宋宇宙，蘇 娟，何 清

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙 410082）

0 引言

近年來，塔機(jī)安全事故頻發(fā)，使得加強(qiáng)對塔機(jī)的綜合管理、實(shí)現(xiàn)對塔機(jī)的安全監(jiān)控變得極其重要，塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其主要作用是對塔機(jī)運(yùn)行過程中的各種工況參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄，為安全操作塔機(jī)提供重要的依據(jù)［1］。塔機(jī)運(yùn)行異常時(shí)，能夠及時(shí)報(bào)警，防止事故的發(fā)生或擴(kuò)大;事故發(fā)生后則可調(diào)取工況參數(shù)，分析事故原因。然而，傳統(tǒng)的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)大多采用有線的方式，一方面由于塔機(jī)上面環(huán)境復(fù)雜，當(dāng)傳感器數(shù)目比較多時(shí)采用這種方式會使現(xiàn)場的布線、安裝、維護(hù)困難，同時(shí)塔機(jī)上運(yùn)行電機(jī)中強(qiáng)電產(chǎn)生的電磁場也會對弱電信號產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾。另一方面，相對于塔機(jī)用戶，塔機(jī)制造商對實(shí)現(xiàn)塔機(jī)強(qiáng)有力監(jiān)控的愿望更加強(qiáng)烈，除監(jiān)測塔機(jī)的運(yùn)行參數(shù)外，制造商希望在塔機(jī)售后的某些情況下仍能保持對塔機(jī)的控制，如分期的塔機(jī)款項(xiàng)未按時(shí)收到，塔機(jī)售后出現(xiàn)故障進(jìn)行遠(yuǎn)程原因分析等。

針對這一情況，本文提出了一種基于Zig Bee與通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）技術(shù)的塔機(jī)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，本系統(tǒng)從現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸采用純無線的方式，減少了布線帶來的一系列問題［2］，將PLC與監(jiān)控系統(tǒng)“綁定”，利用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對塔機(jī)的遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)配備了黑匣子，建立了塔機(jī)群在線無線遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺，實(shí)現(xiàn)了對多臺塔機(jī)的集中管理，增加了許多塔機(jī)管理方面的新功能。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線遠(yuǎn)程終端、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及監(jiān)控中心等組成，如圖1所示。各傳感器節(jié)點(diǎn)采集各種工況參數(shù)，通過Zig Bee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、融合后，通過GPRS遠(yuǎn)程終端模塊打包封裝發(fā)送至預(yù)定IP地址的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析確定該分發(fā)給哪個(gè)監(jiān)控終端，并將其重新打包發(fā)送到指定的端口，監(jiān)控終端接收數(shù)據(jù)并存入本地?cái)?shù)據(jù)庫。這是整個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)上行傳輸流向，控制命令的下行傳輸流向正好與此相反。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of whole system

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與無線遠(yuǎn)程終端的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本部分中傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的微控制器選擇TI公司的無線單片機(jī)CC2430，GPRS模塊采用H7710 GPRS通信模塊。為了減輕協(xié)調(diào)器主控芯片的負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)采用P89LV51單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲，采用C8051F120進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)收發(fā)。

協(xié)調(diào)器主要任務(wù)是接收傳感器發(fā)送的采集數(shù)據(jù)，讀取時(shí)鐘芯片的時(shí)間，完成數(shù)據(jù)的計(jì)算、融合。為了能適用不同型號的塔機(jī)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了鍵盤電路以設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與無線遠(yuǎn)程終端部分的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)主要用于事件的感知與分組數(shù)據(jù)的傳輸［3］，主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信等組成。塔機(jī)運(yùn)行過程中的工況參數(shù)主要有質(zhì)量、高度、幅度、力矩、風(fēng)速等，其中，力矩采用直接計(jì)算的方法。傳感器節(jié)點(diǎn)中的傳感器采集出來的信號，經(jīng)RC濾波器處理，AD620差分放大，線性光耦隔離后，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)CC2430計(jì)算處理后由其高頻收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器。其結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。

無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)需要維護(hù)雙向的通信通道［4］，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)大部分都是上行傳輸，只有當(dāng)監(jiān)控終端有控制命令時(shí)，才有數(shù)據(jù)的下行傳輸。數(shù)據(jù)上行傳輸時(shí)，485口2處的切換開關(guān)接通存儲部分，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、力矩計(jì)算、數(shù)據(jù)重新打包后，分兩路發(fā)出，一路經(jīng)485口1發(fā)送至GPRS遠(yuǎn)程終端部分，并由其發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，進(jìn)而轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心監(jiān)控終端;另一路經(jīng)485口2選通存儲部分的切換開關(guān)發(fā)送至P89LV51，由其對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后，存入FLASH或鐵電。所有的485通信均采用MODBUS協(xié)議?？刂泼钕滦袀鬏敃r(shí)，485口2處的切換開關(guān)接通PLC部分，數(shù)據(jù)流向?yàn)?監(jiān)控中心監(jiān)控終端打包—網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行解析，重新打包—GPRS終端—協(xié)調(diào)器—PLC。數(shù)據(jù)下行傳輸中的每一步都需要確認(rèn)，以確?？刂泼畹目煽總鬏敗?/p>

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與GPRS遠(yuǎn)程終端的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Diagram of data acquisition system and hardware structure of GPRS remote terminal

系統(tǒng)中的存儲部分實(shí)現(xiàn)黑匣子功能，如圖2（b）所示。內(nèi)部保存的數(shù)據(jù)有:實(shí)時(shí)工況參數(shù)、設(shè)置數(shù)據(jù)、質(zhì)量和力矩過載記錄、時(shí)間修改記錄等。CC2430將要儲存的數(shù)據(jù)通過485口2發(fā)送至P89LV51，由其將數(shù)據(jù)存入鐵電或FLASH。由于鐵電與FLASH在讀寫時(shí)間與擦寫次數(shù)上的不同，數(shù)據(jù)優(yōu)先存入鐵電，當(dāng)鐵電存儲數(shù)據(jù)溢出后，再由P89LV51將鐵電數(shù)據(jù)導(dǎo)入FLASH中，若FLASH存儲空間用完，則由前到后進(jìn)行覆蓋，從而保證FLASH存儲器中的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)是最近的數(shù)據(jù)。如果用戶需要查看這些數(shù)據(jù)，可以插上SD卡，P89LV51檢測到SD卡插入后，啟動(dòng)寫 SD卡的操作，將FLASH與鐵電中的數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入SD卡，再用上位機(jī)軟件讀取SD卡，實(shí)現(xiàn)對黑匣子數(shù)據(jù)的提取。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為4個(gè)部分:傳感器部分、協(xié)調(diào)器部分、GPRS遠(yuǎn)程終端部分、存儲部分。實(shí)際上這里要對PLC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制還需設(shè)計(jì)PLC的程序，PLC需要按照MODBUS協(xié)議增加相應(yīng)的控制指令，限于篇幅這里不多詳述。

2.2.1 傳感器部分軟件設(shè)計(jì)

傳感器上電初始化后掃描有效的信道，尋找合適的父節(jié)點(diǎn)，通過關(guān)聯(lián)過程加入網(wǎng)絡(luò)。加入網(wǎng)絡(luò)后，會將自已的16位短地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到后將地址保存起來，以便協(xié)調(diào)器給傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸設(shè)置參數(shù)采用16位短地址進(jìn)行直接尋址。由于塔機(jī)工作環(huán)境惡劣，傳感器對讀取的AD數(shù)據(jù)采用了去極值平均濾波法的濾波處理，經(jīng)過計(jì)算處理后，傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器。當(dāng)系統(tǒng)要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，傳感器接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的設(shè)置數(shù)據(jù)。流程圖如圖3（a）所示。

2.2.2 協(xié)調(diào)器部分軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器上電后，主動(dòng)掃描選擇一個(gè)合適的信道，完成后選擇一個(gè)PANID。在網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器的短地址為0x0000［5］。網(wǎng)絡(luò)建立后，當(dāng)協(xié)調(diào)器收到傳感器加入網(wǎng)絡(luò)的請求時(shí)，會給該節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址［6］。協(xié)調(diào)器讀取時(shí)鐘芯片數(shù)據(jù)作為當(dāng)前系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)間，接收傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后送LCD顯示，并將這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和過載記錄通過485口2送入存儲部分。當(dāng)有設(shè)置鍵按下時(shí)，協(xié)調(diào)器讀取按鍵獲得設(shè)置值，并將其發(fā)送至對應(yīng)的傳感器，同時(shí)將這些設(shè)置參數(shù)送存儲保存。當(dāng)收到控制PLC的命令后，協(xié)調(diào)器會先“謹(jǐn)慎”地分析當(dāng)前的工況參數(shù)，確定當(dāng)前的控制操作安全以后才將指令發(fā)送給PLC。例如:協(xié)調(diào)器收到遠(yuǎn)程關(guān)閉塔機(jī)的命令，協(xié)調(diào)器先保存命令然后判斷重量參數(shù)，當(dāng)質(zhì)量小于0.01 t時(shí)，協(xié)調(diào)器才將指令發(fā)送至PLC，以確保PLC執(zhí)行此次指令后塔機(jī)的安全。流程圖如圖3（b）所示。

圖3 傳感器與協(xié)調(diào)器的流程圖Fig 3 Flow chart of sensor node and coordinator node

2.2.3 GPRS遠(yuǎn)程終端部分軟件設(shè)計(jì)

GPRS遠(yuǎn)程終端部分的C8051F120的主要任務(wù)就是將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。流程圖如圖4（a）所示。

GPRS模塊的功能是將接收到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成GPRS信號，利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將轉(zhuǎn)換成的GPRS信號發(fā)送到移動(dòng)通信數(shù)據(jù)中心。無線傳輸終端需要首先設(shè)置GPRS模塊的各種參數(shù)，如傳輸速率、移動(dòng)通信中心的各種信息等。GPRS模塊正常工作后，會在無線傳輸終端與移動(dòng)通信中心之間建立一個(gè)完全透明的傳輸通路，當(dāng)無線傳輸終端與數(shù)據(jù)中心握手連接成功，安全登陸后，無線傳輸終端才可向數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。為了節(jié)省GPRS流量，只有當(dāng)塔機(jī)吊物體和有報(bào)警時(shí)才上傳數(shù)據(jù)，同時(shí)為防止GPRS模塊長時(shí)間不上傳數(shù)據(jù)而產(chǎn)生“休眠”，系統(tǒng)每20 min上傳一個(gè)心跳數(shù)據(jù)包。

2.2.4 存儲部分軟件設(shè)計(jì)

存儲部分中，當(dāng)系統(tǒng)檢測到有SD卡插入時(shí)，系統(tǒng)將所需導(dǎo)出的數(shù)據(jù)按照預(yù)先分配好的地址寫入SD卡，然后根據(jù)這個(gè)分配的地址協(xié)議編寫讀取SD卡的上位機(jī)軟件，用此上位機(jī)軟件將數(shù)據(jù)讀出。這樣既防止了用戶數(shù)據(jù)被非法讀取，又避免了生成復(fù)雜的FAT文件系統(tǒng)部分，減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，其流程圖如圖4（b）所示。

圖4 GPRS遠(yuǎn)程終端與存儲的流程圖Fig 4 Flow chart of GPRS remote terminal and storage section

3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與監(jiān)控中心客戶端軟件設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用安全性相對較高的Linux系統(tǒng)作為服務(wù)器的操作系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)身份的驗(yàn)證和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，軟件主要結(jié)構(gòu)有以下4部分:1）無線終端設(shè)備的管理，無線傳輸模塊的添加與刪除;2）客戶端的管理，客戶端的綁定與刪除;3）權(quán)限管理，根據(jù)客戶端權(quán)限的不同提供不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù);4）日志管理，主要負(fù)責(zé)記錄遠(yuǎn)程終端設(shè)備和客戶端的管理、登陸等對服務(wù)器進(jìn)行訪問的行為。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中每臺GPRS傳輸模塊和監(jiān)控終端都有一個(gè)全球唯一的經(jīng)過加密的身份編號，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對每臺登陸的設(shè)備和監(jiān)控終端都要進(jìn)行服務(wù)驗(yàn)證，防止非法的設(shè)備進(jìn)入，獲取客戶數(shù)據(jù)資料，鑒于中心服務(wù)器對整個(gè)系統(tǒng)的重要性，中心服務(wù)器的安全性至關(guān)重要，所以，系統(tǒng)在服務(wù)器前端安裝硬件防火墻和對一些網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行安全加密等技術(shù)手段來保障服務(wù)器的安全。

3.2 監(jiān)控中心客戶端的設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心客戶端的功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無線遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，其內(nèi)容包括:設(shè)備管理、設(shè)備信息查看管理、用戶操作管理。

設(shè)備管理主要包括組管理和組屬性設(shè)置、終端設(shè)備管理和組綁定、終端設(shè)備信息修改、獲取在線終端設(shè)備列表等。

設(shè)備信息查看管理包括當(dāng)前設(shè)備實(shí)時(shí)信息的顯示，可執(zhí)行的控制命令、歷史信息的查詢、歷史信息管理。

用戶操作管理包括管理員的建立、管理員信息修改、管理員刪除。其中，管理員也有權(quán)限的不同:高級管理員可以查看、操作、添加用戶和分配用戶權(quán)限;操作員可以進(jìn)行除用戶管理外的其它操作;信息查看員只能查看信息。這樣根據(jù)不同的用戶對象，分配不同的操作命令權(quán)限，更有利于塔機(jī)的安全管理。

4 測試分析

本實(shí)驗(yàn)選在長沙京龍工程機(jī)械公司的塔機(jī)生產(chǎn)基地，測試Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量。選用2個(gè)節(jié)點(diǎn)，1個(gè)為傳感器節(jié)點(diǎn)，1個(gè)為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)每300 ms發(fā)送一幀給協(xié)調(diào)器，通過數(shù)據(jù)分析儀監(jiān)聽數(shù)據(jù)包，在不同的距離測試出其收包率的結(jié)果如圖5所示。

圖5 收包率與距離關(guān)系曲線Fig 5 Relationship curve between packet receiving rate and distance

圖5表明:當(dāng)傳感器與協(xié)調(diào)器距離增加時(shí)，收包率會降低，當(dāng)兩者的距離在15 m以內(nèi)時(shí)，傳輸效果較好，當(dāng)兩者距離超過30 m時(shí)，收包率低于50%，所以，此系統(tǒng)中兩節(jié)點(diǎn)之間的距離最大為15 m。

以質(zhì)量為例，對檢測精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，用塔機(jī)吊起已知重量的物體，待物體靜止后讀出監(jiān)測值，將此檢測值與實(shí)際值進(jìn)行比較，相對誤差在5%以內(nèi)，測試結(jié)果如表1所示（此時(shí)稱重傳感器的標(biāo)定值為2.5 t）。

表1 質(zhì)量參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab 1 Test result of weight parameters

從表1可以看出:測試的質(zhì)量在靠近設(shè)置零點(diǎn)與標(biāo)定點(diǎn)附近相對誤差最小。當(dāng)測試質(zhì)量大于標(biāo)定值時(shí)，超出標(biāo)定值的部分越大，相對誤差也就越大。所以，系統(tǒng)中要根據(jù)塔機(jī)所能承受的最大吊重，靈活地選取系統(tǒng)的標(biāo)定值，一般情況，標(biāo)定值應(yīng)接近最大吊重。將下位機(jī)的數(shù)據(jù)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸正確率100%，但通過采集系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的時(shí)間對比，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)有延時(shí)，這與GPRS的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有關(guān)，測試過程中最大延時(shí)小于10 s。

5 結(jié)束語

本文將Zig Bee與GPRS兩種無線技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，增加了塔機(jī)綜合管理方面的新功能，建立了塔機(jī)群在線無線遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了對多臺塔機(jī)的集中管理，而且還可以對塔機(jī)運(yùn)行實(shí)施有效的控制，保證了塔機(jī)設(shè)備的安全正常運(yùn)行。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用為進(jìn)一步進(jìn)行塔機(jī)群防撞系統(tǒng)的研究打下了基礎(chǔ)，并大大提升了塔機(jī)設(shè)備群的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控水平，這必將為塔機(jī)的安全運(yùn)行做出重大貢獻(xiàn)，產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］倪建軍，韋權(quán)偉，白 彬.施工升降機(jī)、塔機(jī)在線無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)介紹［J］.建筑機(jī)械，2009（4）:66－69.

［2］陳娜娜，周益明，徐海圣，等.基于GPRS的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（3）:108－110.

［3］高傳善，楊 珉，毛迪林.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究綜述［J］.世界科技研究與發(fā)展，2005，8（3）:1－8.

［4］孫志遠(yuǎn)，韓 煒.Zig Bee技術(shù)在振動(dòng)監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（10）:114 －116.

［5］王明合，王立華.基于Zig Bee的無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（7）:68 －70.

［6］龔發(fā)根，汪 煒，秦 拯.基于Zig Bee的無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)廢氣監(jiān)控系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（1）:86－89.