基于S3C6410的造船门式起重机无线监控系统

陈庆，刘海龙

（湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲 412000）

基于S3C6410的造船门式起重机无线监控系统

陈庆，刘海龙

（湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲 412000）

针对目前造船门机监控系统在通信方式、监控数据和数据存储等方面的不足，设计了以S3c6410 ARM11为硬件平台的门机安全监控系统；系统采用Zigbee无线组网实现对各分布式传感器监测点的数据采集与处理，能够在最短时间内发现问题并参与控制；移植了嵌入式数据库SQLite3.0对关键数据实时存储，实现"黑匣子"记录功能；经实践验证：系统运行稳定可靠，能有效地保障造船门机运行安全，提高工作效率，具有良好的应用前景。

安全监控；S3C6410；Zigbee无线传输；SQLite数据库

造船门式起重机（简称门机）是船舶制造中必不可少的关键设备，其运行工况复杂、高空作业且操作难度大，极易引发重大安全事故。近年来，随着船舶工业的发展及门机在船舶制造中的广泛应用，施工中事故频发，且呈逐年上升趋势[1]。由于造船门机体积庞大、覆盖范围广且同时具有四路主载重吊钩，目视操作难度较大；在现场施工中，为提高工作效率，常有操作人员违规超载作业和重要部件超龄使用等问题，大大增加了门机事故的风险。国标GB/T5031-2008规定：大型起重机械必须强制安装安全监测装置，须对设备的工作状态、额定能力及危险因素进行监控与记录[2]。传统造船门机安全监控装置普遍采用机械式的，主要由操作人员的经验来保证，缺少动态监控与显示。林卫国[3]等提出了一种以单片机核心的门机安全监控系统，虽然在性能上有所提高，但监控数据单一，且采用通信电缆进行数据传递，安装繁琐、线路易老化，对传输信号干扰影响系统整体功能。因此，开发集成度高、稳定高效的安全监控系统对于门机应用安全领域具有重要意义。

系统主要针对影响门机作业安全的重要参数如四路吊重、倾斜角度、防碰撞信息、小车幅度、运行速度、高度、风速等参数进行实时监控，通过人机界面为门机操作人员提供参考，并起到“黑匣子”功能；仪表连接GPRS模块通过TCP/IP方式实现与远程监管中心无缝链接，管理人员可通过Internet在线对辖区内所有门机实时监控和统一管理。

1 总体结构与功能

系统主要由无线传感器终端、智能监控仪表和远程监控中心三部分组成。传感器子系统采用单片机对编码器数据采集与处理，通过ZigBee网络传送给S3C6410监控仪表；安装在驾驶室内的监控仪表接收数据与处理分析，为门机操作人员提供参考的同时，并将有关数据通过GPRS发送给远程监控中心；远程监控中心通过Internt网络接收和管理智能仪表发送来的监控数据。系统整体框架如图1所示。

智能监控仪表采用高性能、低功耗的S3C6410 ARM11微处理器为核心CPU，外围由Zigbee模块、GPRS/GPS模块、报警与控制电路、触摸屏显示器和存储单元等部分组成。S3C6410微处理器基于ARM1176JZF内核，标准工作主频600M，具有4通道UART，完美支持Linux、Android等嵌入式操作系统[4]。

图1 系统整体结构框架

2 主要电路设计与分析

2.1 Zigbee无线通信电路

Zigbee通信是一种短距离、低速率无线网络技术，具有低成本、低功耗、低复杂度等特点[5]。在门机系统中，每个传感器采集点通过89C51单片机连接Zigbee模块形成一个独立的子系统，各子系统与S3C6410监控仪表进行“多对一”数据传输，实现分布式传感器数据的采集。Zigbee模块数据输入RXD1、输出TXD1分别连接至SP3232EEN芯片RXD0、TXD0引脚，通过转换后对应连接于S3C6410 CPG2～5引脚，从而实现无线模块与主控芯片的数据通信。硬件设计如图2所示。

图2 Zigbee无线通信电路设计图

2.2 “黑匣子”存储电路设计

“黑匣子”存储电路实时记录门机动态运行参数，数据采用 Excel表格形式按日期分类进行存储，按照国标 GB/ T5031-2008规定：历史数据存储量不小于90天。因此系统采用8GB SDHC高速存储卡，具有大容量、高性能、安全等特点。SDHC的DATA0～DATA3，LCK（时钟线）、CMD（命令线）分别连接至S3C6410GPG7～GPG10、GPE5和GPE4引脚，实现DATA0～DATA3串行数据传输和存储[6]。主要电路设计如图3所示。

图3 SDHC存储电路设计图

3 系统软件设计

3.1 SQLite3.0数据库设计

为实现对现场数据的快速存储及动态更新，移植SQLite3.0数据库实现本地数据管理。SQLite3.0为目前应用最广泛的嵌入式数据库，它支持ACID特性、系统开销小、支持SQL92标准、检索效率高，非常适合嵌入式领域[8]。其体系结构自底而上分为操作系统接口层、存储管理层、虚拟机层、用户接口层，内部分为内核 （Core）、SQL编译器（SQL Compiler）、后端（Backend）、附件（Accessories）等四个核心组件，其体系结构如图4所示。

编译 sqlite3-amalgamation-3_7_5数据库源代码得到sqlite3.dll、sqlite3.lib文件作为应用程序的支持库，采用类CppSQLite3U进行C++封装好后提供专用API调用接口，程序直接调用API函数可方便地实现大容量本地数据管理，如进行查询、搜索、加密、U盘导出与GPRS发送等操作，相关代码如下：

图4 SQLite3.0数据库内部结构图

3.2 系统软件功能设计

系统上电后，软件执行系统初始化功能，包含看门狗、系统时钟、I/O口、VS1003B模块、Zigbee模块、控制电路复位等，初始化完成后仪表对原设定参数进行读取，并利用WaitForMultipleObject（）函数等待对应事件，事件发生后做出相应的处理；当检测数据发生异常时启动SQLite3.0数据库线程，实现对门机关键运行参数的存储；同时数据的远程发布通过GPRS模块连接Internet网路，构建的Web服务器完成对数据的接收，实现了对门机的远程监控。软件工作流程如图5所示。

图5 门机监控系统工作流程图

4 现场测试结果

基于S3C6410 ARM11为硬件平台，结合嵌入式系统Embedded Compact7构建友好的人机界面，很好地实现了对影响造船门机安全数据的实时监控与记录。通过现场测试表明，Zigbee无线传输网络采用Modbus通信协议，采用均值滤波系数大于12时，电流型传感器重量、力矩数据稳定，综合考虑，均值滤波系数选取18、24两种，系统数据稳定可靠。通过GPRS模块实现了对门机的无线远程监控管理，用户可通过Internet实时监控和管理门机的运行。监控终端触摸屏人机界面运行效果如图6所示。

图6 触摸屏人机界面

5结 论

系统通过Zigbee无线组网的模式对各分布式传感器监控点数据的采集与控制，并实现了保存关键数据到黑匣子、违章运行声光提示报警、上位机集中监控等功能。克服了传统机械保护监控模式的不足，是机械保护装置的良好替代产品，对于保障造船门机的安全运行具有重要作用。长期现场运行表明，系统稳定可靠，具有广阔的应用前景。

[1]徐鹏程.造船门式起重机安全保护系统的思考[J].机械研究与应用，2013，26（125）:170-175.

[2]林卫国.造船门式起重机安全监控管理系统[J].港口装卸，2013，210（3）:26-28.

[3]许明，闫旻.基于ARM11和WinCE的温室大棚嵌入式监控系统设计[J].仪表技术与传感器，2013（3）:88-90.

[4]杨辉，刘海龙，高子洁.基于ARM9及WinCE6.0的塔机安全监控系统[J].计算机测量与控制，2012，20（1）:78-80.

[5]李新春，张蕾，许驰，于永鑫.基于Zigbee的有源RFID在智能仓储中的应用[J].仪表技术与传感器，2013（7）:58-61.

[6]KANG Beom Jin，PARK DaeHeon．A study on the greenhouse auto control system based on wireless sensor network[J]．International Conference on Security Technology，2008（4）:41-44．

[7]高立兵.基于RFID技术的仓储管理系统研究与设计[J].工业仪表与自动化装置，2014（5）：67-70.

[8]王欣.基于SAW-RFID的石油钻具全程动态信息管理系统[J].工业仪表与自动化装置，2014（6）：110-112.

The wireless monitoring system of shipbuilding gantry cranes based on S3C6410

CHEN Qing，LIU Hai-long
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412000，China）

For the insufficient of the present monitoring and control system of the crane in communication mode，monitoring data and data is stored；the system of gantry crane safety monitoring and control based on S3c6410 ARM11 is designed in this paper.The Zigbee wireless networking is used to collect and deal with the distributed sensor monitoring，and it can find the problems and to control in the shortest time.To realize the"black box"record function，the SQLite3.0 embedded database is transplanted to real-time storage the Critical data.It is confirmed that the system operation is stable and reliable that can guarantee the monitoring and control system operation security and improving work efficiency，and it has a good application prospect.

safety monitoring；S3C6410；Zigbee wireless transmission；SQLite database

TN302

A

1674－6236（2016）18-0054-03

2015-10-03 稿件编号：201510004

湖南省教育厅科学研究青年项目（15B155）

陈 庆（1980—），男，湖南株洲人，硕士，讲师，工程师。研究方向：电气自动化，自动化控制。