基于物联网技术的塔式起重机无线远程监控系统

吕西波，殷玉枫，高崇仁，张孟辉

(太原科技大学机械工程学院，太原030024)

塔式起重机(简称塔机)是建筑工程中不可缺少的装卸设备，巨大推动了基础设施的建设及社会的发展，但塔机事故的时有发生给社会带来负面影响。据统计，塔式起重机是特种设备中事故发生率最高的一种，而且事故发生带来巨大的生命或财产损失[1]。针对塔机的安全管理现状，本论文提出一种基于物联网技术的塔式起重机无线远程监控系统，融合监测和管理于一身[2]，有效地实现了多传感器多塔机的实时状态监测等功能。

1 物联网技术在塔机监控中的应用

为了满足未来塔式起重机监控的发展需求，国内外起重机企业、研究机构和科研院校一直在对塔式起重机监控的发展模式进行思考和探索[3]。面向塔式起重机监控应用的物联网结构主要分为感知层、接入层、网络层和应用层[4]，如图1所示:

本课题的系统主要包括四部分:塔机监控传感器(感知层)、塔机运行数据采集装置(接入层)、前端监控装置(接入及网络层)、后端监控平台(应用层)。系统结构说明:

塔机监控传感器:传感器的类型有称重传感器、小车变幅及速度传感器、起重力矩传感器、回转角度及回转速度传感器、起升高度及起升速度传感器、吊钩方向及速度传感器、风速传感器、温度传感器。本部分传感器选型，不同型号塔机有不同选择，在论文中不再叙述。塔机运行时参数采集装置:通过对传感器输出的电压、电流、脉冲信号进行处理，变为数字信号。在将数字信号进行数据融合及转化得到更为准确的可读参数，由ZigBee无线模块将采集参数传输给前端监控装置。

图1 塔机监控应用的物联网结构Fig.1 The internet of things structure of tower crane monitoring applications

前端监控装置:该装置安装在塔机司机室里，由主控板、显示器、ZigBee无线接收模块、GPRS无线远程传输模块等部分组成，主要完成对塔机的运行状态各个参数实时显示，对危险状态预警及报警，将采集运行数据进行存储，并用GPRS以无线方式传输数据，传输给后端监控平台即远程监控平台。

后端监控平台:无线远程监控平台通过中国移动通信部门将GPRS模块传输数据进行接收，并配置数据库服务器，保证数据的长时间及大容量存储，并方便数据的检索查阅，并对数据进行分析处理统计。监控平台配置上位机监控软件，实现数据的预处理和塔机状态的判断，对违章操作预警或报警。通过互联网，生产厂家、租赁商、用户、质监部门等可方便地对塔机状况进行查询及责任事故调查。

2 塔机运行时参数采集装置

本部分介绍了数据采集板的及ZigBee模块的设计。针对不同传感器输出信号的不同，有电压、电流和脉冲信号，设计相应的信号处理电路予以处理，将其转化为统一的数字信号给采集板使用。

2.1 采集板工作原理

本设计主要组成有数据采集，数据处理，无线传输，电源管理等部分。数据采集单元采集塔机运行时各个传感器参数;数据处理及存储单元主要是将采集到的信号进行AD转换，数据级融合、数据存储和任务调度;无线传输单元主要完成数据缓冲、爆发传输、数据加密、数据验证等工作;电源管理单元是对传感器正常工作提供稳定可靠的电源电压及电池欠压指示[5]。工作原理功能结构框图如图2所示。

2.2 数据处理存储及无线收发单元

数据处理单元采用MSP430F5437单片机，此芯片是一个16位超低功耗MCU，集成了较丰富的片内外设。MSP430F5437非常适合在低功耗ZigBee网络中工作。在本设计中单片机负责控制节点的数据处理操作、数据封装解析、功耗管理、任务调度等工作，而且可将采集数据实时的存储在FLASF中，防止数据意外丢失。

无线通信模块采用TI公司推出的CC2520，可满足各种应用对于ZigBee/IEEE802.15.4与专有系统的要求，包括工业监控、远程监控等。

图2 工作原理结构图Fig.2 The structure of working principle

3 前端监控装置

主控制板的功能是实现ZigBee-GPRS无线传输、监控数据显示、塔机GPS定位及报警等。利用主板上的ZigBee无线模块接收各个传感器发出的塔机运行数据参数，并在LCD显示屏上实时显示。当负荷超过90%时预警，大于100%时报警，并停止塔机运行，这时塔机不能继续向危险的方向运行，如爬杆、伸臂、起升等，实现对塔机的监控。而且将实时接收到的传感器数据存入SD卡，并由GPRS模块把数据传送给远程监控平台。主控制板总体结构如图3。本系统选用的处理器是三星公司的16/32 位精简指令集(RISC)微处理 S3C2440[6]。

图3 主控制板总体结构Fig.3 The overall structure of control board

3.1 GPRS 模块设计

GPRS是基于GSM的移动分组数据业务，GPRS通过在GSM网络中引入分组交换的功能，从而支持分组的数据传输方式[7]。GPRS网络在无线通信中的优势有接入范围比较广、高速传输、快捷登陆、永远在线、按流量收费等，非常适合在塔式起重机监控中的应用。GPRS模块是系统的远程数据发送端，选用华为公司的GSM EM310模块，很好的满足了塔机监控数据传输的需要，与主板的接口电路原理图如图4。

图4 GPRS接口电路原理图Fig.4 The principle diagram GPRS interface circuit

3.2 ZigBee模块设计

ZigBee模块本课题采用TI公司的SOC芯片CC2430，集成有高性能8051内核，具有128 K Flash和8 K RAM，14位ADC，AES128加密，看门狗定时器，2个串口等片上设备支持。与主板的接口电路原理图如图5。

3.3 串口驱动程序

针对本主控制板所实现的ZIGBEE无线模块的接收与GPRS模块的无线传输，而且这两模块与处理器S3C2440的连接均通过串口进行通讯，因此本课题重点开发嵌入式WINCE5.0的串口驱动程序。

虽然大部分的嵌入式系统都有通用串口驱动，但在具体得工程应用中，如本系统的串口驱动，对数据格式、波特率就有其特殊性，所以要进行串口驱动程序的重新编写，从而满足设备的通讯要求。WinCE中串口驱动的实现有固定的模型，串口驱动的结构如图6所示。串口驱动的开发关键是实现流接口函数，MDD层的代码可参考系统文件目录下的源代码，PDD层代码是与硬件密切相关的，需要才能编写代码[8]。

串口驱动模型作为WinCE中的常用驱动模型定义了全功能的串口，定义了TX和RX引线及DTR、RTS等引脚，串口驱动具有流控制和驱动Modem等设备的能力。其具体串口实现功能如下:

SW1开关:向上，串口COM2 RS-232模式;向下(靠近外接排线接口):串口COM2 GPRS模式;

SW2开关:向上，串口COM3 RS-232模式;向下(靠近外接排线接口):串口COM3 GPS模式;

SW3开关:向上，串口COM4 RS-232模式;向下(靠近外接排线接口):串口COM4 RS-485模式;

SW4开关:向上，串口COM5 RS-232模式;向下(靠近外接排线接口):串口COM5 RS-485模式;

SW5开关:向上，串口COM6 RS-232模式;向下(靠近外接排线接口):串口COM6 ZigBee模式。

图5 ZigBee接口电路原理图Fig.5 The principle diagram of ZigBee interface circuit

图6 串口驱动的结构Fig.6 Serial driver structure

4 后端监控平台

后端监控平台是由具有固定IP地址的计算机组成，数据库[9]和软件是平台的核心，监控平台的软件主要是塔式起重机运行数据采集软件。

采集软件的总体设计是围绕通信的实现来展开的，本软件是对主控制板发送来的数据进行接收，并且进行数据显示和保存，并不对数据进行分析，所以除了SOCKET通信外，其他部分的实现相对要简单一点。由于一台服务器需要接收多台下位机同时发送来的数据，本软件采取多线程技术实现多通道同时接收数据。多线程实现了数据的并行处理，防止某任务长时占用CPU。Visual Studio.NET 2008本身就是一个多线程的环境，此平台为本技术方案的实施提供了良好的架构基础。另外，同一进程的所有线程是共享同一内存，因此不需要特殊的数据传送机制，不需要建立共享存储区或共享文件，即可实现不同任务之间的协调操作与运行、数据的交互、资源的分配等。如图7所示为采集软件的总体流程图。

图7 采集软件总流程图Fig.7 The flow chart of acquisition chief software

5 软硬件协同测试

5.1实验平台结构

为验证开发设备的实用性，搭建了如图8所示的实验平台，为了实验简单有效，特以销轴式称重传感器为例，来说明实验的可行性。称重传感器与参数采集装置有线连接，采集电压信号转化为起重量;参数采集装置通过ZigBee无线网络发送出数据。前端监控装置的ZigBee模块接收起重量数据，并通过串口传输给上位机监控软件平台，实时显示塔机运行数据。

图8 实验平台结构图Fig.8 Experimental platform structure

5.2 测试结果

设备上电后，运行正常。上位机监控平台实时显示起重量状况，显示结果如图9所示:

图9 主副起重量状态显示Fig.9 The status display of main and auxiliary lifting weight

6 结论

从物联网技术的结构层次在塔机监控中的应用做了分析，提出了利用物联网技术的塔机无线监控系统，结合塔式起重机具体的工作方式和环境，用一套物联网网络设备完成对塔机的各个运行参数、地理位置及环境状况的监测与控制，为进一步实现“智能塔机”提供了依据。本系统不但提高了塔机监控的自动化程度，而且节省大量的人力和物力，方便快捷监控管理，有较高的使用价值和社会效益。

[1]范俊祥.塔式起重机[M].北京:中国建材工业出版社，2004.

[2]刘军.基于物联网的仓储管控一体化系统设计策略[J].物流技术，2011，30(8):1-3.

[3]陈俊玲.物联网的发展趋势[J].大众科技，2011(4):30-31.

[4]周小波.基于物联网技术的设施农业在线测控系统设计[J].太原科技大学学报，2011，32(3):182-185.

[5]王晓明.无线二氧化硫传感器的网络节点设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2010(9):32-35.

[6]辛雁峰，夏海宝，易春海.基于S3C2440移动终端的WinCE开发[J].微计算机信息，2009(3):71-73.

[7]曾孝平，吴建军.基于GPRS无线传输的数据采集器设计[J].自动化与仪器仪表，2009，144(4):28-29..

[8]罗健飞，吴仲城，沈春山，等.基于ARM和WinCE下的设备接口驱动设计与实现[J].自动化与仪表，2009，24(3):1-3.

[9]刘少武，张继福，高崇仁.起重机械检验数据挖掘系统的设计与实现[J].太原科技大学学报，2011，32(5):398-402.