施工現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

韓芝俠 方 元 趙 越 薛雄飛

（寶雞文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院 寶雞 721016）

1 引言

我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速發(fā)展的時(shí)期，工程建設(shè)作為國(guó)家基本建設(shè)的重要部分正在蓬勃發(fā)展。縱觀整個(gè)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀，建筑業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，而建筑施工是整個(gè)建設(shè)環(huán)節(jié)中尤為重要的一環(huán)［1～2］。隨著建設(shè)工程規(guī)模不斷擴(kuò)大、進(jìn)度不斷加快，在施工過(guò)程中體現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題也尤為明顯。如何保證工程施工質(zhì)量，確保施工人員安全，提高工程建設(shè)效率，降低工程建設(shè)成本，這一系列的問(wèn)題直接關(guān)系著整個(gè)工程項(xiàng)目的成敗和施工單位今后的發(fā)展［3～4］。于是，施工現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，已經(jīng)引起越來(lái)越多的施工企業(yè)及國(guó)家相關(guān)部門的高度重視和密切關(guān)注［5］。

2 設(shè)計(jì)需求

為實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的智能監(jiān)測(cè)，安全監(jiān)測(cè)設(shè)備（如施工升降機(jī)監(jiān)測(cè)終端、塔機(jī)監(jiān)測(cè)終端、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端）可將多種施工設(shè)備的的運(yùn)行狀態(tài)、違規(guī)信息、報(bào)警以及施工環(huán)境信息發(fā)送給服務(wù)器，用于施工管理者或監(jiān)管部門對(duì)建筑施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，以保證施工質(zhì)量，確保施工人員安全［6～7］。本文僅以施工升降機(jī)監(jiān)測(cè)終端為例，給出施工現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)需求如下。

在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)需要安裝施工升降機(jī)監(jiān)測(cè)終端，可以采集升降機(jī)的相關(guān)信息（如速度、重量、位置、狀態(tài)、操作者等）并保存在FLASH中，在發(fā)生報(bào)警事件時(shí)，終端可以發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警提示［8］。由于當(dāng)前的移動(dòng)通信基站的覆蓋面極高，資費(fèi)便宜，因此采用4G/3G/2G自適應(yīng)DTU組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端和遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通信［9～10］。當(dāng)兩者之間建立連接后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端的注冊(cè)、注銷、在線心跳包、基本參數(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、版本信息等數(shù)據(jù)的上報(bào)，遠(yuǎn)程服務(wù)器根據(jù)監(jiān)測(cè)終端的地址，下發(fā)對(duì)應(yīng)的指紋信息、時(shí)間信息等數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的智能監(jiān)測(cè)［11～12］。

3 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

基于以上實(shí)際需求分析，本文給出了如圖1所示的系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端與服務(wù)器的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。該方案具有可接入點(diǎn)多，接入點(diǎn)范圍大，可裁剪，低成本、低維護(hù)費(fèi)用等特點(diǎn)［13］。

圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)原理框圖

如圖1，升降機(jī)監(jiān)測(cè)終端、塔機(jī)監(jiān)測(cè)終端及環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)終安裝完成后，監(jiān)測(cè)設(shè)備隨施工設(shè)備一同進(jìn)入工作狀態(tài)，每個(gè)監(jiān)控終端都可利用通信模塊中的手機(jī)號(hào)碼在服務(wù)器端注冊(cè)登錄，以心跳包的形式維持監(jiān)測(cè)終端在線，若升降機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)正常，則每隔10min自動(dòng)上報(bào)一次信息，服務(wù)器將接收到監(jiān)測(cè)信息（速度、重量、位置、狀態(tài)、操作者等）存儲(chǔ)；若出現(xiàn)警告事件時(shí)，監(jiān)控終端采用語(yǔ)音的方式通知操作人員，并實(shí)時(shí)將升降機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)和警告原因發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)不同的警告等級(jí)，通知相關(guān)人員作出相應(yīng)的處理。

管理者或者監(jiān)管部門可以在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方通過(guò)個(gè)人賬戶登錄服務(wù)器，可以隨時(shí)查詢當(dāng)前所有在網(wǎng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)工作信息、歷史信息及警告信息，可將信息統(tǒng)計(jì)、造表或打印。

4 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 升降機(jī)監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)

施工升降機(jī)監(jiān)測(cè)終端主要包括單片機(jī)控制電路、傳感器信號(hào)采集電路、音頻電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路、遠(yuǎn)程通信模塊、液晶屏及指紋等接口電路。硬件原理框圖如圖2所示。

單片機(jī)采用STC15W 4K58S4為核心［14］，實(shí)現(xiàn)重量、位置、移動(dòng)速度、移動(dòng)方向、進(jìn)料門/出料門的狀態(tài)、高/低限位、操作者等信息的采集。

音頻電路將語(yǔ)音信息存儲(chǔ)在采用串行控制模式的MXG系列OTP語(yǔ)音芯片中，控制芯片播放其中的某一段語(yǔ)音，音頻信號(hào)再通過(guò)放大，最終通過(guò)喇叭播放出來(lái)。

時(shí)鐘電路采用時(shí)鐘芯片PCF8563T，通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)校時(shí)和當(dāng)前時(shí)間的讀取，配合監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)采集，記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在SPI總線的FLASH中。該芯片使用雙電源供電，在監(jiān)測(cè)終端正常工作時(shí)采用電源供電，關(guān)機(jī)時(shí)采用電池供電；有網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器在線校時(shí)，否則可以通過(guò)觸摸屏校時(shí)。

存儲(chǔ)電路采用W25Q16，使用單片機(jī)的SPI口與串行FLASH相連并通過(guò)電阻做上拉，用于對(duì)FLASH做讀、寫操作，以存儲(chǔ)傳感器參數(shù)、人員信息及歷史數(shù)據(jù)。

液晶屏采用7寸經(jīng)濟(jì)型串口，該屏屬于4線精密電阻式觸控類型，支持BMP、JPEG、WMF、PNG和GIF等圖片格式下載；支持任意位置文本、圖片、GIF動(dòng)畫和常用GUI顯示；支持多種組態(tài)控件，如按鈕控件、文本控件、進(jìn)度條、儀表、曲線和滑塊控件等；支持系統(tǒng)彈出內(nèi)置虛擬鍵盤輸入；支持中英文輸入法；通過(guò)RS-232通信實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

指紋傳感器采用TTL電平的串口與單片機(jī)通信，用于識(shí)別操作者信息。

遠(yuǎn)程通信模塊采用RS-232接口外置的4G/3G/2G自適應(yīng)DTU，DTU可以透明傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器間的數(shù)據(jù)通信。

圖2 升降機(jī)監(jiān)測(cè)終端原理框圖

升降機(jī)監(jiān)測(cè)終端將各種傳感器（圖2虛線框內(nèi)）輸出的模擬信號(hào)（重量傳感器）或數(shù)字信號(hào)（高度傳感器、限位開關(guān)）經(jīng)過(guò)調(diào)理、放大，變換成為單片機(jī)可以處理的信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為所需測(cè)量的升降機(jī)參數(shù)，如速度、重量、位置、狀態(tài)、操作者信息等，并做出相應(yīng)的措施，如數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)上報(bào)、語(yǔ)音報(bào)警等［11］。

4.2 升降機(jī)監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)終端軟件可分為傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通信模塊幾個(gè)部分，軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 升降機(jī)監(jiān)測(cè)終端軟件結(jié)構(gòu)圖

4.2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它按照一定時(shí)序調(diào)用各功能模塊，最終實(shí)現(xiàn)施工升降機(jī)監(jiān)測(cè)終端的正常工作，在初始化傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和通信模塊后，循環(huán)處理各個(gè)模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4.2.2 傳感器采集模塊

傳感器采集模塊包括三種：模擬信號(hào)的AD采集（稱重傳感器）、脈寬調(diào)制型信號(hào)的采集（高度傳感器）和開關(guān)量信號(hào)的采集（限位傳感器）。

2路模擬信號(hào)采集使用的是單片機(jī)的片內(nèi)10位AD，連續(xù)采集5次，將5次的結(jié)果求均值從而得到2路AD的值，再通過(guò)傳感器的標(biāo)定值從而得到當(dāng)前吊籠的重量。

1路脈寬調(diào)制型信號(hào)采集使用的是定時(shí)器1和外部中斷，分別在外部中斷0的上升沿和下降沿，啟動(dòng)定時(shí)器1計(jì)數(shù)，在每一個(gè)上升沿計(jì)算占空比，連續(xù)采集5次算平均值通過(guò)標(biāo)定值從而得到當(dāng)前吊籠的高度。

4路開關(guān)量信號(hào)的采集是通過(guò)I/O口循環(huán)讀取，得到當(dāng)前的門狀態(tài)和高低限位的狀態(tài)。

數(shù)據(jù)處理程序中通過(guò)定時(shí)器定時(shí)500ms，循環(huán)采集上述三種傳感器信號(hào)，根據(jù)采集到的重量參數(shù)、高度參數(shù)、門狀態(tài)和高低限位參數(shù)，計(jì)算出是否有報(bào)警信息（包括進(jìn)料門在非1層打開報(bào)警、出料門在非整層位置打開報(bào)警、超載報(bào)警、超限位報(bào)警），如果有則采用語(yǔ)音播報(bào)，并給服務(wù)器發(fā)送報(bào)警信息后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并顯示；否則每隔10min自動(dòng)上報(bào)一次正常工作信息，存儲(chǔ)后顯示。程序流程如圖5所示。

4.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包括三個(gè)部分，分別是標(biāo)定參數(shù)存儲(chǔ)、操作者指紋信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)/報(bào)警數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。標(biāo)定參數(shù)存儲(chǔ)是指施工升降機(jī)監(jiān)測(cè)終端在安裝過(guò)程中，就將標(biāo)定的傳感器參數(shù)存儲(chǔ)在內(nèi)部FLASH當(dāng)中；操作者指紋信息是服務(wù)器通過(guò)無(wú)線傳輸，將操作者的指紋信息發(fā)送到監(jiān)測(cè)終端，單片機(jī)將操作者姓名存儲(chǔ)在內(nèi)部FLASH中并將對(duì)應(yīng)的指紋特征碼按順序存儲(chǔ)到指紋模塊的指紋庫(kù)位置號(hào)內(nèi)；在正常工作時(shí)，通過(guò)標(biāo)定的參數(shù)將施工升降機(jī)當(dāng)前的工作參數(shù)（速度、重量、位置、狀態(tài)、操作者等）計(jì)算出來(lái)，當(dāng)有報(bào)警信息時(shí)實(shí)時(shí)保存報(bào)警信息，否則以10min為間隔，將采集到的施工升降機(jī)當(dāng)前的工作參數(shù)存儲(chǔ)到外接FLASH當(dāng)中，以備可能的讀取歷史數(shù)據(jù)的查詢，當(dāng)FLASH存滿后從頭覆蓋存儲(chǔ)。

4.2.4 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊分為三個(gè)部分，顯示模塊、指紋識(shí)別模塊和遠(yuǎn)程通信模塊。

1）顯示模塊

顯示模塊采用的是RS-232電平的串口液晶屏，單片機(jī)的串口3通過(guò)RS-232接口芯片后，與液晶屏通信，程序流程圖如圖6所示。

圖6 顯示模塊程序流程圖

2）指紋識(shí)別模塊

指紋識(shí)別模塊采用TTL電平與單片機(jī)的串口2通信，指紋數(shù)據(jù)由遠(yuǎn)程服務(wù)器下發(fā)，將操作者的信息按地址存儲(chǔ)在單片機(jī)的內(nèi)部FLASH中，并將指紋的特征碼下發(fā)到指紋模塊的指紋特征碼庫(kù)中。單片機(jī)控制指紋模塊每隔1s去采集一次指紋，當(dāng)采集到有指紋錄入時(shí)，單片機(jī)控制指紋模塊生成特征碼，收到生成特征碼成功的信息后，單片機(jī)就會(huì)在指紋庫(kù)中進(jìn)行搜索，搜索到有相同指紋時(shí)，指紋模塊返回指紋庫(kù)位置號(hào)，單片機(jī)通過(guò)返回的位置號(hào)確定當(dāng)前操作者的信息。如果沒(méi)有查找到，則返回沒(méi)有找到，語(yǔ)音提示并產(chǎn)生報(bào)警數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH中，并給服務(wù)器發(fā)送報(bào)警信息，即有非工作人員在非法操作［8，13］。流程圖如圖7所示。

圖7 指紋識(shí)別模塊流程圖

只有升降機(jī)在1層時(shí)允許操作者登錄或者退出系統(tǒng)。當(dāng)操作者進(jìn)入施工升降機(jī)，指紋認(rèn)證成功后登錄系統(tǒng)，升降機(jī)才能正常使用，否則監(jiān)測(cè)終端將會(huì)語(yǔ)音提示操作者登錄系統(tǒng)并通過(guò)遠(yuǎn)程模塊向服務(wù)器報(bào)警。當(dāng)操作者離開升降機(jī)時(shí)通過(guò)指紋識(shí)別退出。

3）遠(yuǎn)程通信模塊

遠(yuǎn)程通信模塊采用的是外部透?jìng)髂K，和監(jiān)測(cè)終端的串口模塊相連，由串口監(jiān)測(cè)終端通過(guò)固定協(xié)議和遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如監(jiān)測(cè)終端的注冊(cè)、注銷、在線心跳包、校時(shí)、操作者信息、基本參數(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、版本信息等，如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程通信模塊流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，根據(jù)升降機(jī)監(jiān)測(cè)終端的采集需求，給出了硬件設(shè)計(jì)方案和各主要模塊的軟件設(shè)計(jì)流程。該監(jiān)測(cè)終端可實(shí)時(shí)監(jiān)控升降機(jī)的工作狀態(tài)，如速度、重量、位置、狀態(tài)、操作者信息等，并做出語(yǔ)音提示；通過(guò)外置透?jìng)髂K實(shí)時(shí)傳送至服務(wù)器，使管理者和監(jiān)管部門在任何可以上網(wǎng)的地方實(shí)時(shí)掌握升降機(jī)的工作狀態(tài)并采取相應(yīng)措施，從而減少升降機(jī)的安全隱患［15］。若配合塔機(jī)智能安全監(jiān)控系統(tǒng)和揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就可以完整地實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的全面監(jiān)測(cè)，并將這些施工設(shè)備和施工環(huán)境監(jiān)測(cè)信息傳輸?shù)浇y(tǒng)一的監(jiān)測(cè)平臺(tái)上，極大地方便管理者和監(jiān)督部門對(duì)有可能出現(xiàn)的安全隱患進(jìn)行及時(shí)處理，以確保施工過(guò)程安全有序進(jìn)行。