基于ZigBee 無線傳感網的起重機械設備安全監控系統?

張孝元，傅建平，馬艷娥

(晉中信息學院智能工程學院，山西 晉中 030800)

起重機憑借作業范圍大、工作效率高等優勢廣泛應用在碼頭、港口等地的生產制造過程中。但是因使用過程中一些違規操作或者關鍵部件老化等原因，設備損壞和人員傷亡事件頻頻發生，造成的經濟損失較大，起重機械設備的安全情況成為管理人員關注的重點，吸引了眾多學者紛紛投入此項研究中。

文獻[1]基于物聯網技術設計一種安全監控系統。根據起重機結構特征設計安全監控系統整體架構，確定傳感器布置方案；針對結構安全和作業安全兩個方面，以國家強制標準為依據，確立監測指標、預警等級等。文獻[2]通過改進模糊層次分析算法評估起重機是否存在安全隱患。建立起重機性能安全評價指標體系，使用層次分析法設置指標權重，通過信心指數評價各級指標，同時利用正態分布隸屬函數構建評價矩陣，實現起重機的安全測評。文獻[3]提出基于多層感知器神經網絡的干涉儀結構振動模式安全監控算法。該方法由兩部分組成:預處理算法和多層感知器神經網絡。應用預處理算法從捕獲的源信號中檢索和提取振動信號，并使用MLP-NN 實現對每種輸入類型的安全監控。

但物聯網監控系統的通信性能不夠穩定，當傳感器較多時，難以做到全方面監測；安全評價方法效率低，且不能實時評價；而多層感知器神經網絡的設備安全監控耗時較長。針對三種方法的不足，利用ZigBee 無線傳感網絡設計一種起重機械設備安全監控系統。ZigBee 無線傳感網絡具有如下特征:規模大，由于節點通信半徑較短，為精準采集信息，通常會在監控范圍內布置密集的節點，通過不同角度的監測，提高信息信噪比，增強網絡魯棒性，減少監控盲區[4－5]；自組織性強，因能量消耗過大或環境等因素導致一些傳感節點失效，此時會有一部分節點自動添加到網絡中，網絡拓撲結構也會產生一定變化。基于上述優勢，將該技術引入到監控系統中，確定網址分配機制與路由協議，改善系統通信狀況。保證系統在網絡狀況良好情況下實時監控起重機械設備安全。

1 基于ZigBee 的起重機械設備安全監控系統設計

1.1 監控系統整體結構確立

在生產現代化背景下，工作人員不但需要現場操控起重機，還要實時遠程監控設備運行情況，實現設備信息的集中化管控。因此，監控系統的整體結構為三級分布式，包括現場級、用戶級和公司級監控三部分，以此滿足各類用戶的需求。系統整體結構如圖1 所示。

圖1 安全監控系統整體結構示意圖

現場監控主要作用是采集起重機的相關運行信息，并將這些信息發送至上位機。利用GPS 技術實時獲取起重機位置信息，通過ZigBee 網絡將所有信息匯聚到中心節點，現場管理人員使用手持設備監控現場設備運行狀態。局域監控為管理人員提供遠程監控信息，無須管理員親臨現場也能實現起重機的遠程監控與運行干涉。局域監控站主要負責設備信息的處理與保存，通過路由訪問處理中心，獲取起重機的預警信息、運行狀態和連續時長等數據，便于設備現場實時監控。遠程監控監控員通過總站設備監測所有起重機的運行和故障信息，結合相關數據為各使用者提出指導意見，有助于使用者及時發現問題，提升生產效率。

1.2 監控系統硬件模塊設計

1.2.1 ZigBee 節點模塊硬件結構

ZigBee 節點硬件都是單獨設計的，便于后期更換和擴展。綜合分析系統硬件需求，將CC2530 當作ZigBee 網絡的硬件核心。該芯片具有功耗低、功能全面等優勢，共包括五個部分，節點硬件整體結構如圖2 所示。

圖2 ZigBee 節點硬件整體架構圖

①電源模塊:為了給ZigBee 網絡營造安全的使用環境，采用USB 和鋰電池共同供電的方式保證網絡穩定，并添加HT7533 穩壓器確保電壓平穩。電源模塊結構如圖3 所示。

圖3 電源模塊架構圖

②串口單元:為ZigBee 節點與外部數據提供交換空間，可與其他設備通信，便于電腦調試數據。

③調試單元:ZigBee 由協調器與終端節點構成，在程序開發過程中需為不同類型節點編寫相應程序，以便后期調試。本系統選用具有10 引腳的調試下載接口。

④按鍵與顯示單元:ZigBee 節點由5 個按鍵和5 個LED 顯示構成[6]。其中，按鍵分為1 個復位按鍵與4 個普通按鍵。

1.2.2 數據采集模塊硬件構成

安全監控系統中，起重機實時運行數據的處理與顯示尤為重要，因此必須保證采集端硬件功能的強大。本系統采集模塊的硬件結構如圖4 所示。

圖4 系統采集模塊硬件結構圖

圖4 中，四路模擬信號的處理芯片均使用MC9S12DG128 型號。由傳感器模塊發出模擬信號，通過放大與濾波電路，將信息傳輸至AD 口[7]。

1.2.3 監控器硬件組成

①監控單元

監控器通常分為監控與顯示兩個單元。其中監控單元涉及的硬件設備如圖5 所示。

圖5 監控單元結構示意圖

作為硬件系統的核心部分，監控單元會根據采集到的設備運行參數，實時監測起重機安全情況。主要監控的內容包括如下幾方面:

電源監控:起重機的電機如果出現缺相情況則會導致電機過熱，造成反轉現象。所以應實時監控三相電源，若出現缺相情況，斷開繼電器的同時給出預警信息[8]。

過載監控:通過重力傳感器與放大器運算負載量，當監控到起重機連續超出額定負載，監控器會發出警報，直到負載低于設定閾值。

故障監控:在起重機接收到動作請求時，監控器會檢查設備動作的安全性，若沒有故障信號，輸出請求才會被激活[9]。

②顯示單元

顯示單元包括攝像機、視頻卡與顯示器等硬件設備。利用視頻線纜將攝像機和視頻卡連接，將視頻流信號變換為數字信號，通過壓縮保存到硬盤內，便于相關部門查看。視頻部分組成結構如圖6所示。

圖6 顯示單元組成結構圖

顯示單元中，攝像頭與視頻卡的具體參數分別如表1 和表2 所示。

表1 攝像頭參數表

表2 視頻卡參數表

1.3 監控系統軟件模塊設計

1.3.1 ZigBee 通信方式設置

ZigBee 無線傳感器網絡的通信部分是整個系統軟件的核心，主要包括網址分配和路由協議兩個方面。只有保證通信方式的合理性，才能對起重機的安全狀況進行全面的監控。

①網址分配

ZigBee 無線傳感網絡的網址分配，包括分布式和隨機式兩種，本系統使用分布式分配機制，具體設置情況如下。

假設網絡最大深度是Lm，父節點的最大子節點數量是Cm，子節點路由器的數量為Rm。結合上述數值，能夠獲取子節點間的偏移地址Cskip(d):

式中，d代表通信距離。

因此，地址是Aparent的父節點，其第m個路由地址表示為:

終端地址表達式如下:

式中，An代表Aparent分配第n個終端節點產生的地址。

②路由協議

和傳統通信網絡相比，ZigBee 無線傳感網絡在起重機械設備安全監控系統中，除了要處理本節點的信息外，也要處理網絡中其他節點信息，以實現對起重機械設備的全面安全監控。為減少節點能耗，對一些節點功能做簡化處理，使用Cluster-Tree 算法確定ZigBee 無線傳感網絡的通信路徑[10]。

在Cluster-Tree 算法執行過程中，節點無須儲存路由表，可根據數據分組情況自動計算出下一跳轉發地址。針對通信距離為d，網址為A的節點，則存在地址為D的節點作為其后代節點[11]。

在確定后代節點后，可將信息分組發送到子節點，若滿足:

說明目的節點即為終端子節點，下一跳地址N′表示如下:

反之有:

由此可以看出，Cluster-Tree 算法無須維護路由表，減少開銷，降低節點能耗[12]。通過Cluster-Tree 算法提升ZigBee 無線傳感網絡的路由開銷，提升其節點信息處理效率，提升ZigBee 無線傳感網絡的數據傳輸性能，從而保證起重機械設備安全監控的準確性。

1.3.2 起重機械設備安全監控單元軟件流程設計

根據監控模塊硬件結構特征，設置軟件工作流程，確保系統監控工作順利進行。監控系統主要流程如圖7 所示。

圖7 監控流程示意圖

綜上所述，通過設計ZigBee 節點模塊及數據采集模塊實現對監控系統硬件的設計，利用ZigBee 無線傳感網絡實現網址分配及路由協議的確定，降低節點能耗，并設計監控單元軟件流程，通過缺相檢測、過載檢測及控制請求輸出最終故障結果，實現基于ZigBee 無線傳感網的起重機械設備安全監控系統設計。

2 系統測試結果與討論

為證明基于ZigBee 無線傳感網絡監控系統的性能，有必要進行系統測試。將門式起重機作為監控對象，其是橋式起重機的變形產物，作業范圍更大，通用性較強，主要應用在港口、鐵路等室外作業的物料裝卸任務中。門式起重機設備安全監控系統實測圖如圖8 所示。

圖8 門式起重機設備安全監控系統測試

①系統數據采集模塊測試

傳感器性能影響著數據采集效果，也決定了系統監控性能。由于傳感器類型較多，實驗針對重力和風力傳感器進行測試，以輸入電壓值為模擬信號，經過處理后獲取輸出值。將輸出結果和文獻[1]方法、文獻[2]方法及文獻[3]方法比較，測試結果分別如圖9、圖10 所示。

圖9 重力傳感器輸入數據采集測試結果

圖10 風力傳感器輸入數據采集測試結果

分析上圖可以得出:本文監控系統中傳感器的采集性能表現良好，兩種傳感器的輸出值與輸入值間的誤差較小，平均值在0.02 V 以內；而其他三種方法則表現得不穩定，有時會出現誤差較大的情況。這是因為ZigBee 網絡性能穩定，能夠為信息采集提供很好的網絡條件，避免出現節點失效等現象，提高采集精度。

②系統網絡覆蓋范圍測試

網絡覆蓋范圍直接影響監控效果，起重機械設備監控系統通常用在作業規模較大的環境中，障礙物遮擋較少，因此選取空曠地帶測試通信覆蓋情況，將丟包率作為評價指標，不同方法的測試結果如圖11所示。

圖11 不同監控方式的網絡覆蓋范圍測試結果

圖11 顯示，當通信距離不超出30 m 時，四種方法的丟包率均為0。但隨著通信距離的增加，本文方法的丟包率上升幅度較小，最大值為1.81%，而其他監控方式的丟包率出現明顯變化，表明通信信號出現嚴重衰減。ZigBee 傳感網絡之所以保持較低的丟包率是因為設置了合理的網址分配機制和路由算法，提高數據傳輸的成功率，為安全監控提供更加豐富的數據基礎。

③系統并發用戶數量測試

該指標體現出系統能夠同時滿足用戶訪問需求的能力。若多個用戶同時使用系統，且系統CPU 利用情況較低，表明系統的并發性較強，具備對強負載的處理能力。

圖12 不同監控系統的用戶并發數量測試

通常情況下CPU 利用率高于90%時，系統崩潰的風險較大。因此可以看出文獻[1]方法當用戶并發數量達到150 時，CPU 利用率已經超出90%，而模糊層次方法的用戶量達到200 時，CPU 利用率已經無法滿足系統正常運行需求，而本文方法可同時滿足更多用戶使用需求，用戶量達到200 時其信息丟包率為75.4%。說明三級式的系統分布策略可提高資源利用效率，為系統運行提供更多空間。

3 結論

近年來，起重機械設備安全問題引起社會廣泛關注。為減少設備損壞帶來的經濟損失和人員傷亡情況，本文利用ZigBee 無線傳感網絡設計一種安全監控系統。仿真結果證明了該系統能夠滿足起重機安全監控需求，通信穩定，可實現實時全面的監控。但是系統依然存在一些不足之處，例如傳輸協議設置較為簡單，為增強通信的安全性，在后續設計中可引入密鑰算法；在系統測試階段，利用模塊化思想完成測試，應考慮模塊的集成化，確保每個部分都能穩定運行。此外，可引入大數據技術深入分析起重機安全情況，有效評估機械設備的使用壽命。