基于物联网的塔机远程安全监控系统设计*

2021-12-29易治国

南方农机 2021年24期

陈根，易治国

（1.湖南铁路科技职业技术学院铁道工程与信息学院，湖南株洲 412000；2.湖南省高铁运行安全保障工程技术研究中心，湖南株洲 412000）

塔式起重机作为建筑行业中使用最为广泛的工程设备之一，其安全可靠运行是工程项目顺利进行的重要保障[1]。研究表明，塔机运行参数（风速、起重量、幅度及回转等）是影响其安全运行的重要因素[1-2]，因此，亟需对塔机运行监控开展相关研究，建立在线监控系统实现对塔机运行参数的实时数据采集。我国的塔机监控系统目前主要通过传感器现场布线的方式，然而这种方法存在如下问题：布线困难[3]、监测节点灵活性差；实时性较差[4]，当塔机发生违规作业时不能及时进行预警；监控现场组网能力差，难以形成塔机群监控网络。针对这些问题，课题组设计了一种基于物联网的塔机远程安全监控系统。首先，各个测量终端采集施工现场各台塔机风速、起重、幅度及回转等运行参数，然后对采集到的塔机数据进行数字滤波以提高测量准确性和可靠性，最后将滤波后的参数通过WSN网络发送至网络中的协调器节点，协调器节点将收集到的塔机运行参数通过网关远程发送至监控中心，从而实现对塔机运行状态的在线监控。测试结果表明：该系统能够为塔机作业安全管理提供有效技术支持。

1 系统总体设计

塔机运行安全监控系统的架构由塔机参数感知层、塔机参数传输层及塔机参数应用层三部分组成，系统整体架构如图1所示。1）感知层。感知层由ZigBee测量节点、ZigBee协调器节点、传感检测装置、网关组成，负责塔机风速、起重、幅度、回转角度的数据测量和转发，若检测值超过预设阈值则进行预警。2）传输层。传输层实现对感知层采集到的塔机运行状态数据的远程无线传输。3）应用层。应用层实现对塔机运行状态数据的收集，并通过组态软件实现对塔机运行状态的过程监控[5-6]。

图1 系统整体架构

2 系统硬件设计

2.1 终端节点设计

终端节点结构如图2所示。终端节点由STM32处理器、CC2530处理器、传感器、信号处理电路、存储模块、报警模块、供电电源和LCD显示模块等组成。STM32处理器首先对信号处理电路输出的信号进行AD转换和模拟量变换，然后将转换得到的数据进行数字滤波，最后将滤波后的数据通过串口传送给CC2530处理器，CC2530处理器通过RF模块将数据发送至协调器节点；当塔机发生违规作业时，STM32处理器驱动报警模块进行预警，提示监理工作人员进行处理。

图2 终端节点结构图

2.2 协调器节点设计

协调器节点由STM32处理器、CC2530处理器、网关、LCD显示模块、报警模块、调试模块、存储模块等组成。CC2530处理器通过RF模块接收终端节点发送过来的塔机运行参数，然后将接收到的塔机运行参数通过串口传输给STM32处理器，STM32处理器对接收到的数据进行LCD显示、分析预警，最后通过网关模块将塔机运行参数远程发送给监控中心。协调器节点结构如图3所示。

图3 协调器节点结构图

2.3 信号处理模块设计

对传感器输出的信号首先进行放大处理，然后再接入CC2530处理器进行AD转换最终得到实际塔机运行参数值。本系统中采用差分放大电路、RC低通滤波电路和电压跟随器[7]，对传感器输出的电压信号进行处理。传感信号处理电路如图4所示。

图4 传感信号处理电路

根据运算放大器的虚短和虚断原则[7-8]，求得输出电压U0为：

电路中的R1=R3，R2=R4。因此，公式（1）可简化为：

由于U1和U0之间通过RC低通滤波电路和电压跟随器相连，因而抑制了高频噪声，提高了输入阻抗。

3 系统软件设计

3.1 终端节点软件设计

终端节点由数据采集模块和数据发送模块两部分组成。数据采集模块软件流程如图5所示，当通电后，系统首先进行初始化，然后便进行AD转换，再调用滤波算法对转换后的结果进行数字滤波，数据显示至LCD，最后将数据通过串口传输至数据发送节点。数据发送模块软件流程如图6所示，当系统上电后，首先进行初始化，然后申请加入网络，当加入网络后，便进入睡眠模式，等待定时中断信号来临，当中断信号到来后，读取串口数据并将数据发送至协调器节点，然后便再次进入睡眠模式等待下次中断信号到来。