一種建筑塔吊地面操控裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

曾昭獻　馬永軍

摘 要：針對目前的建筑塔吊操作控制裝置中操作人員工作環(huán)境惡劣，安全隱患大這一現(xiàn)狀，文章設(shè)計了一種無需高空作業(yè)的地面操作控制裝置，運用了實時高清數(shù)字視頻處理、物聯(lián)網(wǎng)、無線WIFI、51單片機微控制等技術(shù)，闡述了地面操控裝置的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：高清數(shù)字視頻；物聯(lián)網(wǎng)；硬盤錄像機

1 概述

建筑塔吊是建筑機械的關(guān)鍵設(shè)備，在高層建筑施工中起著重要的作用，同時，對它的操控是建筑施工安全中最關(guān)鍵的因素。目前的建筑塔吊操作控制裝置有兩種作業(yè)方式：高空作業(yè)和現(xiàn)場遙控作業(yè)方式。高空作業(yè)方式，操作人員工作環(huán)境極為不便，在幾十米高的踏架上爬上爬下，安全隱患大；現(xiàn)場遙控作業(yè)方式，操作人員視線有限，容易造成塔吊工作盲區(qū)和安全事故。

隨著電子科技的迅速發(fā)展，高清數(shù)字實時視頻監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)、WIFI、微控制等技術(shù)在各領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用，鑒于目前建筑塔吊操控方式存在的問題，文章提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用高清數(shù)字視頻技術(shù)和無線傳輸技術(shù)，對施工現(xiàn)場畫面實時傳送和監(jiān)控，能在地面進行操作的建筑塔吊操控裝置的設(shè)計方案。

2 設(shè)計思路

本設(shè)計分兩部分：塔吊施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控部分和塔吊操作控制部分。

2.1 視頻監(jiān)控部分設(shè)計思路

操作人員在地面或室內(nèi)通過安裝在塔吊回旋機構(gòu)四個方位的高清晰、高可靠性數(shù)字彩色攝像頭來采集的施工現(xiàn)場實時圖像，并傳至硬盤錄像機進行視頻數(shù)據(jù)處理，根據(jù)在固定位置顯示器或移動顯示器上顯示的圖像，對塔吊進行操控。

2.2 塔吊操作控制部分設(shè)計思路

手動或遙控操作手柄發(fā)出操作指令，送入51單片機微控制芯片經(jīng)數(shù)據(jù)處理輸出驅(qū)動指令，以驅(qū)動塔吊的各功能電機正常工作。同時通過小車行程、塔臂回轉(zhuǎn)角度、塔吊力矩、起升電機過載等傳感器采集的數(shù)據(jù)送入51單片機微控制芯片經(jīng)程序和數(shù)據(jù)處理發(fā)出驅(qū)動指令，以啟動驅(qū)動機構(gòu)和報警電路，保證塔吊的安全生產(chǎn)。

3 操控裝置的硬件組成

系統(tǒng)硬件主要包括7個模塊：視頻圖像采集模塊、視頻處理模塊、視頻顯示模塊、塔吊工作信息采集模塊、操作模塊、單片機系統(tǒng)、塔吊驅(qū)動及聲光報警模塊。硬件組成如圖1所示。

4 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 視頻圖像采集

視頻圖像采集模塊中四臺攝像頭的安裝位置和用途如圖2所示。所有攝像頭采用高清晰彩色數(shù)字攝像頭。所采集的施工現(xiàn)場視頻圖像接入硬盤錄像機進行數(shù)據(jù)處理，球型攝像頭配備云臺控制器。

4.2 視頻圖像處理

視頻圖像處理模塊采用大華DH-NER硬盤錄像機為視頻圖像主處理模塊。該型硬盤錄像機為嵌入式微控制系統(tǒng)，集計算機網(wǎng)絡(luò)、視頻數(shù)據(jù)處理、圖像合成、存儲、物聯(lián)網(wǎng)等最新技術(shù)于一體，是本裝置圖像控制中心，可同時處理八路視頻信號，輸出一路VGA、一路HDMI視頻。接入無線路由器，可輸出無線WIFI信號。施工現(xiàn)場采集的四路圖像接入硬盤錄像機，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，視頻顯示合成，一路輸出至大屏幕顯示器，一路經(jīng)無線路由器輸出至移動顯示器，視頻格式為MPEG4，無線傳輸速率達500KB。同時通過TCP/IP協(xié)議接入Internet，實現(xiàn)建筑管理人員的遠程監(jiān)控。視頻圖像處理工作過程如圖3所示，硬盤錄像機操作主界面如圖4所示。

4.3 視頻顯示

根據(jù)裝置的設(shè)計要求，需要對施工現(xiàn)場的視頻圖像進行高清晰彩色顯示。硬盤錄箱機VGA輸出信號分辨率最大為：1280x1024。所選用的顯示器具有以下性能：最佳分辨率： 1680x1050，視頻接口： D-Sub（VGA），DVI-D。本裝置主顯示器選用SAMSUN 24寸彩色顯示器，輔助顯示器選用SAMSUN 21寸彩色顯示器，移動顯示器選用Lenovo/聯(lián)想 A7600 A10-70十寸四核平板電腦。移動顯示器通過WIFI接入硬盤錄像機并瀏覽視頻圖像。

4.4 單片機微控制系統(tǒng)

單片機微控制系統(tǒng)是本裝置操控的核心系統(tǒng)，本裝置選用技術(shù)成熟，運行安全穩(wěn)定可靠的8位8051單片機微控制系統(tǒng)。操作模塊發(fā)出的指令，送入單片機系統(tǒng)進行運算和處理，發(fā)出指令以驅(qū)動塔吊各功能電機正常工作；同時塔吊工作信息采集模塊也進入正常工作，當(dāng)采集的信息出現(xiàn)異常時，單片機發(fā)出指令驅(qū)動自鎖裝置并安全報警，復(fù)位后，重新工作。信息的接入和輸出連接8051單片機的并行I/O端口，操作控制接入口為：P1.0-P1.7；采集的信息接入口為：P2.0-P2.7；輸出驅(qū)動接口為：P3.0-P3.3；遙控操作接入口為：串行接口。運行程序建立在C語言平臺上開發(fā)。程序流程圖如圖5所示。

4.5 塔吊工作信息采集

塔吊工作信息采集模塊是對塔吊工作時工作狀態(tài)的信息采集，采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容：小車行程前后極限位置數(shù)據(jù)；塔臂旋轉(zhuǎn)位置數(shù)據(jù)；力矩數(shù)據(jù)；起重過載數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)信息通過A/D轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)碼，接入8051單片機的并行I/O端口：P2.0-P2.7。電路原理框圖如圖6所示。

4.6 塔吊操作控制

本裝置中有手柄操作和遙控操作兩種方式，手柄操作采用左、右手分功能操作，左手柄操控塔臂旋轉(zhuǎn)，右手柄操控小車行走和起重。手柄操作桿選用工業(yè)用操作桿?？刂乒δ苋鐖D7所示。手柄發(fā)出的操控指令為二進制碼直接接入8051單片機的并行I/O端口：P1.0-P1.7。遙控操作選用工業(yè)用塔吊遙控器，發(fā)射與接收采用自鎖回路及高縝密集成電路，有安全碼、漢明碼等相應(yīng)工業(yè)所需安全措施，遙控距離：100米，安全加密碼：43億組永不重復(fù)。遙控發(fā)射器將操作指令編碼并無線發(fā)射，接收器收到信息并解碼，再接入8051單片機的串行接口。

4.7 塔吊驅(qū)動電路和聲光報警

塔吊驅(qū)動電路包括：小車行走和自鎖、塔臂旋轉(zhuǎn)和自鎖、升降電機和自鎖電路。單片機發(fā)出指令后，這些驅(qū)動電路相應(yīng)動作，以驅(qū)動各功能電機工作。在本裝置中延用高空操作方式塔吊成熟電路，與它不同的是控制電路接入方式，本裝置中控制電路接入的驅(qū)動指令是8051單片機發(fā)出。由于8051單片機直接驅(qū)動大電流繼電器困難，在8051單片機和大電流繼電器之間加了一級驅(qū)動電路。聲光報警直接由單片機完成，通過單片機運行程序產(chǎn)生1KHz信號驅(qū)動蜂鳴器，同時在P3.4端口輸出一個高電平驅(qū)動LED，實現(xiàn)聲光報警。

5 結(jié)束語

本裝置將視頻數(shù)字監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)、無線WIFI、單片機微控制技術(shù)融合在一起，它的實現(xiàn)，不僅大大改善了塔吊操作人員的工作環(huán)境，同時也減少了塔吊操作人員安全隱患。因為有了視頻存儲，有利于安全事故的調(diào)查和遠程管理。提高了管理效率和效益，對高層建筑的安全生產(chǎn)有著重要的意義。

參考文獻

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[3]張波，等.基于嵌入式的智能塔吊遠程控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子世界，2013（21）：135.

作者簡介：曾昭獻，男，九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院實驗師，主要研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。

馬永軍，男，九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，主要研究方向：單片機控制技術(shù)。