基于ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)的起重機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)?

張孝元，傅建平，馬艷娥

(晉中信息學(xué)院智能工程學(xué)院，山西 晉中 030800)

起重機(jī)憑借作業(yè)范圍大、工作效率高等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用在碼頭、港口等地的生產(chǎn)制造過(guò)程中。但是因使用過(guò)程中一些違規(guī)操作或者關(guān)鍵部件老化等原因，設(shè)備損壞和人員傷亡事件頻頻發(fā)生，造成的經(jīng)濟(jì)損失較大，起重機(jī)械設(shè)備的安全情況成為管理人員關(guān)注的重點(diǎn)，吸引了眾多學(xué)者紛紛投入此項(xiàng)研究中。

文獻(xiàn)[1]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種安全監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)起重機(jī)結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)安全監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)，確定傳感器布置方案；針對(duì)結(jié)構(gòu)安全和作業(yè)安全兩個(gè)方面，以國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，確立監(jiān)測(cè)指標(biāo)、預(yù)警等級(jí)等。文獻(xiàn)[2]通過(guò)改進(jìn)模糊層次分析算法評(píng)估起重機(jī)是否存在安全隱患。建立起重機(jī)性能安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，使用層次分析法設(shè)置指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)信心指數(shù)評(píng)價(jià)各級(jí)指標(biāo)，同時(shí)利用正態(tài)分布隸屬函數(shù)構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的安全測(cè)評(píng)。文獻(xiàn)[3]提出基于多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的干涉儀結(jié)構(gòu)振動(dòng)模式安全監(jiān)控算法。該方法由兩部分組成:預(yù)處理算法和多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用預(yù)處理算法從捕獲的源信號(hào)中檢索和提取振動(dòng)信號(hào)，并使用MLP-NN 實(shí)現(xiàn)對(duì)每種輸入類型的安全監(jiān)控。

但物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的通信性能不夠穩(wěn)定，當(dāng)傳感器較多時(shí)，難以做到全方面監(jiān)測(cè)；安全評(píng)價(jià)方法效率低，且不能實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)；而多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備安全監(jiān)控耗時(shí)較長(zhǎng)。針對(duì)三種方法的不足，利用ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一種起重機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)。ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有如下特征:規(guī)模大，由于節(jié)點(diǎn)通信半徑較短，為精準(zhǔn)采集信息，通常會(huì)在監(jiān)控范圍內(nèi)布置密集的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)不同角度的監(jiān)測(cè)，提高信息信噪比，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)魯棒性，減少監(jiān)控盲區(qū)[4－5]；自組織性強(qiáng)，因能量消耗過(guò)大或環(huán)境等因素導(dǎo)致一些傳感節(jié)點(diǎn)失效，此時(shí)會(huì)有一部分節(jié)點(diǎn)自動(dòng)添加到網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定變化?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，將該技術(shù)引入到監(jiān)控系統(tǒng)中，確定網(wǎng)址分配機(jī)制與路由協(xié)議，改善系統(tǒng)通信狀況。保證系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)狀況良好情況下實(shí)時(shí)監(jiān)控起重機(jī)械設(shè)備安全。

1 基于ZigBee 的起重機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)確立

在生產(chǎn)現(xiàn)代化背景下，工作人員不但需要現(xiàn)場(chǎng)操控起重機(jī)，還要實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的集中化管控。因此，監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)為三級(jí)分布式，包括現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、用戶級(jí)和公司級(jí)監(jiān)控三部分，以此滿足各類用戶的需求。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主要作用是采集起重機(jī)的相關(guān)運(yùn)行信息，并將這些信息發(fā)送至上位機(jī)。利用GPS 技術(shù)實(shí)時(shí)獲取起重機(jī)位置信息，通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將所有信息匯聚到中心節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)管理人員使用手持設(shè)備監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。局域監(jiān)控為管理人員提供遠(yuǎn)程監(jiān)控信息，無(wú)須管理員親臨現(xiàn)場(chǎng)也能實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)行干涉。局域監(jiān)控站主要負(fù)責(zé)設(shè)備信息的處理與保存，通過(guò)路由訪問(wèn)處理中心，獲取起重機(jī)的預(yù)警信息、運(yùn)行狀態(tài)和連續(xù)時(shí)長(zhǎng)等數(shù)據(jù)，便于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)控員通過(guò)總站設(shè)備監(jiān)測(cè)所有起重機(jī)的運(yùn)行和故障信息，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)為各使用者提出指導(dǎo)意見，有助于使用者及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提升生產(chǎn)效率。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 ZigBee 節(jié)點(diǎn)模塊硬件結(jié)構(gòu)

ZigBee 節(jié)點(diǎn)硬件都是單獨(dú)設(shè)計(jì)的，便于后期更換和擴(kuò)展。綜合分析系統(tǒng)硬件需求，將CC2530 當(dāng)作ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的硬件核心。該芯片具有功耗低、功能全面等優(yōu)勢(shì)，共包括五個(gè)部分，節(jié)點(diǎn)硬件整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 ZigBee 節(jié)點(diǎn)硬件整體架構(gòu)圖

①電源模塊:為了給ZigBee 網(wǎng)絡(luò)營(yíng)造安全的使用環(huán)境，采用USB 和鋰電池共同供電的方式保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，并添加HT7533 穩(wěn)壓器確保電壓平穩(wěn)。電源模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 電源模塊架構(gòu)圖

②串口單元:為ZigBee 節(jié)點(diǎn)與外部數(shù)據(jù)提供交換空間，可與其他設(shè)備通信，便于電腦調(diào)試數(shù)據(jù)。

③調(diào)試單元:ZigBee 由協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，在程序開發(fā)過(guò)程中需為不同類型節(jié)點(diǎn)編寫相應(yīng)程序，以便后期調(diào)試。本系統(tǒng)選用具有10 引腳的調(diào)試下載接口。

④按鍵與顯示單元:ZigBee 節(jié)點(diǎn)由5 個(gè)按鍵和5 個(gè)LED 顯示構(gòu)成[6]。其中，按鍵分為1 個(gè)復(fù)位按鍵與4 個(gè)普通按鍵。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊硬件構(gòu)成

安全監(jiān)控系統(tǒng)中，起重機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理與顯示尤為重要，因此必須保證采集端硬件功能的強(qiáng)大。本系統(tǒng)采集模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)采集模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

圖4 中，四路模擬信號(hào)的處理芯片均使用MC9S12DG128 型號(hào)。由傳感器模塊發(fā)出模擬信號(hào)，通過(guò)放大與濾波電路，將信息傳輸至AD 口[7]。

1.2.3 監(jiān)控器硬件組成

①監(jiān)控單元

監(jiān)控器通常分為監(jiān)控與顯示兩個(gè)單元。其中監(jiān)控單元涉及的硬件設(shè)備如圖5 所示。

圖5 監(jiān)控單元結(jié)構(gòu)示意圖

作為硬件系統(tǒng)的核心部分，監(jiān)控單元會(huì)根據(jù)采集到的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)起重機(jī)安全情況。主要監(jiān)控的內(nèi)容包括如下幾方面:

電源監(jiān)控:起重機(jī)的電機(jī)如果出現(xiàn)缺相情況則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱，造成反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。所以應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控三相電源，若出現(xiàn)缺相情況，斷開繼電器的同時(shí)給出預(yù)警信息[8]。

過(guò)載監(jiān)控:通過(guò)重力傳感器與放大器運(yùn)算負(fù)載量，當(dāng)監(jiān)控到起重機(jī)連續(xù)超出額定負(fù)載，監(jiān)控器會(huì)發(fā)出警報(bào)，直到負(fù)載低于設(shè)定閾值。

故障監(jiān)控:在起重機(jī)接收到動(dòng)作請(qǐng)求時(shí)，監(jiān)控器會(huì)檢查設(shè)備動(dòng)作的安全性，若沒(méi)有故障信號(hào)，輸出請(qǐng)求才會(huì)被激活[9]。

②顯示單元

顯示單元包括攝像機(jī)、視頻卡與顯示器等硬件設(shè)備。利用視頻線纜將攝像機(jī)和視頻卡連接，將視頻流信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)壓縮保存到硬盤內(nèi)，便于相關(guān)部門查看。視頻部分組成結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 顯示單元組成結(jié)構(gòu)圖

顯示單元中，攝像頭與視頻卡的具體參數(shù)分別如表1 和表2 所示。

表1 攝像頭參數(shù)表

表2 視頻卡參數(shù)表

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

1.3.1 ZigBee 通信方式設(shè)置

ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信部分是整個(gè)系統(tǒng)軟件的核心，主要包括網(wǎng)址分配和路由協(xié)議兩個(gè)方面。只有保證通信方式的合理性，才能對(duì)起重機(jī)的安全狀況進(jìn)行全面的監(jiān)控。

①網(wǎng)址分配

ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)址分配，包括分布式和隨機(jī)式兩種，本系統(tǒng)使用分布式分配機(jī)制，具體設(shè)置情況如下。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)最大深度是Lm，父節(jié)點(diǎn)的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)量是Cm，子節(jié)點(diǎn)路由器的數(shù)量為Rm。結(jié)合上述數(shù)值，能夠獲取子節(jié)點(diǎn)間的偏移地址Cskip(d):

式中，d代表通信距離。

因此，地址是Aparent的父節(jié)點(diǎn)，其第m個(gè)路由地址表示為:

終端地址表達(dá)式如下:

式中，An代表Aparent分配第n個(gè)終端節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的地址。

②路由協(xié)議

和傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)相比，ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在起重機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)中，除了要處理本節(jié)點(diǎn)的信息外，也要處理網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)械設(shè)備的全面安全監(jiān)控。為減少節(jié)點(diǎn)能耗，對(duì)一些節(jié)點(diǎn)功能做簡(jiǎn)化處理，使用Cluster-Tree 算法確定ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信路徑[10]。

在Cluster-Tree 算法執(zhí)行過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)無(wú)須儲(chǔ)存路由表，可根據(jù)數(shù)據(jù)分組情況自動(dòng)計(jì)算出下一跳轉(zhuǎn)發(fā)地址。針對(duì)通信距離為d，網(wǎng)址為A的節(jié)點(diǎn)，則存在地址為D的節(jié)點(diǎn)作為其后代節(jié)點(diǎn)[11]。

在確定后代節(jié)點(diǎn)后，可將信息分組發(fā)送到子節(jié)點(diǎn)，若滿足:

說(shuō)明目的節(jié)點(diǎn)即為終端子節(jié)點(diǎn)，下一跳地址N′表示如下:

反之有:

由此可以看出，Cluster-Tree 算法無(wú)須維護(hù)路由表，減少開銷，降低節(jié)點(diǎn)能耗[12]。通過(guò)Cluster-Tree 算法提升ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由開銷，提升其節(jié)點(diǎn)信息處理效率，提升ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能，從而保證起重機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)控的準(zhǔn)確性。

1.3.2 起重機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)控單元軟件流程設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)控模塊硬件結(jié)構(gòu)特征，設(shè)置軟件工作流程，確保系統(tǒng)監(jiān)控工作順利進(jìn)行。監(jiān)控系統(tǒng)主要流程如圖7 所示。

圖7 監(jiān)控流程示意圖

綜上所述，通過(guò)設(shè)計(jì)ZigBee 節(jié)點(diǎn)模塊及數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，利用ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)址分配及路由協(xié)議的確定，降低節(jié)點(diǎn)能耗，并設(shè)計(jì)監(jiān)控單元軟件流程，通過(guò)缺相檢測(cè)、過(guò)載檢測(cè)及控制請(qǐng)求輸出最終故障結(jié)果，實(shí)現(xiàn)基于ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)的起重機(jī)械設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與討論

為證明基于ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的性能，有必要進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。將門式起重機(jī)作為監(jiān)控對(duì)象，其是橋式起重機(jī)的變形產(chǎn)物，作業(yè)范圍更大，通用性較強(qiáng)，主要應(yīng)用在港口、鐵路等室外作業(yè)的物料裝卸任務(wù)中。門式起重機(jī)設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)測(cè)圖如圖8 所示。

圖8 門式起重機(jī)設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試

①系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊測(cè)試

傳感器性能影響著數(shù)據(jù)采集效果，也決定了系統(tǒng)監(jiān)控性能。由于傳感器類型較多，實(shí)驗(yàn)針對(duì)重力和風(fēng)力傳感器進(jìn)行測(cè)試，以輸入電壓值為模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后獲取輸出值。將輸出結(jié)果和文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法及文獻(xiàn)[3]方法比較，測(cè)試結(jié)果分別如圖9、圖10 所示。

圖9 重力傳感器輸入數(shù)據(jù)采集測(cè)試結(jié)果

圖10 風(fēng)力傳感器輸入數(shù)據(jù)采集測(cè)試結(jié)果

分析上圖可以得出:本文監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器的采集性能表現(xiàn)良好，兩種傳感器的輸出值與輸入值間的誤差較小，平均值在0.02 V 以內(nèi)；而其他三種方法則表現(xiàn)得不穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差較大的情況。這是因?yàn)閆igBee 網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定，能夠?yàn)樾畔⒉杉峁┖芎玫木W(wǎng)絡(luò)條件，避免出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效等現(xiàn)象，提高采集精度。

②系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍直接影響監(jiān)控效果，起重機(jī)械設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)通常用在作業(yè)規(guī)模較大的環(huán)境中，障礙物遮擋較少，因此選取空曠地帶測(cè)試通信覆蓋情況，將丟包率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，不同方法的測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同監(jiān)控方式的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍測(cè)試結(jié)果

圖11 顯示，當(dāng)通信距離不超出30 m 時(shí)，四種方法的丟包率均為0。但隨著通信距離的增加，本文方法的丟包率上升幅度較小，最大值為1.81%，而其他監(jiān)控方式的丟包率出現(xiàn)明顯變化，表明通信信號(hào)出現(xiàn)嚴(yán)重衰減。ZigBee 傳感網(wǎng)絡(luò)之所以保持較低的丟包率是因?yàn)樵O(shè)置了合理的網(wǎng)址分配機(jī)制和路由算法，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?，為安全監(jiān)控提供更加豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

③系統(tǒng)并發(fā)用戶數(shù)量測(cè)試

該指標(biāo)體現(xiàn)出系統(tǒng)能夠同時(shí)滿足用戶訪問(wèn)需求的能力。若多個(gè)用戶同時(shí)使用系統(tǒng)，且系統(tǒng)CPU 利用情況較低，表明系統(tǒng)的并發(fā)性較強(qiáng)，具備對(duì)強(qiáng)負(fù)載的處理能力。

圖12 不同監(jiān)控系統(tǒng)的用戶并發(fā)數(shù)量測(cè)試

通常情況下CPU 利用率高于90%時(shí)，系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)較大。因此可以看出文獻(xiàn)[1]方法當(dāng)用戶并發(fā)數(shù)量達(dá)到150 時(shí)，CPU 利用率已經(jīng)超出90%，而模糊層次方法的用戶量達(dá)到200 時(shí)，CPU 利用率已經(jīng)無(wú)法滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行需求，而本文方法可同時(shí)滿足更多用戶使用需求，用戶量達(dá)到200 時(shí)其信息丟包率為75.4%。說(shuō)明三級(jí)式的系統(tǒng)分布策略可提高資源利用效率，為系統(tǒng)運(yùn)行提供更多空間。

3 結(jié)論

近年來(lái)，起重機(jī)械設(shè)備安全問(wèn)題引起社會(huì)廣泛關(guān)注。為減少設(shè)備損壞帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡情況，本文利用ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一種安全監(jiān)控系統(tǒng)。仿真結(jié)果證明了該系統(tǒng)能夠滿足起重機(jī)安全監(jiān)控需求，通信穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全面的監(jiān)控。但是系統(tǒng)依然存在一些不足之處，例如傳輸協(xié)議設(shè)置較為簡(jiǎn)單，為增強(qiáng)通信的安全性，在后續(xù)設(shè)計(jì)中可引入密鑰算法；在系統(tǒng)測(cè)試階段，利用模塊化思想完成測(cè)試，應(yīng)考慮模塊的集成化，確保每個(gè)部分都能穩(wěn)定運(yùn)行。此外，可引入大數(shù)據(jù)技術(shù)深入分析起重機(jī)安全情況，有效評(píng)估機(jī)械設(shè)備的使用壽命。