摘要：提出了一种基于传感器网络的塔机安全监测系统的设计方案，以CC2430为主控芯片，基于ZigBee协议栈组网实现主从节点之间的数据采集与传输。使用LabVIEW设计上位机监测系统，实现了塔机参数实时显示、分析和存储功能。
关键词：ZigBee；塔式起重机；LabVIEW
1 引言
塔式起重机是建筑工地高空作业的特种设备，起升高度大，覆盖面积广，一旦发生事故就可能造成设备损毁和人员伤亡的重大损失。传统塔机上配置的安全监测系统为有线连接方式，在长期使用后装置的可靠性低，机电设备运行产生电磁噪声，对有线信号的传输产生干扰。塔机作业过程处于运动状态，也增加了传感器与监测终端连接布线的难度。因此研究塔机无线监测系统对于提高我国塔机的监测及故障诊断水平，保证塔机的生产效率和安全性具有重要意义。
2 系统整体概述
本系统的设计方案是在塔机上安装各种传感器实时采集运行中的参数、并将数据无线传输至施工现场监测端进行处理，由计算机统一管理，实时显示塔机运行状态信息、并能够预报警和数据备份。本文设计的塔机ZigBee无线监测系统结构如图1所示。
图1 ZigBee无线监测系统结构图
系统采用ZigBee星型网络拓扑结构，由一个主节点，多个从节点组建无线传感器网络，实现数据的无线传输。ZigBee作为一种新兴的短距离、低功耗、低成本的无线通信技术，能广泛应用于工业控制、消费电子、智能家居、自动化监控等各种领域[1]。
为了实现塔机运行的安全监控，需要实时监测多个关键参数，而这些参数涉及到不同的物理量，所以需要各种传感器协同工作。系统中的每个从节点分别连接不同的传感器，实时接收采集数据，并通过无线传感网络将数据向主节点发送，主节点收到数据后通过串口传给上位PC机，上位机软件能够对塔机当前状态实时监测，并且能存储各参数的历史数据，分析塔机工作状态和强度，便于掌握塔机一段时间来的运行情况和故障信息，有效地消除潜在的安全隐患。
3 系统硬件设计
选择CC2430作为主节点和从节点的处理器，该芯片是全球首款支持ZigBee协议的片上系统（SOC）解决方案，集成了一个8051MCU内核以及符合IEEE802.15.4规范的2.4GHz的无线收发器。芯片内部包含模拟数字转换器、定时器、看门狗定时器、AES128协处理器等，同时提供了2个UART接口以及21个可编程I/O引脚。
主节点是整个网络的协调器，作为全功能设备（FFD），负责网络组建和维护、各从节点传感器采集数据无线接收、与上位PC机串口通信。因此采用CC2430-F128（128kB Flash）芯片，并在CC2430典型应用电路的基础上扩展串行通信接口。
从节点主要负责数据采集和数据无线传输，可作为简化功能设备（RFD），以降低功耗和成本。芯片采用CC2430-F32（32kB Flash），其硬件电路和主节点大致相同，只是在从节点芯片的I/O口上接入各种类型的传感器，以实现对塔机重要参数信息的采集。本系统需要采集的塔机参数包括：起重量、起升高度、小车幅度、回转角度。起重力矩信息可由起重量和小车幅度计算得出[2]。
塔机的起重量信息采用轴销式称重传感器实时采集，传感器安装在导向滑轮的轴销中，可避免钢丝绳绕绳摆动造成的磨损，能实时、高精度地采集吊重。其输出信号是电压模拟信号，经过放大器与从节点的AD转换接口连接。
小车变幅、起升高度这两个物理量检测采用的传感器都是旋转编码器，分别安装在小车牵引卷筒和起升机构电机卷筒上。编码器能把角位移或直线位移转换成脉冲电信号，经放大后转换为RS232电平数字信号输出，与从节点的串口连接。
塔机回转角度的检测采用高精度平面数字式罗盘，通过磁传感器感应地球磁场的磁分量，精确测出塔机吊臂在地理坐标系下的方位角度，并能够直接输出RS232电平数字信号，与从节点的串口连接。
4 系统软件设计
4.1 ZigBee无线组网及数据通信
ZigBee通信协议采用分层结构，节点通过在不同层上的特定服务来完成所要执行的各种任务。本系统采用TI提供的协议栈Z-stack，在IEEE 802.15.4标准物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）基础上增加了网络层、应用层和安全服务规范，是一种较好的无线传感器网络组建方案[3]。
系统采用星型网络拓扑结构，只存在协调器和终端两种设备。主节点被初始化为网络协调器，其功能是发送网络信标、建立网络、管理网络节点、存储网络节点信息、无线收发数据。从节点被初始化为ZigBee网络中的终端设备，上电复位后，即开始搜索指定信道上的网络协调器，并发出连接请求。建立连接成功后，从节点将得到一个16 位的网络短地址，并采用非时隙CSMA-CA机制，通过竞争取得信道使用权，向主节点发送数据。
从节点接收到传感器输出的信号后，对数据进行处理，并通过ZigBee无线网络发送给主节点。主节点收到数据包后，对数据进行分析，把每个传感器采集的数据值进行转换标定，然后发送给上位PC机。主从各节点的组网及通信流程如图2所示。
图2 主从节点组网通信流程图
4.2 上位机数据处理及监测
本系统采用LabVIEW软件开发环境搭建上位机平台。上位机数据处数据处理程序如图3所示。
图3 数据处理程序
理程序包括对串口接收到的监测数据进行显示、统计等分析功能。经过ZigBee主节点的处理标定后，每个传感器采集的数据被依次传送至上位机的串口，通过waveform chart控件，可显示当前接收的参数，并根据历史数据绘制曲线以备查。程序还设置了参数的额定阈值，可以查看塔机工作在安全状态还是接近满负荷临界状态，当参数超过设置阈值时，可触发蜂鸣报警。
5 结语
本文结合传感器技术和无线通信技术，设计了基于ZigBee无线传感器网络的塔机安全监测系统，有效地解决了有线式系统线路易老化、维护困难的缺点，避免了传感器采集的数据信号在传输导线上的衰减。ZigBee各节点均为独立的模块，便于安装拆卸。LabVIEW搭建上位机监测软件，实现了塔机重要参数的实时监测、报警、存储备份功能。
随着无线传感器网络技术的普及，其在塔机监控领域的应用会越来越广泛，它与4G、物联网等远距离通信技术相结合，能够实现对群塔作业及防撞的远程监控，有效提高建筑塔式起重机作业的安全性。
参考文献：
[1]王小强，欧阳骏，黄宁淋．ZigBee无线传感器网络设计与实现[M]．北京：化学工业出版社，2012．
[2]张应立．塔式起重机安全技术[M]．北京：中国石化出版社，2008．
[3]李文华 ．ZigBee网络组建技术[M]．北京：电子工业出版社，2017．
论文作者:雷纯
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/17
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