陳 根 ，易治國(guó)

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

塔式起重機(jī)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(yùn)行是工程項(xiàng)目順利進(jìn)行的重要保障[1]。研究表明，塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)（風(fēng)速、起重量、幅度及回轉(zhuǎn)等）是影響其安全運(yùn)行的重要因素[1-2]，因此，亟需對(duì)塔機(jī)運(yùn)行監(jiān)控開展相關(guān)研究，建立在線監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。我國(guó)的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)目前主要通過傳感器現(xiàn)場(chǎng)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(cè)節(jié)點(diǎn)靈活性差；實(shí)時(shí)性較差[4]，當(dāng)塔機(jī)發(fā)生違規(guī)作業(yè)時(shí)不能及時(shí)進(jìn)行預(yù)警；監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)能力差，難以形成塔機(jī)群監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)這些問題，課題組設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的塔機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)。首先，各個(gè)測(cè)量終端采集施工現(xiàn)場(chǎng)各臺(tái)塔機(jī)風(fēng)速、起重、幅度及回轉(zhuǎn)等運(yùn)行參數(shù)，然后對(duì)采集到的塔機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波以提高測(cè)量準(zhǔn)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(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將收集到的塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)通過網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程發(fā)送至監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?yàn)樗C(jī)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(jì)

塔機(jī)運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)由塔機(jī)參數(shù)感知層、塔機(jī)參數(shù)傳輸層及塔機(jī)參數(shù)應(yīng)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(cè)量節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、傳感檢測(cè)裝置、網(wǎng)關(guān)組成，負(fù)責(zé)塔機(jī)風(fēng)速、起重、幅度、回轉(zhuǎn)角度的數(shù)據(jù)測(cè)量和轉(zhuǎn)發(fā)，若檢測(cè)值超過預(yù)設(shè)閾值則進(jìn)行預(yù)警。2）傳輸層。傳輸層實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層采集到的塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸。3）應(yīng)用層。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集，并通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)運(yùn)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(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。終端節(jié)點(diǎn)由STM32處理器、CC2530處理器、傳感器、信號(hào)處理電路、存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、供電電源和LCD顯示模塊等組成。STM32處理器首先對(duì)信號(hào)處理電路輸出的信號(hào)進(jìn)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(jìn)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(diǎn)；當(dāng)塔機(jī)發(fā)生違規(guī)作業(yè)時(shí)，STM32處理器驅(qū)動(dòng)報(bào)警模塊進(jìn)行預(yù)警，提示監(jiān)理工作人員進(jìn)行處理。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由STM32處理器、CC2530處理器、網(wǎng)關(guān)、LCD顯示模塊、報(bào)警模塊、調(diào)試模塊、存儲(chǔ)模塊等組成。CC2530處理器通過RF模塊接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)，然后將接收到的塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)通過串口傳輸給STM32處理器，STM32處理器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行LCD顯示、分析預(yù)警，最后通過網(wǎng)關(guān)模塊將塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程發(fā)送給監(jiān)控中心。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.3 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

對(duì)傳感器輸出的信號(hào)首先進(jìn)行放大處理，然后再接入CC2530處理器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換最終得到實(shí)際塔機(jī)運(yùn)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(duì)傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行處理。傳感信號(hào)處理電路如圖4所示。

圖4 傳感信號(hào)處理電路

根據(jù)運(yùn)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(jiǎn)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(jì)

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)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(dāng)通電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，然后便進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，再調(diào)用濾波算法對(duì)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)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(diǎn)。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊軟件流程如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，然后申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)加入網(wǎng)絡(luò)后，便進(jìn)入睡眠模式，等待定時(shí)中斷信號(hào)來臨，當(dāng)中斷信號(hào)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(diǎn)，然后便再次進(jìn)入睡眠模式等待下次中斷信號(hào)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(jì)

建筑施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜，目標(biāo)信號(hào)中常摻雜有一定的噪聲數(shù)據(jù)，為提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性，本系統(tǒng)將滑動(dòng)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(jī)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(dǎo)過程。

上式在存儲(chǔ)區(qū)中開辟了數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N的隊(duì)列，隊(duì)尾每進(jìn)來一個(gè)最新數(shù)據(jù)，隊(duì)頭便出去一個(gè)最老數(shù)據(jù)，隊(duì)列在運(yùn)算過程中始終保持N個(gè)最新數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)每次進(jìn)入隊(duì)列的最新數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)發(fā)[11-14]，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊軟件流程圖如圖7所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)通電后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)顯示至LCD并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警，當(dāng)超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)便進(jìn)行預(yù)警，最后將塔機(jī)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(yùn)行結(jié)果及分析

通過對(duì)系統(tǒng)開展聯(lián)調(diào)聯(lián)試，硬件上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，軟件上實(shí)現(xiàn)了塔機(jī)作業(yè)過程監(jiān)控。焊接好的終端節(jié)點(diǎn)實(shí)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(diǎn)實(shí)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(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的塔機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。當(dāng)發(fā)生塔機(jī)吊裝違規(guī)作業(yè)時(shí)，能及時(shí)進(jìn)行預(yù)警并提示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理人員；同時(shí)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程將信息傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程在線監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和可靠性。