基于物聯(lián)網(wǎng)的施工升降機監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

丁承君， 劉云帆， 胡 博， 徐光鹿， 賈麗臻

(1.河北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300130； 2.中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300)

0 引 言

近年來,建筑業(yè)作為國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，隨著城鎮(zhèn)化進程加快得以蓬勃發(fā)展，但其嚴峻的安全生產(chǎn)形勢也引起社會廣泛關(guān)注。施工升降機作為重要的垂直類運輸機械，在建筑施工中被廣泛使用，但因為施工升降機本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、拆卸頻繁等原因，使得施工升降機造成的安全事故頻發(fā)。目前，施工升降機監(jiān)測系統(tǒng)的研究主要包括采用3G自適應(yīng)DTU組網(wǎng)配合多種監(jiān)測終端、基于單片機控制的實時監(jiān)控系統(tǒng)、基于人臉識別和安全預(yù)警的監(jiān)測系統(tǒng)。上述監(jiān)測系統(tǒng)雖然在一定程度上解決了施工升降機安全性的問題，但監(jiān)測效率低，監(jiān)測參數(shù)不準確，運用多種傳感器對參數(shù)進行監(jiān)測，誤差累積大。

本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things，IoT)的施工升降機監(jiān)測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸方面采用LoRa模塊和4G模塊，有效解決了傳輸延時的問題，提高系統(tǒng)實時性。同時采用九軸加速度傳感器進行高度、速度和加速度的監(jiān)測，有效削弱了外界對采集數(shù)據(jù)的干擾，減少了誤差累積，大大提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的施工升降機監(jiān)測系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成。總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1)感知層:相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官，主要由監(jiān)測終端和多種傳感器組成，用于識別物體、數(shù)據(jù)采集，并對采集的信息進行存儲和初步處理。本層采集的信息主要包括重量、前后門開關(guān)狀態(tài)、傾斜角度、高度、速度、加速度、人員等。

2)網(wǎng)絡(luò)層:相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞，負責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。主要由互聯(lián)網(wǎng)、無線通信網(wǎng)和云平臺等組成。在施工升降機監(jiān)測系統(tǒng)中，鑒于LoRa模塊低功耗傳輸距離遠、易于建設(shè)和部署，電池壽命長等優(yōu)勢，故本文選用LoRa模塊作為近距離傳輸網(wǎng)絡(luò)。遠距離數(shù)據(jù)傳輸中，LoRa基站通過4G模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器。

3)應(yīng)用層:作為物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，需要實現(xiàn)對施工升降機數(shù)據(jù)的分析和處理，并在監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)及時反饋給用戶。應(yīng)用層主要由Web平臺、數(shù)據(jù)庫、計算模型、應(yīng)用接口、信息查詢平臺以及用戶App組成。其中，Web端和手機App可實現(xiàn)人機交互，用戶可通過Web端和App實時查詢施工升降機監(jiān)測數(shù)據(jù)信息以及施工人員工作情況；數(shù)據(jù)庫用來保存監(jiān)測數(shù)據(jù)，用戶可通過Web端調(diào)出監(jiān)測歷史信息；計算模型主要用于實現(xiàn)施工升降機監(jiān)測預(yù)警功能，內(nèi)含多種預(yù)警模型對上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析預(yù)測，在不滿足條件時發(fā)送預(yù)警指令。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，硬件電路包括STM32F407系統(tǒng)電路、施工升降機監(jiān)測參數(shù)采集模塊、定位模塊、存儲模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)處理功能由微處理器完成，本文中使用STM32F407芯片作為主處理器，該芯片基于32位高性能ARM Cortex—M4，工藝技術(shù)先進，提升了計算能力的同時，一些復(fù)雜的計算和控制也可以進行，性能高，功耗低。

1)高度、速度、加速度:升降機高度、速度和加速度參數(shù)的采集采用陀螺儀模塊JY61N—232，該模塊支持串口，串口速率2 400～921 600 bps可調(diào)，最高200 Hz數(shù)據(jù)輸出速率。分辨率可達到6.1×10-5，穩(wěn)定性高，加速度穩(wěn)定性達0.01gn。模塊內(nèi)部自帶穩(wěn)壓電路，工作電壓3～6 V，引腳電平兼容3.3 V/5 V的嵌入式系統(tǒng)，連接方便。采用高性能的微處理器和先進的動力學(xué)解算與卡爾曼動態(tài)濾波算法，能夠快速求解出模塊當(dāng)前的實時運動姿態(tài)。且具有先進的數(shù)字濾波技術(shù)，能有效降低測量噪聲，提高測量精度。該模塊集高度、速度、加速度監(jiān)測于一體，有效避免了多種傳感器產(chǎn)生的誤差累積，監(jiān)測結(jié)果更準確、可靠。

2)傾角:本文選用CXTA02—T傾角傳感器監(jiān)測X軸和Y軸傾角，此傳感器提供一個易于使用的信號調(diào)節(jié)0～5 V模擬輸出，同時高分辨率的CXTLA提供高精度的測量范圍可達±20°，提供完全校準的溫度補償型雙軸數(shù)字輸出，具有顯著的分辨率、動態(tài)響應(yīng)和精度。

3)重量:稱重傳感器采用德國Batarow公司軸銷式稱重傳感器MB255，量程上限3～3×106kg，綜合精度1 %，集傳感器、信號發(fā)生模塊于一身，可直接將軸上的力轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流，適應(yīng)不同工況需求，且組裝容易，使用方便。

2.2 定位模塊

采用GPS模塊提供位置信息，本監(jiān)測系統(tǒng)選用SKM81，這是一種定位和天線一體化的模塊，支持GPS/BDS/GLONAASS。天線接收來自衛(wèi)星的定位信息后通過串行接口自定義協(xié)議將完整的位置、時間信息等串行數(shù)據(jù)完整記錄，定位模塊靈敏度高，即使在惡劣環(huán)境下也能定位，適用于施工環(huán)境。

2.3 存儲模塊

當(dāng)終端進行數(shù)據(jù)監(jiān)測時，信號衰弱或受到干擾均會造成數(shù)據(jù)丟失，因此使用SD卡對數(shù)據(jù)進行存儲，保證了數(shù)據(jù)的完備性，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供便利。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

本系統(tǒng)近距離傳輸使用LoRa模塊，選用SX1278射頻模塊，模塊的調(diào)制技術(shù)采用基于線性調(diào)頻信號的擴頻技術(shù)，同時結(jié)合前向糾錯碼和數(shù)字信號處理技術(shù)，具有超遠距離擴頻通信，高抗干擾性和最大限度的減小電流功耗，靈敏度高，適用于復(fù)雜環(huán)境下無線數(shù)據(jù)傳輸。同時采用星型組網(wǎng)方式，不僅節(jié)約中繼器成本，還增強了可靠性。

遠距離數(shù)據(jù)傳輸采用4G模塊，LoRa基站通過4G模塊與云服務(wù)器進行通信。4G模塊可完成無線接收、發(fā)射、基帶信號處理功能。同時手機軟件兼容語音撥號，短消息收取和發(fā)送、撥號連接網(wǎng)絡(luò)等作用。該模塊兼容性好、互聯(lián)網(wǎng)頻帶寬、通信靈活、通信數(shù)據(jù)量大、通信速度快，在實現(xiàn)遠程報警功能中優(yōu)點尤為突出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)測終端軟件移植μC/OS-II實時操作系統(tǒng)將系統(tǒng)功能進行劃分，主要分為數(shù)據(jù)采集與處理任務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)和位置信息獲取任務(wù)。系統(tǒng)上電后通過庫函數(shù)創(chuàng)建多個線程任務(wù)并啟動。

1)數(shù)據(jù)采集與處理任務(wù)：當(dāng)數(shù)據(jù)采集與處理任務(wù)啟動時，系統(tǒng)初始化，STM32F407發(fā)送輪詢指令，若系統(tǒng)未接收到反饋，進行錯誤計數(shù)，超次進行故障報備；若系統(tǒng)收到反饋，則進行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)包括X軸Y軸傾斜角度、高度、速度、加速度、重量、前后門開關(guān)狀態(tài)、繼電器狀態(tài)等，分別針對每種參數(shù)設(shè)定閾值，判斷接收的數(shù)據(jù)是否超過閾值，若超過閾值則進行報警動作，若未超過閾值則將接收到的數(shù)據(jù)通過LoRa模塊傳送。綜上完成數(shù)據(jù)采集與處理任務(wù)。

2)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù):數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)啟動后，系統(tǒng)初始化完成，判斷基站組網(wǎng)是否成功，若成功則開始接收各基站發(fā)送的數(shù)據(jù)，并在本地存儲;然后通過4G模塊將接收的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器。

4 樓層高度監(jiān)測原理

系統(tǒng)通過利用升降機的加速度對升降機的狀態(tài)進行監(jiān)測，從而分析升降機運行狀態(tài)并對運行狀態(tài)進行動態(tài)評價。升降機運行高度可通過加速度經(jīng)兩次積分后獲得，速度可通過加速度經(jīng)一次積分后獲得。將計算得到的高度差與存儲在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行對比，即可得到升降機所在高度。但上述積分操作中，原本存在的誤差會因為多次積分而放大，造成結(jié)果不準確。

升降機運行過程中的速度變化

(1)

但實際加速度值為

(2)

式中λ為修正系數(shù)。

現(xiàn)假設(shè)升降機目前處于靜止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)從上一狀態(tài)到這個靜止?fàn)顟B(tài)共經(jīng)過N次采樣，記錄了速度由v變到0的過程

(3)

聯(lián)立式(1)～式(3)得式(4)

(4)

從上式中看出，決定加速度值的未知參數(shù)只有修正系數(shù)λ和采樣次數(shù)N，本系統(tǒng)采用最小二乘法對修正系數(shù)進行修正。

當(dāng)加速度出現(xiàn)因人為因素等原因造成的急劇變化時，直接采用式(4)造成的誤差較大，現(xiàn)需消除噪聲，采用一次指數(shù)平滑法對加速度進行預(yù)測

at+1=ξxt+(1-ξ)ai

(5)

式中at+1為t+1時間的預(yù)測值，xt為t時間的實際觀測值，ξ為平滑系數(shù)，從0～1內(nèi)取值。本系統(tǒng)采用的JY61N—232傳感器內(nèi)部已集成卡爾曼濾波，再經(jīng)過式(5)已成功降噪，提高了數(shù)據(jù)處理精度。

使用上述步驟對JY61N—232傳感器進行校準。在用上述傳感器對升降機高度進行判斷時，傳感器內(nèi)部判斷步驟為：1)在靜止?fàn)顟B(tài)時校正高度;2)在非靜止?fàn)顟B(tài)時通過積分累計，并于下一靜止?fàn)顟B(tài)時停止;3)記錄運行時間，記錄高度。

5 系統(tǒng)整體測試

5.1 數(shù)據(jù)準確性測試

以河北省衡水市某智慧工地為實驗對象，該建筑工地，施工樓層高度為2.8 m，分別用校準后的JY61N—232傳感器和未校準的傳感器對升降機的高度信息進行監(jiān)測，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行匯總。本文共進行10次測試，通過對校準前后兩組數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，校準后的傳感器誤差更小，誤差率在0.36 %～2.50 %。實驗證明經(jīng)過校準的JY61N—232傳感器能有效降噪，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。

5.2 實時性測試

T1為數(shù)據(jù)發(fā)送時刻，T2為服務(wù)器數(shù)據(jù)接收時刻。T2-T1即為傳輸延時。傳輸延時會影響升降機監(jiān)測系統(tǒng)運行效率，影響運行穩(wěn)定性，影響升降機安全性?，F(xiàn)在通過標(biāo)記時間戳來計算系統(tǒng)響應(yīng)所需的時間。時間戳計算方式為從監(jiān)測終端發(fā)出數(shù)據(jù)時刻到客戶端接收數(shù)據(jù)時刻，兩者之間的時間差。現(xiàn)分別測試普通升降機監(jiān)測系統(tǒng)和基于LoRa—4G傳輸?shù)谋O(jiān)測系統(tǒng)的延時時間。選取120組數(shù)據(jù)進行測試，監(jiān)測系統(tǒng)1為普通升降機監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)2為本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)，對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩類監(jiān)測系統(tǒng)延時對比

測試的120組數(shù)據(jù)中，監(jiān)測系統(tǒng)1明顯比監(jiān)測系統(tǒng)2延時時間長。測試結(jié)果表明,本文所設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)的實時性較高，滿足施工升降機數(shù)據(jù)監(jiān)測的實際需求。

6 結(jié) 論

針對施工升降機監(jiān)測數(shù)據(jù)不準確，實時性差的問題，本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的施工升降機監(jiān)測系統(tǒng)，使用LoRa模塊和4G模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，有效降低了系統(tǒng)延時，提高系統(tǒng)實時性。使用經(jīng)樓層高度監(jiān)測原理校準的JY61N—232傳感器，經(jīng)實驗證明:該傳感器提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性。經(jīng)系統(tǒng)測試，本文設(shè)計的施工升降機監(jiān)測系統(tǒng)準確性高，實時性強，可應(yīng)用于工程實際。