基于ZigBee網絡的塔吊監測控制系統

何瑛

（西安航空職業技術學院 人事處，陜西 西安 710089）

基于ZigBee網絡的塔吊監測控制系統

何瑛

（西安航空職業技術學院 人事處，陜西 西安 710089）

針對國內塔吊安全監測系統的實際情況，結合短距離無線傳輸技術的發展，設計了一種基于ZigBee無線網絡的塔吊安全監測系統，在分析設計系統網絡拓撲的基礎上，對硬件各子模塊做了架構設計，同時對系統中ZigBee網絡建網、入網等做了詳細設計，設計結果表明該系統方案穩定可行，延時較短，容易擴展，可普及性高，具有一定的實用價值。

ZigBee；路由器；協調器；協議棧；原語

隨著建筑業的不斷發展，高層建筑施工強度與難度的提高，塔式起重機（塔吊）的應用越來越廣泛。塔吊的實際工作環境復雜，且受自重和結構變形等外界因素影響，在拆裝、運行時也會發生變形，常規的塔吊安全保障手段主要依賴于定檢、監檢及日常維護，無法對塔吊運行情況做到實時掌握，缺乏突發事故的預防機制，因此，需設計一套操作簡易，安裝簡單，容易擴展，可實時觀測塔吊各項參數，掌握塔吊健康狀況的監測系統。

1 通信標準選取

由于塔吊高度的可變性，以及其結構的多樣性，使得有線通信在塔吊上的布線稍顯麻煩，不夠靈活，故而本設計將選取短距離無線通信標準。根據常見短距離無線通信的傳輸范圍、網絡容量及傳輸速率，Zigbee網絡可以完全滿足塔吊監測系統的設計要求[1]。

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準，工作在2.4 G ISM頻段的低功耗個域網，其通信可靠，網絡自組織、自愈能力強，在外接5 dB鞭狀天線的條件下，可傳輸200～250 m。

2 塔吊監測系統網絡拓撲

塔吊監測系統可實時監測力矩情況，并向駕駛員展示，當力矩超限時，可發出聲光報警信號，并控制作業操作，同時可保存塔吊作業時各節點的參數值。塔吊安全監測系統由駕駛室終端，吊重采集節點，吊高采集節點，轉角采集節點，幅度采集節點，ZigBee路由器，ZigBee協調器以及PC服務器等組成，各節點通過Zigbee網絡向駕駛室終端和服務器傳輸數據，同時可通過Zigbee網絡協作控制塔吊。

在塔吊監測系統中，ZigBee網絡的建網主要由路由器負責，在識別加入終端節點的網絡地址后，選擇合適的網絡路徑傳輸給協調器；而ZigBee網絡的發起與管理維護，以及新設備地址分配，節點的加入與離開等，都由ZigBee協調器完成。其網絡結構示意圖如圖1所示。

3 塔吊監測系統硬件設計

塔吊監測是基于ZigBee網絡的信息采集系統，硬件[2-6]由監控中心（上位機）、駕駛室終端、無線接收網關、無線稱重儀及手持機、無線傾角測量儀、無線張力測量儀組成。每種測量儀由數據采樣、數據處理模塊、無線收發模塊、供電模塊組成。考慮系統硬件成本，以及開發難度和開發時間，ZigBee網絡設計，將選擇Chipcon公司的CC2430芯片。它支持2.4 GHz，IEEE802.15.4/ZigBee協議并內置了ZigBee協議棧，而且具有32/64/128 kB閃存、8 kBSRAM等。

圖1 塔吊ZigBee網絡結構示意圖

3.1 子模塊設計方案

3.1.1 稱重測量儀

無線稱重測量儀，結構緊湊、安裝方便，能承受一定拉力與壓力。與它配合的無線通信數據采集模塊，需具有高靈敏度、低功耗、可持續穩定工作等特點。駕駛室終端、無線手持機，采用帶背光的液晶屏幕，可實時顯示接收到的重量值。本設計中，稱重傳感器的安放位置如圖1所示，在起升鋼絲的末梢固定端，塔吊起重重量應位于稱重傳感器最大量程的20%到80%之間。其結構框圖如圖2所示：

圖2 無線稱重測量儀框圖

3.1.2 無線傾角測量儀

無線傾角測量儀，用于測量物體的傾斜角，即俯仰角，它采用高性能MCU及基于3D-MEMS技術的進口傾角傳感器設計，并采用無線通信方式輸出測量結果。其結構框圖如圖3所示。

圖3 無線傾角測量儀框圖

3.1.3 無線張力傳感儀

無線張力測量儀，采用專用于鋼絲繩張力測量的，旁壓張力傳感器，它安裝方便、操作簡單、維修容易。鋼絲繩通過U形螺栓固定在傳感器上，受拉力時力通過導向輪作用于傳感器上。安裝時，張力探頭與張力變送器之間采用屏蔽線連接。其結構框圖如圖4所示。

圖4 無線張力測量儀邏輯圖

3.2 手持機設計

手持機包括以下幾個部分：基于單片機的顯示與預警模塊、CC2430片上系統、系統時鐘和實時時鐘模塊、調試接口、天線、電源等組成。CC2430片上系統主要完成消息的接收，應用于各個子模塊中。硬件結構圖如圖5所示。

圖5 手持機終端硬件結構示意圖

3.3 ZigBee路由器設計

終端節點系統地設計理念為低功耗、節能，故其發送功率和以及接收范圍有限。然而，塔吊工作環境復雜，對無線信號衰減較大，使短距離無線通訊組網覆蓋的范圍進一步縮小。為使ZigBee網絡可應用于環境較復雜的建筑工地，有兩種解決途徑，第一，在原網絡發射（CC2430）系統的基礎上加一級射頻前端放大（CC2591），來提高原網絡的發射功率，從而增加其網絡覆蓋面積。前端放大CC2591連接示意圖如圖6所示，第二，可使用方向性較強的天線組合來實現較遠距離的信息采集與傳輸，如八木與平板天線的組合。本設計中，兩種都有用到，將八木天線用作路由器的發射天線，而平板天線用于協調器接收天線。

圖6 CC2591連接示意圖

4 ZigBee無線模塊軟件設計

4.1 設計流程

塔吊監測系統軟件[7-13]設計的整體流程大致可分為兩個部分：第一，ZigBee設備初始化以及ZigBee網絡的建立，其中需要初始化的設備有，協調器、路由器以及終端設備等，而建網過程主要包括3個方面，分別為：終端申請加入，路由允許終端加入，以及協調器將路由器加入網絡等；第二，設備進入正常運行狀態后，路由器與網絡協調器將執行循環程序，并通過中斷來接收，來自終端節點設備發出的消息。

4.2 ZigBee無線模塊相關軟件設計

TI公司提供的Z-Stack協議棧符合ZigBee規范，可以完全運行在CC2430所在的節點上。Z-Stack運行在操作系統抽象層（OSAL）上，其任務的調度驅動機制與Windows消息事件驅動機制相類似，是通過觸發任務事件來實現任務調度。

ZigBee模塊每層都有相應的服務來完成設定的工作任務，而各項服務通過服務原語來實現，有以下4類原語較為常用：請求（Request），指示（Indication），響應（Response）和確認（Confirm）。

4.2.1 ZigBee協調器

本設計中，協調器與上位機的通信由RS485來完成。在接收到路由節點，終端節點的配置信息以及各傳感器所在節點反饋回的有效數據時，這些數據將通過RS485完成協調器與服務器間的傳輸與交互。ZigBee網絡中的設備應具備申請加入與離開已知網絡的功能。同時，網絡中的協調器與路由器還應具有，允許網絡設備加入與離開，以及維護近鄰設備列表等功能。

ZigBee協調器初始化后才能創建新網絡，初始化時，協調器通過NLME-NETWORK-FORMATION.Request請求原語來完成。ZigBee網絡中的地址如同IP地址一樣，具有時效性與唯一性，故地址的分配需遵循一定的算法來執行。對ZigBee網絡中的設備地址的分配，會用到以下幾個參數的設置MAX_DEPTH，MAX_ROUTERS和MAX_CHILDREN等。

其中，網絡的最大深度由MAX_DEPTH參數決定，同時該參數限制了網絡在物理上的長度，一般情況，協調器的網絡深度為0，其子節點網絡深度為1，子節點的下一級節點深度為2，以此類推；網絡中路由器或協調器可掛接的并列的子節點個數由 MAX_CHILDREN參數決定；而參數MAX_ROUTER是MAX_CHILDREN的一個子集，它決定了網絡中某個在網路由器或者某個在網協調器，可處理具有路由功能的子節點最大個數。

4.2.2 ZigBee路由器

ZigBee路由器類似Internet網絡中路由器，在通過原語NLME_START_ROUTER初始化后，將實現終端、路由以及協調器間的數據交互功能。

路由器允許節點加入現有網絡的流程為：首先，在設置掃描參數將要掃描的信道以及掃描每個信道的持續時間之后，應用層將發送NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原語，網絡層在接收到該原語后，利用MLME-SCAN.Request原語，請求MAC層執行主動掃描。其初始化及入網流程如圖7所示。

圖7 路由器初始化及入網流程圖

4.2.3 ZigBee模塊終端程序

當在網的路由器或協調器允許一個新節點加入自身所在網絡時，新加入的節點將成為允許加入網絡的路由器或協調器節點的子節點。子節點申請加入現有網絡的途徑有兩種，第一種是通過MAC層的關聯加入，第二種是由其上一級節點（父節點）直接加入網絡。

終端節點通電后，需分別進行以下幾個初始化過程，硬件、協議棧、全局中斷、所在網絡的節點狀態、命令幀狀態等的初始化，然后運行協議棧。終端節點將用戶信息通過其上一級，逐級向上發送至協調器，同時也可以接收協調器發來的命令與信息，其主流程圖如8圖所示[7-10]。

圖8 終端節點程序流程圖

5結 論

基于ZigBee網絡的塔吊監測控制系統，是在結合了ZigBee無線網絡的數據傳輸速率高，功耗低，網絡容量大，通信可靠等功能優點的基礎上設計開發的，具有成本低，技術成熟、結構合理，方便擴展等優勢，在實時監測掌握塔吊運行情況的同時，增加了突發事件的預防機制，提高了塔吊的安全系數，從而大大降低突發事件的發生，對國內塔吊安全監測系統以及塔吊黑匣子的研究也具有一定的指導意義。

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Tower crane monitoring control system based on ZigBee network

HE Ying
（Personnel Department，Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi'an 710089，China）

For actual situation of domestic crane safety monitoring system，combined with the development of short-range wireless transmission technology，designed a ZigBee-based wireless networks crane safety monitoring system，based on the analysis and design system network topology，hardware sub-module made architecture design，while building a network ZigBee network system，network，and so do the detailed design，the design results show that the system is stable and feasible，shorter delay，easy to expand，high popularity，has some practical value.

ZigBee；router；coordinator；protocol stack；primitive

TN99

A

1674－6236（2016）18-0089-04

2014-12-12 稿件編號：201412105

何 瑛（1982—），女，江蘇常州人，碩士，講師。研究方向：電子、通信、智能控制等。