基于ZigBee通信的一字梯安全监测研究

赖青岚

(国网泉州供电公司，福建 泉州 362000)

1 引言

供电企业负责变电站、配电室、开闭所和所有线路的运维检修工作，作业量大、作业时间长、作业人员缺乏，因此作业工程中经常存在安全隐患，特别是登高作业安全问题尤为突出。

运维和检修作业过程中，经常需要使用一字梯进行高处巡视和检修工作。电网检修作业过程中，明确规定在变电站或配电室内一字梯搬运应采用两人放倒搬运；使用一字梯过程中，严禁倾斜角度超过60度；且要求每个梯子要有限高标识，严禁作业过程中人员超过限高标识作业；同时要求，一字梯应能够承受作业人员和所携带工具、材料的总重量。

然而，实际工作过程中，经常出现违反《安规》的现象，有人立着搬运梯子，有的超重上梯作业，有的梯子倾斜角度偏离太多，这些现象都给人身、设备和电网带来严重的威胁。可见，研制一款一字梯安全监测装置，对加强登高巡视和检修等工作的安全管控至关重要。

2 概念介绍

2.1 传感器

传感器是一种信息或数据监测装置，它通过对所测量或感应的对象进行信息或数据采集，然后转换成电信号等其他方式的数据输出，以满足信息或数据的采集、传输和储存等功能。

2.2 ZigBee通信

ZigBee基于IEEE 802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术，它可以适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求。

与传统星型、点对点、网状网络采用最低成本节点为所有联网设备提供覆盖的架构不同，ZigBee采用动态、自主的路由协议，基于AODV的路由技术。

这种独特的架构使ZigBee拥有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率的特点。

2.3 阈值比较法

阈值比较法的原理：前端感应器将采集到的倾斜度、重量等数据信号转变为无线电波等，然后以ZigBee通信方式，传输到控制单元模块。控制单元模块将信号转化为具体数据与预先设置的参数进行比较，当超过预先设定的参数时，输出“违章作业”、“禁止攀登”或“停止作业”等报警信号。

阈值比较法作为一字梯安全监测算法，对于倾斜度、承重、触摸情况的监测精确，实施简单，编程方便。

3 功能设计

研制一款监测装置，通过各种传感器监测倾斜角、重量和人员数量，通过报警器提示现场作业人员违章行为，从而遏制现场违章行为，实现作业现场安全管控，提高现场作业人员的安全性。具体功能设计如下：

(1)监测一字梯的倾斜度；

(2)监测是否有人扶梯；

(3)监测一字梯是否承载过重；

(4)监测一字梯是否两人放倒搬运；

(5)监测是否超过限高工作；

(6)报警提示；

(7)违章记录。

4 系统架构设计

一字梯安全监测装置的系统架构主要由三部分组成：数据采集层、数据传输层和数据处理层，如图1所示。

图1 一字梯安全监测通信结构图

数据采集层采用多种传感器相融合的方法对一字梯倾斜度、一字梯当前承重、是否有人扶梯、是否超过限高作业、是否两人放倒搬运等情况进行采集；数据传输层采用ZigBee通信，对每个传感器的数据进行汇总、传输至处理层；数据处理层负责对底层的数据进行分析、对比和处理运算，对运维检修现场使用一字梯安全情况进行研判，并提供良好的人机交互界面[1]。

5 装置结构

监测装置分解为四大模块，硬件模块结构如图3所示。其中感应模块用于监测作业人员数据；报警模块用于提示作业人员违章行为；控制单元模块用于数据采集及算法处理，并得出结果；外观设计完成各模块的组装，使监测装置产品化。

图2 硬件结构图

5.1 感应模块

一字梯安全监测装置配置倾斜度感应模块实时监测一字梯的倾斜度，并将数值传送给控制单元模块；重量感应模块实时监测一字梯的承重，并将数值传送给控制单元模块；扶手感应模块实时监测一字梯是否在使用、是否有人扶梯，并将数值传送给控制单元模块；限高感应模块实时监测是否有人超过限高作业，并将数值传送给控制单元模块。

5.2 报警模块

一字梯安全监测装置优选语音模块和告警模块相结合，语音模块播报现场作业情况是否符合现在安全作业规范条例；告警模块用于违章警示和声光提醒。

5.3 控制单元模块

控制单元模块为一字梯安全监测器的核心，主要包括CPU、存储模块、USB模块、通信输出模块、信号复归、手动报警、电源电路、键盘控制、液晶显示和声光报警等。如图3所示。它主要功能包括：

图3 控制单元模块结构图

(1)经载波通信模块接收数据和发送指令；

(2)数据存储、数据处理和数据显示；

(3)通过键盘输入每个采集模块的最低和最高报警值，当数值越限时声光报警；

(4)可通过人工手动报警和信号复归。

5.4 外观设计

外观设计主要用于产品各模块的组装，使监测装置产品化，如图4和图5所示。

图4 外观设计正面结构图

图5 外观设计反面结构图

6 软件架构

一字梯安全监测装置的软件程序框架如图6所示。

图6 软件框架图

程序中判断部分是安全监测程序的核心部位，使用阈值比较法作为一字梯安全监测核心算法。

阈值比较法分为阈值点判断和阈值区间判断两类[2]。

(1)阈值点判断。以阈值比较法的倾斜度感应模块为例，假设倾斜度下限设定为45°，上限设定为65°。当一字梯安全监测装置的倾斜度感应模块监测到一字梯倾斜度大于65度或小于45°，则判断可能违章作业，进行违章作业进一步研判。

(2)阈值区间判断。以阈值比较法的重量感应模块为例，阈值区间判断不同于阈值点判断，作业人员的体重不确定，扶梯的人力度不确定，梯子的倾斜度不确定，但正常情况下，架设承重上限100kg，且波动幅度平缓。当发生超重违章作业时，承重将远大于100kg，且数据平稳，波动平缓，就判定可能发生违章作业，进行违章作业进一步研判。

采用阈值比较法作为一字梯安全监测算法，把阈值点判断和阈值区间判断两种方式结合起来，大大提提高安全研判的精度。

7 结束语

本文介绍了一种对作业现场使用一字梯安全情况进行数据采集、分析、存储和处理，实现一字梯倾斜度、承重、是否有人扶梯、是否两人放倒搬运等情况监测的一字梯安全监测装置。它能实现警示违章和违章提醒功能，实现一字梯使用过程中的在线安全管控。一字梯安全监测装置充分考虑安全性、经济性、可靠性和可扩展性，它监测的范围大，安装方便、使用简单、扩展简单。