電路、存儲模塊、報警模塊、供電電源和LCD顯示模塊等組成。STM32處理器首先對信號處理電路輸出的信號進行AD轉(zhuǎn)換和模擬量變換，然后將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，最后將濾波后的數(shù)據(jù)通過串口傳送給CC2530處理器，CC2530處理器通過RF模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點；當塔機發(fā)生違規(guī)作業(yè)時，STM32處理器驅(qū)動報警模塊進行預警，提示監(jiān)理工作人員進行處理。

圖2 終端節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點由STM32處理器、CC2530處理器、網(wǎng)關(guān)、LCD顯示模塊、報警模塊、調(diào)試模塊、存儲模塊等組成。CC2530處理器通過RF模塊接收終端節(jié)點發(fā)送過來的塔機運行參數(shù)，然后將接收到的塔機運行參數(shù)通過串口傳輸給STM32處理器，STM32處理器對接收到的數(shù)據(jù)進行LCD顯示、分析預警，最后通過網(wǎng)關(guān)模塊將塔機運行參數(shù)遠程發(fā)送給監(jiān)控中心。協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

2.3 信號處理模塊設(shè)計

對傳感器輸出的信號首先進行放大處理，然后再接入CC2530處理器進行AD轉(zhuǎn)換最終得到實際塔機運行參數(shù)值。本系統(tǒng)中采用差分放大電路、RC低通濾波電路和電壓跟隨器[7]，對傳感器輸出的電壓信號進行處理。傳感信號處理電路如圖4所示。

圖4 傳感信號處理電路

根據(jù)運算放大器的虛短和虛斷原則[7-8]，求得輸出電壓U0為：

電路中的R1=R3，R2=R4。因此，公式（1）可簡化為：

由于U1和U0之間通過RC低通濾波電路和電壓跟隨器相連，因而抑制了高頻噪聲，提高了輸入阻抗。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊兩部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊軟件流程如圖5所示，當通電后，系統(tǒng)首先進行初始化，然后便進行AD轉(zhuǎn)換，再調(diào)用濾波算法對轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進行數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)顯示至LCD，最后將數(shù)據(jù)通過串口傳輸至數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊軟件流程如圖6所示，當系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，然后申請加入網(wǎng)絡(luò)，當加入網(wǎng)絡(luò)后，便進入睡眠模式，等待定時中斷信號來臨，當中斷信號到來后，讀取串口數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，然后便再次進入睡眠模式等待下次中斷信號到來。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊軟件流程圖

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊軟件流程圖

3.2 數(shù)據(jù)濾波設(shè)計

建筑施工現(xiàn)場環(huán)境較為復雜，目標信號中常摻雜有一定的噪聲數(shù)據(jù)，為提高測量的準確性和可靠性，本系統(tǒng)將滑動平均濾波算法和限幅濾波算法結(jié)合。該算法不僅能抑制隨機干擾，還能濾掉偶然出現(xiàn)的大脈沖干擾，下面給出該算法[9-10]的推導過程。

上式在存儲區(qū)中開辟了數(shù)據(jù)長度為N的隊列，隊尾每進來一個最新數(shù)據(jù)，隊頭便出去一個最老數(shù)據(jù)，隊列在運算過程中始終保持N個最新數(shù)據(jù)，同時對每次進入隊列的最新數(shù)據(jù)進行限幅處理，從而濾掉偶然出現(xiàn)的大脈沖干擾。

3.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點負責對終端節(jié)點的數(shù)據(jù)進行接收和轉(zhuǎn)發(fā)[11-14]，協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊軟件流程圖如圖7所示。當節(jié)點通電后，協(xié)調(diào)器節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)顯示至LCD并進行數(shù)據(jù)分析預警，當超過預設(shè)閾值時便進行預警，最后將塔機數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)無線傳輸至監(jiān)控中心。

圖7 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊軟件流程圖

4 運行結(jié)果及分析

通過對系統(tǒng)開展聯(lián)調(diào)聯(lián)試，硬件上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，軟件上實現(xiàn)了塔機作業(yè)過程監(jiān)控。焊接好的終端節(jié)點實物如圖8所示，監(jiān)控系統(tǒng)登錄界面如圖9所示，監(jiān)控組態(tài)顯示界面如圖10所示。

圖8 焊接好的終端節(jié)點實物

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)登錄界面

圖10 監(jiān)控組態(tài)顯示界面

5 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的塔機遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對塔機運行參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集。當發(fā)生塔機吊裝違規(guī)作業(yè)時，能及時進行預警并提示現(xiàn)場監(jiān)理人員；同時通過GPRS網(wǎng)絡(luò)遠程將信息傳輸至上位機，實現(xiàn)了遠程在線監(jiān)控。測試結(jié)果驗證了系統(tǒng)的有效性和可靠性。