塔機在線無線遠程監控系統設計*

宋宇宙，蘇 娟，何 清

（湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙 410082）

0 引言

近年來，塔機安全事故頻發，使得加強對塔機的綜合管理、實現對塔機的安全監控變得極其重要，塔機監控系統應運而生，其主要作用是對塔機運行過程中的各種工況參數進行實時監測和記錄，為安全操作塔機提供重要的依據［1］。塔機運行異常時，能夠及時報警，防止事故的發生或擴大;事故發生后則可調取工況參數，分析事故原因。然而，傳統的塔機監控系統大多采用有線的方式，一方面由于塔機上面環境復雜，當傳感器數目比較多時采用這種方式會使現場的布線、安裝、維護困難，同時塔機上運行電機中強電產生的電磁場也會對弱電信號產生很強的干擾。另一方面，相對于塔機用戶，塔機制造商對實現塔機強有力監控的愿望更加強烈，除監測塔機的運行參數外，制造商希望在塔機售后的某些情況下仍能保持對塔機的控制，如分期的塔機款項未按時收到，塔機售后出現故障進行遠程原因分析等。

針對這一情況，本文提出了一種基于Zig Bee與通用分組無線業務（GPRS）技術的塔機安全遠程監控系統的設計方法，本系統從現場數據的采集到遠程數據的傳輸采用純無線的方式，減少了布線帶來的一系列問題［2］，將PLC與監控系統“綁定”，利用GPRS技術實現對塔機的遠程控制。該系統配備了黑匣子，建立了塔機群在線無線遠程監控管理平臺，實現了對多臺塔機的集中管理，增加了許多塔機管理方面的新功能。

1 系統的總體結構

系統主要由現場數據采集系統、無線遠程終端、網絡服務器及監控中心等組成，如圖1所示。各傳感器節點采集各種工況參數，通過Zig Bee網絡發送至協調器，協調器對數據進行分析、處理、融合后，通過GPRS遠程終端模塊打包封裝發送至預定IP地址的網絡服務器，網絡服務器對數據包進行解析確定該分發給哪個監控終端，并將其重新打包發送到指定的端口，監控終端接收數據并存入本地數據庫。這是整個監測數據上行傳輸流向，控制命令的下行傳輸流向正好與此相反。

圖1 系統整體結構圖Fig 1 Structure diagram of whole system

2 現場數據采集系統與無線遠程終端的設計

2.1 硬件設計

本部分中傳感器節點和協調器節點的微控制器選擇TI公司的無線單片機CC2430，GPRS模塊采用H7710 GPRS通信模塊。為了減輕協調器主控芯片的負擔，系統采用P89LV51單片機負責數據存儲，采用C8051F120進行GPRS數據收發。

協調器主要任務是接收傳感器發送的采集數據，讀取時鐘芯片的時間，完成數據的計算、融合。為了能適用不同型號的塔機，系統設計了鍵盤電路以設置系統參數。現場數據采集系統與無線遠程終端部分的硬件結構如圖2所示。

傳感器節點主要用于事件的感知與分組數據的傳輸［3］，主要由數據采集、數據處理、數據通信等組成。塔機運行過程中的工況參數主要有質量、高度、幅度、力矩、風速等，其中，力矩采用直接計算的方法。傳感器節點中的傳感器采集出來的信號，經RC濾波器處理，AD620差分放大，線性光耦隔離后，再進行A/D轉換，然后經CC2430計算處理后由其高頻收發模塊將數據發送至協調器。其結構如圖2（a）所示。

無線監測網絡需要維護雙向的通信通道［4］，系統中的數據大部分都是上行傳輸，只有當監控終端有控制命令時，才有數據的下行傳輸。數據上行傳輸時，485口2處的切換開關接通存儲部分，協調器節點收到傳感器節點發送的數據，進行數據融合、力矩計算、數據重新打包后，分兩路發出，一路經485口1發送至GPRS遠程終端部分，并由其發送至網絡服務器，進而轉發至監控中心監控終端;另一路經485口2選通存儲部分的切換開關發送至P89LV51，由其對數據進行解析后，存入FLASH或鐵電。所有的485通信均采用MODBUS協議。控制命令下行傳輸時，485口2處的切換開關接通PLC部分，數據流向為:監控中心監控終端打包—網絡服務器進行解析，重新打包—GPRS終端—協調器—PLC。數據下行傳輸中的每一步都需要確認，以確保控制命令的可靠傳輸。

圖2 數據采集系統與GPRS遠程終端的硬件結構圖Fig 2 Diagram of data acquisition system and hardware structure of GPRS remote terminal

系統中的存儲部分實現黑匣子功能，如圖2（b）所示。內部保存的數據有:實時工況參數、設置數據、質量和力矩過載記錄、時間修改記錄等。CC2430將要儲存的數據通過485口2發送至P89LV51，由其將數據存入鐵電或FLASH。由于鐵電與FLASH在讀寫時間與擦寫次數上的不同，數據優先存入鐵電，當鐵電存儲數據溢出后，再由P89LV51將鐵電數據導入FLASH中，若FLASH存儲空間用完，則由前到后進行覆蓋，從而保證FLASH存儲器中的數據永遠是最近的數據。如果用戶需要查看這些數據，可以插上SD卡，P89LV51檢測到SD卡插入后，啟動寫 SD卡的操作，將FLASH與鐵電中的數據全部導入SD卡，再用上位機軟件讀取SD卡，實現對黑匣子數據的提取。

2.2 軟件設計

軟件設計主要分為4個部分:傳感器部分、協調器部分、GPRS遠程終端部分、存儲部分。實際上這里要對PLC實現遠程控制還需設計PLC的程序，PLC需要按照MODBUS協議增加相應的控制指令，限于篇幅這里不多詳述。

2.2.1 傳感器部分軟件設計

傳感器上電初始化后掃描有效的信道，尋找合適的父節點，通過關聯過程加入網絡。加入網絡后，會將自已的16位短地址發送給協調器，協調器收到后將地址保存起來，以便協調器給傳感器節點傳輸設置參數采用16位短地址進行直接尋址。由于塔機工作環境惡劣，傳感器對讀取的AD數據采用了去極值平均濾波法的濾波處理，經過計算處理后，傳感器將數據發送至協調器。當系統要進行參數設置時，傳感器接收協調器發送的設置數據。流程圖如圖3（a）所示。

2.2.2 協調器部分軟件設計

協調器上電后，主動掃描選擇一個合適的信道，完成后選擇一個PANID。在網絡中，協調器的短地址為0x0000［5］。網絡建立后，當協調器收到傳感器加入網絡的請求時，會給該節點分配網絡地址［6］。協調器讀取時鐘芯片數據作為當前系統的實時時間，接收傳感器發送來的數據，進行數據處理，然后送LCD顯示，并將這些實時數據和過載記錄通過485口2送入存儲部分。當有設置鍵按下時，協調器讀取按鍵獲得設置值，并將其發送至對應的傳感器，同時將這些設置參數送存儲保存。當收到控制PLC的命令后，協調器會先“謹慎”地分析當前的工況參數，確定當前的控制操作安全以后才將指令發送給PLC。例如:協調器收到遠程關閉塔機的命令，協調器先保存命令然后判斷重量參數，當質量小于0.01 t時，協調器才將指令發送至PLC，以確保PLC執行此次指令后塔機的安全。流程圖如圖3（b）所示。

圖3 傳感器與協調器的流程圖Fig 3 Flow chart of sensor node and coordinator node

2.2.3 GPRS遠程終端部分軟件設計

GPRS遠程終端部分的C8051F120的主要任務就是將現場采集的數據通過GPRS模塊發送到數據中心。流程圖如圖4（a）所示。

GPRS模塊的功能是將接收到的數字信號轉換成GPRS信號，利用移動通信網絡將轉換成的GPRS信號發送到移動通信數據中心。無線傳輸終端需要首先設置GPRS模塊的各種參數，如傳輸速率、移動通信中心的各種信息等。GPRS模塊正常工作后，會在無線傳輸終端與移動通信中心之間建立一個完全透明的傳輸通路，當無線傳輸終端與數據中心握手連接成功，安全登陸后，無線傳輸終端才可向數據中心發送數據。為了節省GPRS流量，只有當塔機吊物體和有報警時才上傳數據，同時為防止GPRS模塊長時間不上傳數據而產生“休眠”，系統每20 min上傳一個心跳數據包。

2.2.4 存儲部分軟件設計

存儲部分中，當系統檢測到有SD卡插入時，系統將所需導出的數據按照預先分配好的地址寫入SD卡，然后根據這個分配的地址協議編寫讀取SD卡的上位機軟件，用此上位機軟件將數據讀出。這樣既防止了用戶數據被非法讀取，又避免了生成復雜的FAT文件系統部分，減輕了單片機的負擔，其流程圖如圖4（b）所示。

圖4 GPRS遠程終端與存儲的流程圖Fig 4 Flow chart of GPRS remote terminal and storage section

3 網絡服務器與監控中心客戶端軟件設計

3.1 網絡服務器設計

網絡服務器采用安全性相對較高的Linux系統作為服務器的操作系統，主要實現身份的驗證和數據的轉發，軟件主要結構有以下4部分:1）無線終端設備的管理，無線傳輸模塊的添加與刪除;2）客戶端的管理，客戶端的綁定與刪除;3）權限管理，根據客戶端權限的不同提供不同的數據轉發服務;4）日志管理，主要負責記錄遠程終端設備和客戶端的管理、登陸等對服務器進行訪問的行為。

遠程監控系統中每臺GPRS傳輸模塊和監控終端都有一個全球唯一的經過加密的身份編號，網絡服務器對每臺登陸的設備和監控終端都要進行服務驗證，防止非法的設備進入，獲取客戶數據資料，鑒于中心服務器對整個系統的重要性，中心服務器的安全性至關重要，所以，系統在服務器前端安裝硬件防火墻和對一些網絡傳輸數據進行安全加密等技術手段來保障服務器的安全。

3.2 監控中心客戶端的設計

監控中心客戶端的功能是實現設備的無線遠程在線監控，其內容包括:設備管理、設備信息查看管理、用戶操作管理。

設備管理主要包括組管理和組屬性設置、終端設備管理和組綁定、終端設備信息修改、獲取在線終端設備列表等。

設備信息查看管理包括當前設備實時信息的顯示，可執行的控制命令、歷史信息的查詢、歷史信息管理。

用戶操作管理包括管理員的建立、管理員信息修改、管理員刪除。其中，管理員也有權限的不同:高級管理員可以查看、操作、添加用戶和分配用戶權限;操作員可以進行除用戶管理外的其它操作;信息查看員只能查看信息。這樣根據不同的用戶對象，分配不同的操作命令權限，更有利于塔機的安全管理。

4 測試分析

本實驗選在長沙京龍工程機械公司的塔機生產基地，測試Zig Bee網絡的傳輸質量。選用2個節點，1個為傳感器節點，1個為協調器節點，傳感器節點每300 ms發送一幀給協調器，通過數據分析儀監聽數據包，在不同的距離測試出其收包率的結果如圖5所示。

圖5 收包率與距離關系曲線Fig 5 Relationship curve between packet receiving rate and distance

圖5表明:當傳感器與協調器距離增加時，收包率會降低，當兩者的距離在15 m以內時，傳輸效果較好，當兩者距離超過30 m時，收包率低于50%，所以，此系統中兩節點之間的距離最大為15 m。

以質量為例，對檢測精度進行了實驗，用塔機吊起已知重量的物體，待物體靜止后讀出監測值，將此檢測值與實際值進行比較，相對誤差在5%以內，測試結果如表1所示（此時稱重傳感器的標定值為2.5 t）。

表1 質量參數的實驗結果Tab 1 Test result of weight parameters

從表1可以看出:測試的質量在靠近設置零點與標定點附近相對誤差最小。當測試質量大于標定值時，超出標定值的部分越大，相對誤差也就越大。所以，系統中要根據塔機所能承受的最大吊重，靈活地選取系統的標定值，一般情況，標定值應接近最大吊重。將下位機的數據與監控中心的數據對比，發現數據遠程無線傳輸正確率100%，但通過采集系統與網絡服務器的時間對比，發現監控中心的數據有延時，這與GPRS的網絡質量有關，測試過程中最大延時小于10 s。

5 結束語

本文將Zig Bee與GPRS兩種無線技術相結合，設計了塔機安全監控系統，增加了塔機綜合管理方面的新功能，建立了塔機群在線無線遠程監控管理平臺。實驗結果表明:該系統不但實現了對多臺塔機的集中管理，而且還可以對塔機運行實施有效的控制，保證了塔機設備的安全正常運行。該系統的設計與應用為進一步進行塔機群防撞系統的研究打下了基礎，并大大提升了塔機設備群的遠程在線監控水平，這必將為塔機的安全運行做出重大貢獻，產生巨大的社會效益和經濟效益。

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