基于ZigBee网络的塔吊监测控制系统

何瑛

（西安航空职业技术学院 人事处，陕西 西安 710089）

基于ZigBee网络的塔吊监测控制系统

何瑛

（西安航空职业技术学院 人事处，陕西 西安 710089）

针对国内塔吊安全监测系统的实际情况，结合短距离无线传输技术的发展，设计了一种基于ZigBee无线网络的塔吊安全监测系统，在分析设计系统网络拓扑的基础上，对硬件各子模块做了架构设计，同时对系统中ZigBee网络建网、入网等做了详细设计，设计结果表明该系统方案稳定可行，延时较短，容易扩展，可普及性高，具有一定的实用价值。

ZigBee；路由器；协调器；协议栈；原语

随着建筑业的不断发展，高层建筑施工强度与难度的提高，塔式起重机（塔吊）的应用越来越广泛。塔吊的实际工作环境复杂，且受自重和结构变形等外界因素影响，在拆装、运行时也会发生变形，常规的塔吊安全保障手段主要依赖于定检、监检及日常维护，无法对塔吊运行情况做到实时掌握，缺乏突发事故的预防机制，因此，需设计一套操作简易，安装简单，容易扩展，可实时观测塔吊各项参数，掌握塔吊健康状况的监测系统。

1 通信标准选取

由于塔吊高度的可变性，以及其结构的多样性，使得有线通信在塔吊上的布线稍显麻烦，不够灵活，故而本设计将选取短距离无线通信标准。根据常见短距离无线通信的传输范围、网络容量及传输速率，Zigbee网络可以完全满足塔吊监测系统的设计要求[1]。

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准，工作在2.4 G ISM频段的低功耗个域网，其通信可靠，网络自组织、自愈能力强，在外接5 dB鞭状天线的条件下，可传输200～250 m。

2 塔吊监测系统网络拓扑

塔吊监测系统可实时监测力矩情况，并向驾驶员展示，当力矩超限时，可发出声光报警信号，并控制作业操作，同时可保存塔吊作业时各节点的参数值。塔吊安全监测系统由驾驶室终端，吊重采集节点，吊高采集节点，转角采集节点，幅度采集节点，ZigBee路由器，ZigBee协调器以及PC服务器等组成，各节点通过Zigbee网络向驾驶室终端和服务器传输数据，同时可通过Zigbee网络协作控制塔吊。

在塔吊监测系统中，ZigBee网络的建网主要由路由器负责，在识别加入终端节点的网络地址后，选择合适的网络路径传输给协调器；而ZigBee网络的发起与管理维护，以及新设备地址分配，节点的加入与离开等，都由ZigBee协调器完成。其网络结构示意图如图1所示。

3 塔吊监测系统硬件设计

塔吊监测是基于ZigBee网络的信息采集系统，硬件[2-6]由监控中心（上位机）、驾驶室终端、无线接收网关、无线称重仪及手持机、无线倾角测量仪、无线张力测量仪组成。每种测量仪由数据采样、数据处理模块、无线收发模块、供电模块组成。考虑系统硬件成本，以及开发难度和开发时间，ZigBee网络设计，将选择Chipcon公司的CC2430芯片。它支持2.4 GHz，IEEE802.15.4/ZigBee协议并内置了ZigBee协议栈，而且具有32/64/128 kB闪存、8 kBSRAM等。

图1 塔吊ZigBee网络结构示意图

3.1 子模块设计方案

3.1.1 称重测量仪

无线称重测量仪，结构紧凑、安装方便，能承受一定拉力与压力。与它配合的无线通信数据采集模块，需具有高灵敏度、低功耗、可持续稳定工作等特点。驾驶室终端、无线手持机，采用带背光的液晶屏幕，可实时显示接收到的重量值。本设计中，称重传感器的安放位置如图1所示，在起升钢丝的末梢固定端，塔吊起重重量应位于称重传感器最大量程的20%到80%之间。其结构框图如图2所示：

图2 无线称重测量仪框图

3.1.2 无线倾角测量仪

无线倾角测量仪，用于测量物体的倾斜角，即俯仰角，它采用高性能MCU及基于3D-MEMS技术的进口倾角传感器设计，并采用无线通信方式输出测量结果。其结构框图如图3所示。

图3 无线倾角测量仪框图

3.1.3 无线张力传感仪

无线张力测量仪，采用专用于钢丝绳张力测量的，旁压张力传感器，它安装方便、操作简单、维修容易。钢丝绳通过U形螺栓固定在传感器上，受拉力时力通过导向轮作用于传感器上。安装时，张力探头与张力变送器之间采用屏蔽线连接。其结构框图如图4所示。

图4 无线张力测量仪逻辑图

3.2 手持机设计

手持机包括以下几个部分：基于单片机的显示与预警模块、CC2430片上系统、系统时钟和实时时钟模块、调试接口、天线、电源等组成。CC2430片上系统主要完成消息的接收，应用于各个子模块中。硬件结构图如图5所示。

图5 手持机终端硬件结构示意图

3.3 ZigBee路由器设计

终端节点系统地设计理念为低功耗、节能，故其发送功率和以及接收范围有限。然而，塔吊工作环境复杂，对无线信号衰减较大，使短距离无线通讯组网覆盖的范围进一步缩小。为使ZigBee网络可应用于环境较复杂的建筑工地，有两种解决途径，第一，在原网络发射（CC2430）系统的基础上加一级射频前端放大（CC2591），来提高原网络的发射功率，从而增加其网络覆盖面积。前端放大CC2591连接示意图如图6所示，第二，可使用方向性较强的天线组合来实现较远距离的信息采集与传输，如八木与平板天线的组合。本设计中，两种都有用到，将八木天线用作路由器的发射天线，而平板天线用于协调器接收天线。

图6 CC2591连接示意图

4 ZigBee无线模块软件设计

4.1 设计流程

塔吊监测系统软件[7-13]设计的整体流程大致可分为两个部分：第一，ZigBee设备初始化以及ZigBee网络的建立，其中需要初始化的设备有，协调器、路由器以及终端设备等，而建网过程主要包括3个方面，分别为：终端申请加入，路由允许终端加入，以及协调器将路由器加入网络等；第二，设备进入正常运行状态后，路由器与网络协调器将执行循环程序，并通过中断来接收，来自终端节点设备发出的消息。

4.2 ZigBee无线模块相关软件设计

TI公司提供的Z-Stack协议栈符合ZigBee规范，可以完全运行在CC2430所在的节点上。Z-Stack运行在操作系统抽象层（OSAL）上，其任务的调度驱动机制与Windows消息事件驱动机制相类似，是通过触发任务事件来实现任务调度。

ZigBee模块每层都有相应的服务来完成设定的工作任务，而各项服务通过服务原语来实现，有以下4类原语较为常用：请求（Request），指示（Indication），响应（Response）和确认（Confirm）。

4.2.1 ZigBee协调器

本设计中，协调器与上位机的通信由RS485来完成。在接收到路由节点，终端节点的配置信息以及各传感器所在节点反馈回的有效数据时，这些数据将通过RS485完成协调器与服务器间的传输与交互。ZigBee网络中的设备应具备申请加入与离开已知网络的功能。同时，网络中的协调器与路由器还应具有，允许网络设备加入与离开，以及维护近邻设备列表等功能。

ZigBee协调器初始化后才能创建新网络，初始化时，协调器通过NLME-NETWORK-FORMATION.Request请求原语来完成。ZigBee网络中的地址如同IP地址一样，具有时效性与唯一性，故地址的分配需遵循一定的算法来执行。对ZigBee网络中的设备地址的分配，会用到以下几个参数的设置MAX_DEPTH，MAX_ROUTERS和MAX_CHILDREN等。

其中，网络的最大深度由MAX_DEPTH参数决定，同时该参数限制了网络在物理上的长度，一般情况，协调器的网络深度为0，其子节点网络深度为1，子节点的下一级节点深度为2，以此类推；网络中路由器或协调器可挂接的并列的子节点个数由 MAX_CHILDREN参数决定；而参数MAX_ROUTER是MAX_CHILDREN的一个子集，它决定了网络中某个在网路由器或者某个在网协调器，可处理具有路由功能的子节点最大个数。

4.2.2 ZigBee路由器

ZigBee路由器类似Internet网络中路由器，在通过原语NLME_START_ROUTER初始化后，将实现终端、路由以及协调器间的数据交互功能。

路由器允许节点加入现有网络的流程为：首先，在设置扫描参数将要扫描的信道以及扫描每个信道的持续时间之后，应用层将发送NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原语，网络层在接收到该原语后，利用MLME-SCAN.Request原语，请求MAC层执行主动扫描。其初始化及入网流程如图7所示。

图7 路由器初始化及入网流程图

4.2.3 ZigBee模块终端程序

当在网的路由器或协调器允许一个新节点加入自身所在网络时，新加入的节点将成为允许加入网络的路由器或协调器节点的子节点。子节点申请加入现有网络的途径有两种，第一种是通过MAC层的关联加入，第二种是由其上一级节点（父节点）直接加入网络。

终端节点通电后，需分别进行以下几个初始化过程，硬件、协议栈、全局中断、所在网络的节点状态、命令帧状态等的初始化，然后运行协议栈。终端节点将用户信息通过其上一级，逐级向上发送至协调器，同时也可以接收协调器发来的命令与信息，其主流程图如8图所示[7-10]。

图8 终端节点程序流程图

5结 论

基于ZigBee网络的塔吊监测控制系统，是在结合了ZigBee无线网络的数据传输速率高，功耗低，网络容量大，通信可靠等功能优点的基础上设计开发的，具有成本低，技术成熟、结构合理，方便扩展等优势，在实时监测掌握塔吊运行情况的同时，增加了突发事件的预防机制，提高了塔吊的安全系数，从而大大降低突发事件的发生，对国内塔吊安全监测系统以及塔吊黑匣子的研究也具有一定的指导意义。

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Tower crane monitoring control system based on ZigBee network

HE Ying
（Personnel Department，Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi'an 710089，China）

For actual situation of domestic crane safety monitoring system，combined with the development of short-range wireless transmission technology，designed a ZigBee-based wireless networks crane safety monitoring system，based on the analysis and design system network topology，hardware sub-module made architecture design，while building a network ZigBee network system，network，and so do the detailed design，the design results show that the system is stable and feasible，shorter delay，easy to expand，high popularity，has some practical value.

ZigBee；router；coordinator；protocol stack；primitive

TN99

A

1674－6236（2016）18-0089-04

2014-12-12 稿件编号：201412105

何 瑛（1982—），女，江苏常州人，硕士，讲师。研究方向：电子、通信、智能控制等。