基于S3C6410的造船門式起重機無線監控系統

陳慶，劉海龍

（湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲 412000）

基于S3C6410的造船門式起重機無線監控系統

陳慶，劉海龍

（湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲 412000）

針對目前造船門機監控系統在通信方式、監控數據和數據存儲等方面的不足，設計了以S3c6410 ARM11為硬件平臺的門機安全監控系統；系統采用Zigbee無線組網實現對各分布式傳感器監測點的數據采集與處理，能夠在最短時間內發現問題并參與控制；移植了嵌入式數據庫SQLite3.0對關鍵數據實時存儲，實現"黑匣子"記錄功能；經實踐驗證：系統運行穩定可靠，能有效地保障造船門機運行安全，提高工作效率，具有良好的應用前景。

安全監控；S3C6410；Zigbee無線傳輸；SQLite數據庫

造船門式起重機（簡稱門機）是船舶制造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，隨著船舶工業的發展及門機在船舶制造中的廣泛應用，施工中事故頻發，且呈逐年上升趨勢[1]。由于造船門機體積龐大、覆蓋范圍廣且同時具有四路主載重吊鉤，目視操作難度較大；在現場施工中，為提高工作效率，常有操作人員違規超載作業和重要部件超齡使用等問題，大大增加了門機事故的風險。國標GB/T5031-2008規定：大型起重機械必須強制安裝安全監測裝置，須對設備的工作狀態、額定能力及危險因素進行監控與記錄[2]。傳統造船門機安全監控裝置普遍采用機械式的，主要由操作人員的經驗來保證，缺少動態監控與顯示。林衛國[3]等提出了一種以單片機核心的門機安全監控系統，雖然在性能上有所提高，但監控數據單一，且采用通信電纜進行數據傳遞，安裝繁瑣、線路易老化，對傳輸信號干擾影響系統整體功能。因此，開發集成度高、穩定高效的安全監控系統對于門機應用安全領域具有重要意義。

系統主要針對影響門機作業安全的重要參數如四路吊重、傾斜角度、防碰撞信息、小車幅度、運行速度、高度、風速等參數進行實時監控，通過人機界面為門機操作人員提供參考，并起到“黑匣子”功能；儀表連接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在線對轄區內所有門機實時監控和統一管理。

1 總體結構與功能

系統主要由無線傳感器終端、智能監控儀表和遠程監控中心三部分組成。傳感器子系統采用單片機對編碼器數據采集與處理，通過ZigBee網絡傳送給S3C6410監控儀表；安裝在駕駛室內的監控儀表接收數據與處理分析，為門機操作人員提供參考的同時，并將有關數據通過GPRS發送給遠程監控中心；遠程監控中心通過Internt網絡接收和管理智能儀表發送來的監控數據。系統整體框架如圖1所示。

智能監控儀表采用高性能、低功耗的S3C6410 ARM11微處理器為核心CPU，外圍由Zigbee模塊、GPRS/GPS模塊、報警與控制電路、觸摸屏顯示器和存儲單元等部分組成。S3C6410微處理器基于ARM1176JZF內核，標準工作主頻600M，具有4通道UART，完美支持Linux、Android等嵌入式操作系統[4]。

圖1 系統整體結構框架

2 主要電路設計與分析

2.1 Zigbee無線通信電路

Zigbee通信是一種短距離、低速率無線網絡技術，具有低成本、低功耗、低復雜度等特點[5]。在門機系統中，每個傳感器采集點通過89C51單片機連接Zigbee模塊形成一個獨立的子系統，各子系統與S3C6410監控儀表進行“多對一”數據傳輸，實現分布式傳感器數據的采集。Zigbee模塊數據輸入RXD1、輸出TXD1分別連接至SP3232EEN芯片RXD0、TXD0引腳，通過轉換后對應連接于S3C6410 CPG2～5引腳，從而實現無線模塊與主控芯片的數據通信。硬件設計如圖2所示。

圖2 Zigbee無線通信電路設計圖

2.2 “黑匣子”存儲電路設計

“黑匣子”存儲電路實時記錄門機動態運行參數，數據采用 Excel表格形式按日期分類進行存儲，按照國標 GB/ T5031-2008規定：歷史數據存儲量不小于90天。因此系統采用8GB SDHC高速存儲卡，具有大容量、高性能、安全等特點。SDHC的DATA0～DATA3，LCK（時鐘線）、CMD（命令線）分別連接至S3C6410GPG7～GPG10、GPE5和GPE4引腳，實現DATA0～DATA3串行數據傳輸和存儲[6]。主要電路設計如圖3所示。

圖3 SDHC存儲電路設計圖

3 系統軟件設計

3.1 SQLite3.0數據庫設計

為實現對現場數據的快速存儲及動態更新，移植SQLite3.0數據庫實現本地數據管理。SQLite3.0為目前應用最廣泛的嵌入式數據庫，它支持ACID特性、系統開銷小、支持SQL92標準、檢索效率高，非常適合嵌入式領域[8]。其體系結構自底而上分為操作系統接口層、存儲管理層、虛擬機層、用戶接口層，內部分為內核 （Core）、SQL編譯器（SQL Compiler）、后端（Backend）、附件（Accessories）等四個核心組件，其體系結構如圖4所示。

編譯 sqlite3-amalgamation-3_7_5數據庫源代碼得到sqlite3.dll、sqlite3.lib文件作為應用程序的支持庫，采用類CppSQLite3U進行C++封裝好后提供專用API調用接口，程序直接調用API函數可方便地實現大容量本地數據管理，如進行查詢、搜索、加密、U盤導出與GPRS發送等操作，相關代碼如下：

圖4 SQLite3.0數據庫內部結構圖

3.2 系統軟件功能設計

系統上電后，軟件執行系統初始化功能，包含看門狗、系統時鐘、I/O口、VS1003B模塊、Zigbee模塊、控制電路復位等，初始化完成后儀表對原設定參數進行讀取，并利用WaitForMultipleObject（）函數等待對應事件，事件發生后做出相應的處理；當檢測數據發生異常時啟動SQLite3.0數據庫線程，實現對門機關鍵運行參數的存儲；同時數據的遠程發布通過GPRS模塊連接Internet網路，構建的Web服務器完成對數據的接收，實現了對門機的遠程監控。軟件工作流程如圖5所示。

圖5 門機監控系統工作流程圖

4 現場測試結果

基于S3C6410 ARM11為硬件平臺，結合嵌入式系統Embedded Compact7構建友好的人機界面，很好地實現了對影響造船門機安全數據的實時監控與記錄。通過現場測試表明，Zigbee無線傳輸網絡采用Modbus通信協議，采用均值濾波系數大于12時，電流型傳感器重量、力矩數據穩定，綜合考慮，均值濾波系數選取18、24兩種，系統數據穩定可靠。通過GPRS模塊實現了對門機的無線遠程監控管理，用戶可通過Internet實時監控和管理門機的運行。監控終端觸摸屏人機界面運行效果如圖6所示。

圖6 觸摸屏人機界面

5結 論

系統通過Zigbee無線組網的模式對各分布式傳感器監控點數據的采集與控制，并實現了保存關鍵數據到黑匣子、違章運行聲光提示報警、上位機集中監控等功能。克服了傳統機械保護監控模式的不足，是機械保護裝置的良好替代產品，對于保障造船門機的安全運行具有重要作用。長期現場運行表明，系統穩定可靠，具有廣闊的應用前景。

[1]徐鵬程.造船門式起重機安全保護系統的思考[J].機械研究與應用，2013，26（125）:170-175.

[2]林衛國.造船門式起重機安全監控管理系統[J].港口裝卸，2013，210（3）:26-28.

[3]許明，閆旻.基于ARM11和WinCE的溫室大棚嵌入式監控系統設計[J].儀表技術與傳感器，2013（3）:88-90.

[4]楊輝，劉海龍，高子潔.基于ARM9及WinCE6.0的塔機安全監控系統[J].計算機測量與控制，2012，20（1）:78-80.

[5]李新春，張蕾，許馳，于永鑫.基于Zigbee的有源RFID在智能倉儲中的應用[J].儀表技術與傳感器，2013（7）:58-61.

[6]KANG Beom Jin，PARK DaeHeon．A study on the greenhouse auto control system based on wireless sensor network[J]．International Conference on Security Technology，2008（4）:41-44．

[7]高立兵.基于RFID技術的倉儲管理系統研究與設計[J].工業儀表與自動化裝置，2014（5）：67-70.

[8]王欣.基于SAW-RFID的石油鉆具全程動態信息管理系統[J].工業儀表與自動化裝置，2014（6）：110-112.

The wireless monitoring system of shipbuilding gantry cranes based on S3C6410

CHEN Qing，LIU Hai-long
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412000，China）

For the insufficient of the present monitoring and control system of the crane in communication mode，monitoring data and data is stored；the system of gantry crane safety monitoring and control based on S3c6410 ARM11 is designed in this paper.The Zigbee wireless networking is used to collect and deal with the distributed sensor monitoring，and it can find the problems and to control in the shortest time.To realize the"black box"record function，the SQLite3.0 embedded database is transplanted to real-time storage the Critical data.It is confirmed that the system operation is stable and reliable that can guarantee the monitoring and control system operation security and improving work efficiency，and it has a good application prospect.

safety monitoring；S3C6410；Zigbee wireless transmission；SQLite database

TN302

A

1674－6236（2016）18-0054-03

2015-10-03 稿件編號：201510004

湖南省教育廳科學研究青年項目（15B155）

陳 慶（1980—），男，湖南株洲人，碩士，講師，工程師。研究方向：電氣自動化，自動化控制。