基于wsn的施工升降機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于WSN的施工升降機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：針對(duì)當(dāng)前施工升降機(jī)安全事故頻發(fā)，且常發(fā)生群死、群傷的重大安全事故的安全管理弱的情況，設(shè)計(jì)一種施工升降機(jī)安全保護(hù)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在升降機(jī)內(nèi)部署檢測電機(jī)電流和升降機(jī)吊籠重量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)距離通信采用CPRS模塊。該系統(tǒng)不僅可以有效檢測升降機(jī)工作狀態(tài)并顯示報(bào)警，還可實(shí)現(xiàn)檢測位置的定

2、位、無線通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；電機(jī)電流；GPRS；遠(yuǎn)程監(jiān)控 </p><p>　　中圖分類號(hào)：X924.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　施工升降機(jī)，又稱外用電梯、施工電梯、附壁式升降機(jī)，是一種使用工作籠 (吊籠)垂直(或傾斜)運(yùn)動(dòng)

3、，用來運(yùn)送人員和物料的機(jī)械。施工升降機(jī)主要由鋼結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、安全保護(hù)裝置和電氣控制系統(tǒng)等部分組成[1]。作為常見的施工設(shè)備，將人或物料在大范圍內(nèi)進(jìn)行垂直升降和搬運(yùn)，是事故發(fā)生機(jī)率較大的建筑工程機(jī)械。雖然我國每年都耗費(fèi)大量的人力物力來進(jìn)行監(jiān)督，但由于地點(diǎn)廣，情況復(fù)雜，檢測不夠全面等問題降低了人工監(jiān)督的有效性。因此如何全面高效的對(duì)施工升降機(jī)設(shè)備進(jìn)行安全管理、保障其安全運(yùn)行是急需解決的難題。新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless senso

4、r network）為這方面的研究帶來了新的方法。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不依賴基礎(chǔ)設(shè)施，能多徑路由、自修復(fù)和自維護(hù)；具有分布式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在部分節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)可通過重組繼續(xù)工作，擁有信息融合機(jī)制，能有效降低系統(tǒng)的誤報(bào)警概率[2]。為施工升降機(jī)的安全監(jiān)控提供了全新的研究思路和解決方案。本文研究施工升降機(jī)的安全保護(hù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控，完成了施工升降機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的傳輸和上位機(jī)系統(tǒng)。 </p><p&g

5、t;<b>　　1．系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì) </b></p><p>　　將施工現(xiàn)場劃分為一個(gè)或幾個(gè)監(jiān)控區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)通過基于802.15.4協(xié)議的6oWPAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自組網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通過融合到sink節(jié)點(diǎn)，在通過長距離無線網(wǎng)絡(luò)GPRS的方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心[3]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 </p><p>　　圖1 施工升降機(jī)監(jiān)控架構(gòu) </p><

6、p>　　2.傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) </p><p>　　在整個(gè)系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)是傳感器的直接載體。它用于對(duì)升降機(jī)的電機(jī)電流，吊籠重量信號(hào)進(jìn)行A/D采樣、數(shù)據(jù)處理，并且能夠控制傳感器的狀態(tài)和上傳數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)集中器。同時(shí)監(jiān)控中心也可以通過傳感器節(jié)點(diǎn)控制升降機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙向通信。電機(jī)控制模塊由具有光電隔離的固態(tài)繼電器構(gòu)成，固態(tài)繼電器控制交流接觸器以達(dá)到驅(qū)動(dòng)升降機(jī)電機(jī)的目的。系統(tǒng)通過鍵盤模塊和數(shù)碼顯示模塊完成人機(jī)交換和輸入輸

7、出。根據(jù)要求，傳感器節(jié)點(diǎn)可以劃分為電源模塊、控制芯片模塊、重量信號(hào)采集模塊、射頻天線模塊、電流檢測模塊、電機(jī)控制模塊和顯示模塊等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 </p><p>　　圖2 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　2.1 控制芯片模塊的選擇 </p><p>　　主芯片采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC13224芯片，其特點(diǎn)如下：擁有強(qiáng)大的無線前段2.4GHzIEE

8、E802.15.4標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器，支持網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)；其內(nèi)嵌32位ARM7TDMI-S微控制器內(nèi)核，128KB系統(tǒng)可編程閃存，兩個(gè)8通道12位ADC，64個(gè)通用I/O引腳。 </p><p><b>　　2.2 射頻接口 </b></p><p>　　MC13224內(nèi)部集成了2.4GHzIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器，具有出色的接受器靈敏度和抗干擾能力?？删幊梯敵?/p>

9、功率為+4dbm，總體無線連接10dbm。只需要極少量的外部元件就可以完成無線收發(fā)功能，如圖3所示為MC13224的射頻天線接口，為了方便開發(fā)，這里同時(shí)設(shè)計(jì)了PCB微帶天線和SMC接口的外置天線其中E1為PCB微帶天線，J2為外部天線接口。 </p><p>　　圖3 MC13224射頻天線接口 </p><p>　　2.3 電流檢測模塊 </p><p>　　調(diào)查

10、研究表明：損壞的電動(dòng)機(jī)中有90％以上是由于電動(dòng)機(jī)在異常情況下運(yùn)轉(zhuǎn)造成的。其中堵轉(zhuǎn)、起動(dòng)失敗(起動(dòng)時(shí)間過長)、過載、短路、斷相、接地是最主要的原因。這些在運(yùn)行中出現(xiàn)的異常情況會(huì)致電機(jī)電流增大，當(dāng)電流超越額定電流值后會(huì)引起定子繞組過熱，造成電動(dòng)機(jī)損壞。施工升降機(jī)突然失去動(dòng)力，針對(duì)這種情況利用電機(jī)電流檢測模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測電動(dòng)機(jī)定子繞組電流。并根據(jù)電流的幅值、相位和波形對(duì)電機(jī)實(shí)施保護(hù)是一種既簡單又有效的保護(hù)方法[4]。 </p>&

11、lt;p>　　通過互感器將主線路中的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。羅氏線圈電流互感器二次的電流采樣信號(hào)標(biāo)稱值是1000M/100mV，經(jīng)過ICl2A跟隨器和ICl2B放大器進(jìn)入電位提升電路。因?yàn)槿嚯娐分忻肯嚯娏鳒y量電路原理都一樣，在此只畫出A相電路做以說明，電路原理圖如圖4所示。Ia-in是羅氏線圈輸出信號(hào)。ICl2A跟隨器的作用是增大輸入阻抗，ICl2B是個(gè)典型的放大器，其放大倍數(shù)為R61/R60的比值。C20在電路中的作用是濾

12、掉電網(wǎng)中的高頻干擾信號(hào)。最后進(jìn)入電位提升電路里的信號(hào)能比較真實(shí)的反映一次側(cè)電路情況。Ia-out電流信號(hào)值與 Ia-in電流信號(hào)值一樣，對(duì)電動(dòng)機(jī)起到雙重保護(hù)的作用。如果羅氏線圈輸出的電流信號(hào)值很大(如短路故障情況)，就不再需要放大器放大，直接進(jìn)入電位提升電路里，這樣可以擴(kuò)大電流測量的范圍。經(jīng)過放大的模擬電壓信號(hào)再輸入到芯片自帶的A/D采樣后進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算(根據(jù)放大器的輸出信號(hào)來判斷過載、斷相、短路故障、接地故障)，算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果與整定值比

13、較后，根據(jù)預(yù)設(shè)定的保護(hù)特性確定保護(hù)器的輸出狀態(tài)，如果電機(jī)電流異常立刻啟動(dòng)保護(hù)裝置防止升降機(jī)失去動(dòng)力而墜落并輸出聲音、光信號(hào) [5] 。 </p><p>　　圖4 電流測量電路原理 </p><p>　　2.4 重量采集模塊 </p><p>　　升降機(jī)在啟動(dòng)制動(dòng)時(shí)加速度發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)載荷誤報(bào)警。為避免因動(dòng)載荷誤報(bào)警，當(dāng)升降機(jī)在靜止時(shí)即電機(jī)電流為零時(shí)，采集安裝在

14、升降機(jī)吊籠頂部銷軸式重量傳感器信號(hào)。重量信號(hào)采集原理圖如圖5所示。采用CD4052雙四路模擬開關(guān)來切換2路重量傳感器和自檢信號(hào)。然后經(jīng)過RC低通濾波器濾除電路中的高頻分量后，使用差分放大器AD620放大由重量傳感器產(chǎn)生的mV級(jí)信號(hào)。放大以后的信號(hào)再經(jīng)過二階有源低通濾波器后，進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換，單片機(jī)實(shí)時(shí)獲取A/D采樣數(shù)據(jù)，完成對(duì)吊籠載荷的實(shí)時(shí)監(jiān)控[6]。AD620是一款低成本、高精度、單芯片儀表放大器，采用經(jīng)典的三運(yùn)放改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過調(diào)整片

15、內(nèi)電阻的絕對(duì)值，用戶只需要一個(gè)電阻便可實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的精確編程,非常適合于該系統(tǒng)中對(duì)重量傳感器信號(hào)的放大。 </p><p>　　圖5 重量測量電路原理圖 </p><p>　　2.5 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) </p><p>　　開機(jī)后進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括主控 MCU自身初始化和顯示參數(shù)的初始化。當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)正常時(shí)，先檢測控制中心的信號(hào)，若控制中心允許電機(jī)工作，則獲取電流

16、信號(hào)。為防止動(dòng)載荷誤報(bào)警，只有當(dāng)電機(jī)電流等于零時(shí)檢測升降機(jī)吊籠的重量，吊籠超載時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警和電機(jī)控制裝置并發(fā)送信號(hào)參數(shù)至監(jiān)控中心。若偏載則啟動(dòng)聲光報(bào)警室并發(fā) </p><p><b>　　圖6 程序流程圖 </b></p><p>　　送信號(hào)參數(shù)至控制室。當(dāng)電流不為零時(shí)檢測電流的大小和方向，經(jīng)過計(jì)算處理判斷電機(jī)是否過流、短路過載等情況并輸出顯示電機(jī)電流。若電機(jī)故障則

17、起動(dòng)電機(jī)控制模塊和聲光報(bào)警裝置并且向控制室發(fā)送當(dāng)前信息參數(shù)信息。流程圖如圖6所示。 </p><p>　　2.6 Sink節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) </p><p>　　在整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中Sink節(jié)點(diǎn)是處于傳感器節(jié)點(diǎn)的上層，它主要用于接收傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送給數(shù)據(jù)中心。同時(shí)也將監(jiān)控中心發(fā)來數(shù)據(jù)由GPRS中轉(zhuǎn)傳送到傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)升降機(jī)的主動(dòng)控制。系統(tǒng)框圖如圖7所示。系統(tǒng)的主

18、控芯片同樣選用MC13224芯片。GPRS模塊采用西門子公司生產(chǎn)的MC35 模塊。GPRS系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：可靠性高GPRS數(shù)據(jù)傳輸器采用面向連接的TCP/IP協(xié)議通信，避免了數(shù)據(jù)包的丟失，相比傳統(tǒng)的短信方式，數(shù)據(jù)更加可靠，并且數(shù)據(jù)中心可以與多個(gè)終端同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控范圍廣GPRS網(wǎng)絡(luò)在全國都已實(shí)現(xiàn)覆蓋，對(duì)終端的接入地點(diǎn)沒有限制，能滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)、村鎮(zhèn)、跨地區(qū)的接入的需求。非常適合大范圍的數(shù)據(jù)監(jiān)測?？蓪?duì)各監(jiān)測點(diǎn)儀器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制：通

19、過GPRS雙向系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行反向控制，如時(shí)間校正，狀態(tài)報(bào)告、開關(guān)等功能，并可進(jìn)行系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線升級(jí)。。 </p><p>　　圖7：Sink節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖 </p><p>　　3.監(jiān)控中心管理軟件的設(shè)計(jì) </p><p>　　監(jiān)控中心管理軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受和指令的發(fā)送。在該系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心對(duì)sink節(jié)點(diǎn)的控制主要通過短信的方式實(shí)現(xiàn)，而數(shù)據(jù)的接受則通過UDP

20、方式實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)中心對(duì)modem的操作主要通過串口的方式。UDP實(shí)現(xiàn)相關(guān)的API的操作主要步驟有建立撥號(hào)連接、開啟發(fā)送和winsockAPI、綁定IP和端口號(hào)、數(shù)據(jù)的接受。為了保證數(shù)據(jù)在sink節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心傳輸?shù)姆忾]性和正確性需在二者間制定通信規(guī)約。 </p><p><b>　　4.結(jié)束語 </b></p><p>　　從施工升降機(jī)現(xiàn)存的實(shí)際問題出發(fā), 設(shè)計(jì)了一種施

21、工升降機(jī)安全保護(hù)與遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)，使其具有很好的移植性和擴(kuò)展性。并在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場搭建了一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的施工升降機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)具有誤報(bào)警率低及抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。此外本系統(tǒng)具有良好的通用性和可靠性。該系統(tǒng)能有效的防止施工升降機(jī)安全事故的發(fā)生。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn): </b></p><p&g

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