基于物联网的生产车间施工作业安全预警系统设计

张辉宜，林 晨

（安徽工业大学 计算机学院，安徽 马鞍山 243002）

0 引 言

生产车间特别是炼钢生产车间的施工维护作业要求在不停产且施工单位不能改变现有生产设备位置、结构、操作以及运作方式的情况下进行，加上施工地点和施工时间的不固定性、施工任务的随机性，以及工程作业、机械设备检修任务的临时性，特别是车间生产有行车重载、长距离、不定时、无规律来回作业、噪音大等特点，无论在运输途中还是卸货时，货物的坠落、钢水的溢出等情况都可能对施工地点工作人员造成一定的威胁[1]。为解决这些问题，在保证施工安全的前提下，设计了一套易安装、便携式的针对炼钢生产车间的行车运行安全预警系统，通过声光报警方式提醒施工作业人员注意安全，并将预警数据上传云数据库，实现集团公司集中进行安全预警数据监控。

1 整体结构

根据炼钢车间实际生产的需要，该预警系统应该具备以下功能：（1）能够自主测量行车与施工地点距离，并在小于安全距离时进行声光报警；（2）预警系统需具备操作简单、安装简易、移动便携等特点；（3）可根据需要进行预警距离等参数设置。

系统硬件由两大部分组成：辅助节点和主节点。辅助节点是控制链的末端，安装在施工现场的左右两侧，由于行车在车间来回往复运动，故可将辅助节点的激光模块对准行车操作室或行车上一个相对固定的点，便可实现行车与辅助节点之间距离的测量，辅助节点与主节点的距离根据施工现场情况决定，这个值不需要太精确。主节点安装在施工现场实现与辅助节点的ZigBee协议数据通信以及与云服务器的4G数据通信。设备安装示意图如图1所示。

图1 预警系统安装示意图

通过图1可知，单个施工地点需要左右两个辅助节点来进行安全预警，由于存在多个厂区并且每个厂区又有多个施工地点，那么就需要通过多个主节点和辅助节点进行安全预警。整个安全预警系统架构如图2所示。一个主节点下面有两个辅助节点，辅助节点两两为一组，每一组代表一个施工地点，数据通过主节点4G模块上传云端，最后在PC端进行数据可视化。

图2 系统总体结构

2 系统硬件组成

主节点和辅助节点分别采用STM32F103VET6和STM32F103C8T6微处理器作为主控芯片。辅助节点包括L1激光测距模块、OLED显示模块、报警模块以及ZigBee-CC2530终端。主节点包括ZigBee-CC2530协调器、724UGCAT1-4G模块、TFT触摸屏模块和SP813看门狗电路。各个节点模块之间功能独立，通过不同的外设接口进行数据传输。主辅节点控制器通过外置引脚与各个模块相连，实现其对各个模块的命令控制和数据交换。主节点和辅助节点硬件组成如图3所示。

图3 主节点和辅助节点硬件组成

激光测距模块采用的是相位式激光测距传感器，相位式测距方式相较于脉冲和三角测距方式有着高精度、高响应速度、强抗干扰性等优势[2-3]，适合炼钢车间这种复杂的生产环境。使用ZigBee终端和协调器则是利用其强大的组网功能，建立主节点与辅助节点之间的数据通信网络[4]。施工地点与后台服务器之间选择合宙724UG-CAT1-4G模块。模块引出的串口做了电平转化直接与主节点MCU的串口1通信，并且支持标准AT固件，能很方便地支持TCP/UDP/MQTT等协议与云服务器进行连接[5]。看门狗电路是在系统受到炼钢车间电磁干扰后无法运转时，能够及时复位系统，保证系统正常工作[6]。主节点触摸屏程序用于设置各个辅助节点的报警阈值，辅助节点显示模块实时显示该节点测距结果。另外，考虑设备的便携性，辅助节点还可采用电池供电。

3 系统软件设计

整个安全预警系统需要完成以下功能：预警功能、测距数据采集、数据通信、数据存储及可视化。整个系统软件流程如图4所示。

图4 系统软件流程

3.1 预警策略

报警模块是由三个报警灯和一个报警器组成，报警灯有绿、红、黄三种颜色。根据行车与施工地点距离的远近划分为两个预警等级：I级和II级。用L1和L2分别表示触发I级和II级预警时所对应的距离值，D表示激光模块的测距值，其中L1＜L2。行车与激光模块的相对位置如图5所示。系统报警策略设计如下：当测量距离值D＞L2时，节点处于安全状态，绿灯亮起；当L1＜D≤L2时，节点处于II级预警状态，黄灯亮，绿灯灭；当D≤L1时，节点处于I级预警状态，红灯亮，黄灯灭，警报器响起。

图5 行车与激光模块相对位置

3.2 数据采集

辅助节点MCU与激光模块之间采用的是ASCII文本通信协议，通过串口2定时向激光模块发送“iSM”字符文本控制其完成测距，然后辅助节点MCU对激光模块返回的距离数据做出处理，判断其值是否满足触发预警策略的条件。若满足，报警模块则执行相应的报警操作。激光模块串口通信参数见表1所列。

表1 激光模块串口通信参数

3.3 ZigBee节点通信

主节点ZigBee协调器完成Z-Stack初始化，建立局域网等待辅助节点ZigBee终端加入[7]；终端节点加入局域网之后，辅助节点MCU将预警数据和正常数据通过ZigBee终端发送至主节点。主节点触摸屏模块可以修改各个辅助节点的预警阈值，通过协调器发送至对应的终端。此外，当ZigBee协调器收到终端数据和主节点做出阈值修改操作时都会将对应数据通过4G模块发送至后台服务器。

3.4 4G模块与云平台通信

利用阿里云物联网平台将设备接入互联网实现数据上传，主节点与云平台之间通过4G模块以MQTT协议方式进行无线通信[8]。该协议是基于TCP/IP的上层协议，采用了Topic/Publish通信结构，适用于不同环境的嵌入式设备[9]。该模块内置了MQTT协议栈，主节点MCU通过AT指令对其进行配置，实现主节点入网、连接云平台、订阅/发布消息等功能。

4 数据库设计及可视化

4.1 数据库设计

在数据库设计上主要用到了两张表：预警数据表和施工地信息表。预警数据包括预警时的距离值、预警时间、左/右节点、预警阈值以及施工地编号。施工地信息表主要包含施工地信息的简介以及施工地编号字段。主节点在上传数据时也会附带施工地编号信息，在监控平台进行施工地预警数据的可视化展示时，预警数据将与施工地信息表中的施工地编号字段进行匹配，以便查找出相应施工地的预警数据。

4.2 数据可视化

为了方便企业集中管理，监控平台采用B/S架构并用JAVA语言开发[10]。监控平台具有施工地管理以及查询预警数据等功能，其中施工地管理即是对施工地的增、删、修改、查询等操作，预警数据查询功能分为实时数据和历史预警数据查询。施工地管理页面如图6所示。

图6 施工地管理页面

实时数据查询页面如图7示，可以通过上方下拉框选择不同的施工地进行查看。

图7 实时监控页面

5 系统运行分析

系统测试选择马钢第二炼钢总厂的2#施工地，在该施工地架设好预警设备后进行了一段时间的运行测试。运行结果表明各功能模块运行正常，后台管理系统能够正常显示数据并对报警数据进行存储和可视化。

打开历史数据查询页面，选中该施工地，并点击所选施工地历史预警数据，将弹出该施工地预警数据表格，如图8所示。

图8 马钢第二炼钢总厂-2#施工地预警数据

在查询条件栏日期选择2022-04-19至2022-04-22，并点击查询会显示相应日期内的预警数据表格，点击柱状图则会显示所选日期内该施工地预警次数柱状图，如图9所示。

图9 马钢第二炼钢总厂-2#施工地预警次数

通过上述图表可以看出，系统运行稳定，性能良好。一方面，预警数据反映了各个施工地的安全状态，为工作人员对各个施工地做出针对性的安全管理提供了便利；另一方面，由于行车运载货物到达施工地点时会触发I级预警，所以这些图表也侧面反映了各个施工地行车的运行状况，方便工作人员统计各个施工地行车运输次数和工作效率。

6 结 语

为配合施工企业进行智慧工地建设，本文设计了一套基于物联网的移动便携式安全预警系统，通过激光测距技术测量作业人员与行车之间的距离进行预警，以此保证施工人员的安全。系统架构是多主节点和多辅助节点的树状结构，采用STM32F103系列单片机为主控制器，通过ZigBee自组网方式完成主辅节点通信；然后通过主节点的4G模块进行数据上传，实现数据集中可视化。试运行结果表明，该系统具有安装操作简单、易于扩展等特点，可推广应用于类似的生产场合。