一种建筑塔吊地面操控装置的设计与实现

曾昭献　马永军

摘 要：针对目前的建筑塔吊操作控制装置中操作人员工作环境恶劣，安全隐患大这一现状，文章设计了一种无需高空作业的地面操作控制装置，运用了实时高清数字视频处理、物联网、无线WIFI、51单片机微控制等技术，阐述了地面操控装置的结构和实现方法。

关键词：高清数字视频；物联网；硬盘录像机

1 概述

建筑塔吊是建筑机械的关键设备，在高层建筑施工中起着重要的作用，同时，对它的操控是建筑施工安全中最关键的因素。目前的建筑塔吊操作控制装置有两种作业方式：高空作业和现场遥控作业方式。高空作业方式，操作人员工作环境极为不便，在几十米高的踏架上爬上爬下，安全隐患大；现场遥控作业方式，操作人员视线有限，容易造成塔吊工作盲区和安全事故。

随着电子科技的迅速发展，高清数字实时视频监控、物联网、WIFI、微控制等技术在各领域里得到了广泛的应用，鉴于目前建筑塔吊操控方式存在的问题，文章提出了一种基于物联网技术，利用高清数字视频技术和无线传输技术，对施工现场画面实时传送和监控，能在地面进行操作的建筑塔吊操控装置的设计方案。

2 设计思路

本设计分两部分：塔吊施工现场视频监控部分和塔吊操作控制部分。

2.1 视频监控部分设计思路

操作人员在地面或室内通过安装在塔吊回旋机构四个方位的高清晰、高可靠性数字彩色摄像头来采集的施工现场实时图像，并传至硬盘录像机进行视频数据处理，根据在固定位置显示器或移动显示器上显示的图像，对塔吊进行操控。

2.2 塔吊操作控制部分设计思路

手动或遥控操作手柄发出操作指令，送入51单片机微控制芯片经数据处理输出驱动指令，以驱动塔吊的各功能电机正常工作。同时通过小车行程、塔臂回转角度、塔吊力矩、起升电机过载等传感器采集的数据送入51单片机微控制芯片经程序和数据处理发出驱动指令，以启动驱动机构和报警电路，保证塔吊的安全生产。

3 操控装置的硬件组成

系统硬件主要包括7个模块：视频图像采集模块、视频处理模块、视频显示模块、塔吊工作信息采集模块、操作模块、单片机系统、塔吊驱动及声光报警模塊。硬件组成如图1所示。

4 系统的设计与实现

4.1 视频图像采集

视频图像采集模块中四台摄像头的安装位置和用途如图2所示。所有摄像头采用高清晰彩色数字摄像头。所采集的施工现场视频图像接入硬盘录像机进行数据处理，球型摄像头配备云台控制器。

4.2 视频图像处理

视频图像处理模块采用大华DH-NER硬盘录像机为视频图像主处理模块。该型硬盘录像机为嵌入式微控制系统，集计算机网络、视频数据处理、图像合成、存储、物联网等最新技术于一体，是本装置图像控制中心，可同时处理八路视频信号，输出一路VGA、一路HDMI视频。接入无线路由器，可输出无线WIFI信号。施工现场采集的四路图像接入硬盘录像机，经数据处理，视频显示合成，一路输出至大屏幕显示器，一路经无线路由器输出至移动显示器，视频格式为MPEG4，无线传输速率达500KB。同时通过TCP/IP协议接入Internet，实现建筑管理人员的远程监控。视频图像处理工作过程如图3所示，硬盘录像机操作主界面如图4所示。

4.3 视频显示

根据装置的设计要求，需要对施工现场的视频图像进行高清晰彩色显示。硬盘录箱机VGA输出信号分辨率最大为：1280x1024。所选用的显示器具有以下性能：最佳分辨率： 1680x1050，视频接口： D-Sub（VGA），DVI-D。本装置主显示器选用SAMSUN 24寸彩色显示器，辅助显示器选用SAMSUN 21寸彩色显示器，移动显示器选用Lenovo/联想 A7600 A10-70十寸四核平板电脑。移动显示器通过WIFI接入硬盘录像机并浏览视频图像。

4.4 单片机微控制系统

单片机微控制系统是本装置操控的核心系统，本装置选用技术成熟，运行安全稳定可靠的8位8051单片机微控制系统。操作模块发出的指令，送入单片机系统进行运算和处理，发出指令以驱动塔吊各功能电机正常工作；同时塔吊工作信息采集模块也进入正常工作，当采集的信息出现异常时，单片机发出指令驱动自锁装置并安全报警，复位后，重新工作。信息的接入和输出连接8051单片机的并行I/O端口，操作控制接入口为：P1.0-P1.7；采集的信息接入口为：P2.0-P2.7；输出驱动接口为：P3.0-P3.3；遥控操作接入口为：串行接口。运行程序建立在C语言平台上开发。程序流程图如图5所示。

4.5 塔吊工作信息采集

塔吊工作信息采集模块是对塔吊工作时工作状态的信息采集，采集的数据内容：小车行程前后极限位置数据；塔臂旋转位置数据；力矩数据；起重过载数据。采集的数据信息通过A/D转换成二进制数码，接入8051单片机的并行I/O端口：P2.0-P2.7。电路原理框图如图6所示。

4.6 塔吊操作控制

本装置中有手柄操作和遥控操作两种方式，手柄操作采用左、右手分功能操作，左手柄操控塔臂旋转，右手柄操控小车行走和起重。手柄操作杆选用工业用操作杆。控制功能如图7所示。手柄发出的操控指令为二进制码直接接入8051单片机的并行I/O端口：P1.0-P1.7。遥控操作选用工业用塔吊遥控器，发射与接收采用自锁回路及高缜密集成电路，有安全码、汉明码等相应工业所需安全措施，遥控距离：100米，安全加密码：43亿组永不重复。遥控发射器将操作指令编码并无线发射，接收器收到信息并解码，再接入8051单片机的串行接口。

4.7 塔吊驱动电路和声光报警

塔吊驱动电路包括：小车行走和自锁、塔臂旋转和自锁、升降电机和自锁电路。单片机发出指令后，这些驱动电路相应动作，以驱动各功能电机工作。在本装置中延用高空操作方式塔吊成熟电路，与它不同的是控制电路接入方式，本装置中控制电路接入的驱动指令是8051单片机发出。由于8051单片机直接驱动大电流继电器困难，在8051单片机和大电流继电器之间加了一级驱动电路。声光报警直接由单片机完成，通过单片机运行程序产生1KHz信号驱动蜂鸣器，同时在P3.4端口输出一个高电平驱动LED，实现声光报警。

5 结束语

本装置将视频数字监控、物联网、无线WIFI、单片机微控制技术融合在一起，它的实现，不仅大大改善了塔吊操作人员的工作环境，同时也减少了塔吊操作人员安全隐患。因为有了视频存储，有利于安全事故的调查和远程管理。提高了管理效率和效益，对高层建筑的安全生产有着重要的意义。

参考文献

[1]陈海宴.51单片机原理及应用[M].北京：航空航天大学出版社，2012.

[2]倪志莲.单片机系统设计与制作[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]张波，等.基于嵌入式的智能塔吊远程控制系统的设计[J].电子世界，2013（21）：135.

作者简介：曾昭献，男，九江职业技术学院实验师，主要研究方向：应用电子技术。

马永军，男，九江职业技术学院教授，主要研究方向：单片机控制技术。