基于M odbus/TCP協議的塔式起重機無線監控系統

張敏三，劉海龍

（湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲 412000）

基于M odbus/TCP協議的塔式起重機無線監控系統

張敏三，劉海龍

（湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲 412000）

針對塔式起重機分布式、高效及安全運行的作業需求，設計了基于Modbus/TCP協議的塔機無線監控管理系統。以Cortex A8、WinCE6為平臺設計系統監控前端，對塔機運行的狀態信息實時監控。采用Modbus/TCP協議設計了無線通訊報文，通過GPRS與遠程管理中心雙向通信，實現對塔機群的遠程監控和統一管理。現場運行證明系統性能穩定、可靠，具有良好的應用前景。

Modbus協議；嵌入式系統；TCP/IP無線通信；智能監控

塔式起重機（簡稱塔機）是現代施工中必不可少的關鍵設備，其運行工況復雜、高空作業且操作難度大，極易引發重大安全事故。近年來，隨著國家經濟建設的發展及塔機在施工中的廣泛應用，塔機事故頻發，且呈逐年上升趨勢［1］。在現場施工中，為提高工作效率，經常有塔機單位違規連續超載作業和塔機超齡使用等問題，大大增加了塔機事故的風險。國標GB/T5031-2008規定：起重機械必須強制安裝安全監控裝置，須對塔機的工作狀態、額定能力及危險因素進行監控與記錄，并將關鍵數據實時發布至遠程監管中心平臺［2］。因此，開發低成本、穩定高效的塔機無線監控系統對于塔機應用安全領域具有重要意義。

系統主要針對影響塔機作業安全的重要參數如傾斜角度、防碰撞信息、吊重、力矩、幅度、高度、風速等參數進行實時監控與管理，通過人機界面給塔機操作人員提供參考，并起到“黑匣子”功能；采用GPRS模塊通過TCP/IP方式實現與遠程監管中心無縫鏈接，管理人員可通過Internet在線實現對轄區內所有塔機的實時監控與統一管理。

1　系統的總體結構與功能

系統主要由塔機監控終端、遠程監控管理中心及TCP/IP無線網絡3部分組成。監控終端采用ARM Cortex A8為核心CPU，主要對塔機運行傳感器數據進行實時采集與處理，通過UARTRS485連接的GPRS模塊采用TCP/IP方式將數據發送給遠程監控中心平臺；遠程監控中心綁定有固定的IP地址和端口號，通過Internt網絡接收和管理GPRS發送來的監控數據，并負責發送管理人員的操作指令給相應的塔機終端；TCP/IP無線網絡采用標準工業MODBUS通信協議，在保證數據安全及穩定性的基礎上具有良好的延展性，非常適用于復雜的現場工況，系統的整體結構如圖1所示。

2　監控終端硬件結構設計

硬件平臺采用ARM9 Cortex A8微處理器為核心CPU，主要由傳感器采集網絡、報警與控制電路、10.4寸觸摸屏顯示器、GPRS/GPS無線模塊、ZigBee無線通信模塊等部分組成，系統的硬件結構如圖2所示。

系統采用高性能、低功耗ARM9 Cortex A8微處理器為控制核心，基于S5PV210內核，標準工作主頻為1G，采用32 bit單通道數據總線，512 M DDR2內存，完美支持Wince6、Linux等嵌入式操作系統。GPRS模塊采用廣州致遠ZWG-28 A，支持全透明數據通道，內嵌TCP/IP、UDP等協議，可穩定實現無線、遠程、網絡化通信方式，又可與Inernet實現無縫連接，非常適合嵌入式系統環境。

圖1　系統整體結構

圖2　監控終端硬件結構

3　基于M odbus/TCP協議的無線傳輸網絡

Modbus協議是Modicon公司開發的一種工業通信和分布式控制系統協議，屬于主從網絡，是一種基于應用層報文傳輸協議，協議采用一個主機對一個或多個從機通信，采用命令/應答模式［3］。其中主機服務器與塔機監控終端之間通過鏈接TCP/IP方式進行交互，服務器端建立TCP/IP監聽，終端負責發啟注冊請求，連接建立后服務器由接收終端上報的心跳數據包判斷TCP連接狀態。報文類型采用Modbus請求幀與Modbus響應幀實現命令/應答報文傳輸。協議報文類型如圖3所示。

圖3　Modbus/TCP協議報文類型

Modbus支持兩種幀結構RTU和ASCⅡ模式，在ASCⅡ模式中，報文信息的每個字節單元被分成兩個半字節單元，每個半字節單元轉換為7位ASCⅡ字符傳送［4］。在數據幀結構中，包括幀頭、幀長度、幀流水號、協議號、命令符、數據載荷、CRC校驗和幀尾等子域，其中數據載荷類型由命令符選定。本系統遠程控制中心與塔機監控終端的通信幀結構如表1所示。

表1　M odbus協議幀結構

4　RS485總線通訊設計

在本監控系統中，RS485總線構成了系統主從式多機串行總線通訊方式。塔機監控終端采集的數據按照Modbus協議進行編碼后，采用TCP/IP方式通過RS485總線發布給遠程監管中心，并負責接收由遠程監控服務器斷返回的控制指令并控制塔機進行相應的動作。服務器與下位機之間采用雙半工通訊方式，遠程監控中心通過從機GPRS模塊SIM號作為唯一IP標識進行識別［5］。

監控終端系統基于WinCE6系統進行驅動程序設計與編寫，WinCE6是一種32位多任務嵌入式系統，具有強大的中斷機制、線程調度體系和良好的實時性，完全能夠保證系統需求的時間和性能要求［6］。在設備驅動中，設備的物理地址空間須映射到虛擬地址空間才能被內核程序調用，物理地址由總線地址通過譯碼器確定［7］，采用VirtualAlloc（）函數申請虛擬地址空間后，通過VirtualCopy（）函數把物理地址和虛擬地址聯系起來。

串口驅動本身分為MDD層和PDD層。MDD層對上層的Device Manager提供了標準的流設備驅動接口（COM_xxx），PDD層實現了HWOBJ結構及結構中若干針對于串口硬件操作的函數指針。

驅動編寫好之后配置其他加載文件，在工程的Platform. reg中添加UART1.dll，當加載驅動時，系統由Device.exe取得驅動的注冊表位置信息；然后在工程中Platform.bib文件中添加二進制映像代碼；在驅動文件中，創建名稱為Makefile、UART1.def和sources等文件，用于定義驅動中需輸出的應用層接口函數、指定要生成的動態庫、動態庫函數及指定需被編譯的文件源代碼等。在Platform Builder編譯器中，采用Builtand Sysgen將驅動程序編譯入系統映像NK.bin文件，最后將NK.bin文件通過USB燒寫硬件平臺中［8-9］。

5　現場測試結果

基于ARM CortexA8為硬件平臺，結合嵌入式軟件MFC構建友好的人機界面，很好地實現了對影響塔機安全數據的實時監控與記錄，監控終端觸摸屏人機界面運行效果如圖4所示。

圖4　觸摸屏人機界面

通過現場測試表明，傳感器值在去兩端除極值的情況下，采用均值濾波系數小于12時，電流型傳感器重量、力矩數據會出現偶爾跳躍，易導致控制電路誤動作，綜合考慮，均值濾波系數選取18、24兩種，系統數據穩定可靠。數據按Modbus協議編寫后通過RS485及GPRS模塊實現了對塔機的無線遠程監控管理，用戶可通過Internet實時監控和管理塔機的運行。

6　結　論

塔機無線遠程監控與管理系統對塔機的安全運行及統一管理具有重要作用，針對目前國內大部分類似產品實時性較差、性能單一、精度低、缺乏遠程監控功能等問題，設計了基于Modbus/TCP通信的塔機無線監控管理系統，設計了穩定、高效、擴展性良好的Modbus通信協議，開發了基于wince6嵌入式系統上的RS485設備驅動程序，構建設計了友好的人機實現了對施工現場塔機運行數據的采集與本地管理，通過GPRS和構建WEB服務器實現了對塔機群的遠程監控和統一管理，通過現場調試，系統穩定可靠，具有廣闊的應用前景。

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The w irelessmonitoring system of tower cranes based on M odbus/TCP protocol

ZHANGMin-san，LIU Hai-long
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412000，China）

For the demand of the tower crane with distributed，efficient and safe operation，the wireless monitoring managementsystem ofa tower crane is designed based on Modbus/TCPprotocol in this paper.In order tomonitor the operation state information of the tower crane real-time，the system monitor front-end is designed by using the platform with Cortex A8 and WinCE6.Wireless communication message is designed by using Modbus/TCP protocol and the remote monitoring and unifiedmanagementof the tower cranes are realized by the two-way communication of GPRSand remotemanagement center. The stable and reliable of the system is proved by the field operation and the system hasgood application prospect.

Modbus/TCP protocol；embedded system；TCP/IP wireless communication；ntelligent montoring

TN302

A

1674-6236（2016）19-0102-03

2015-10-01稿件編號：201510001

湖南省教育廳科學研究項目（15C0905）

張敏三（1957—），男，湖南株洲人，高級工程師。研究方向：電子技術和自動化控制。