基于ZigBee的架橋機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)

宋梁君 尉文峰 王天晨 陳衛(wèi)

（紹興市特種設備檢測院，浙江紹興 312071）

架橋機作為預制梁片的架設設備，廣泛應用于高速鐵路及公路建設中，在大基建建設中發(fā)揮著重要的作用。架橋機具有起重量大、跨度大、過孔、工況復雜等特點，若使用管理不當，將會造成嚴重的安全事故，架橋機的可靠性和安全性一直受到高度重視。架橋機也被列為首批須安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的試點型號，且參數(shù)不限[1]。

傳統(tǒng)的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)需要進行長距離的電纜鋪設，線纜多且復雜，并且強弱電之間容易造成電磁干擾，系統(tǒng)可靠性較差。隨著現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著ZigBee等無線通信技術(shù)的成熟，架橋機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)無線化已成為行業(yè)趨勢。

鑒于此，本文設計開發(fā)一種基于ZigBee的架橋機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，通過ZigBee技術(shù)完成系統(tǒng)中各節(jié)點自組網(wǎng)以及實時數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)對架橋機各種參數(shù)的安全監(jiān)控，保障架橋機安全運行。

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

本系統(tǒng)按照GB/T28264-2017《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的要求進行設計開發(fā)，主要由顯示主機、采集盒和控制盒3個部分構(gòu)成[2]。

采集盒分布在架橋機靠近傳感器的位置，搭載有數(shù)據(jù)采集模塊和無線傳輸模塊，主要用于采集傳感器信號并將其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終通過無線傳輸模塊發(fā)送。

控制盒則搭載有控制模塊和無線傳輸模塊，主要是接收控制數(shù)據(jù)并輸出各種控制信號。

顯示主機通過RS485總線連接ZigBee模塊，是整個系統(tǒng)的核心，主要用于接收采集盒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并進行相應的處理，最終將實時參數(shù)進行顯示、存儲和比較，另外在有控制需求時發(fā)出控制指令切斷回路。操作人員可實時觀察起重機各機構(gòu)的運行狀況，達到安全監(jiān)控的目的。

2.硬件設計

2.1 采集盒電路設計

根據(jù)GB/T 28264-2012《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》要求，架橋機現(xiàn)場需采集重量、角度、行程、風速等信號，其中重量、角度、風速傳感器一般采用電流型傳感器，信號接入采集盒后通過濾波、放大和AD轉(zhuǎn)換后才可使用，行程傳感器則采用編碼器，信號通過RS485通信接入采集盒后直接讀取使用。因此，采集盒電路以STM32f103系列微處理器為核心，加上外部供電模塊、信號調(diào)理模塊和無線通信模塊完成信號采集、轉(zhuǎn)換和傳輸功能。

微處理器采用STM32f103RCT6單片機，該芯片具有72MHz主頻，256KB的Flash和48KB的RAM，51個通用I/O口，16路12位ADC通道以及USART和SPI等接口。

供電模塊負責提供各傳感器節(jié)點電源，接入起重機上的24V電壓，采用DC/DC模塊降壓濾波，提供5V及3.3V的工作電壓驅(qū)動電路。

信號調(diào)理單元采用LM258雙運算放大器，接入的重量、角度、風速等信號經(jīng)過濾波放大處理后輸入微處理器的ADC通道經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供后續(xù)使用。

無線通信模塊采用中鼎泰克的DRF1609H，板載Zig-Bee模塊，可焊接在PCB板上直接使用。內(nèi)部主芯片為雙核ARM-32位CPU：CC2630，該芯片的雙內(nèi)核架構(gòu)可提高性能降低功耗，具有128KB Flash和20KB SRAM存儲，可有效解決ZigBee應用方案。DRF1609H模塊信號放大部分為雙通道PA，在復雜的架橋機使用環(huán)境可切換到外接天線的信號通道進行使用，最大傳輸距離達1600m。此外該模塊可通過按鍵自動加入網(wǎng)絡，在現(xiàn)場使用簡單方便，最大發(fā)送數(shù)據(jù)包為269個字節(jié)，完全滿足各類信號傳輸需求。

2.2 控制盒電路設計

控制盒由微處理器、供電模塊、控制模塊和無線通信模塊組成，主要用于接收主機發(fā)送的控制信號并負責各控制回路的通斷。微處理器、供電模塊和無線通信模塊均采用和采集盒相同的型號，控制模塊共使用24路繼電器，可滿足絕大部分施工現(xiàn)場的控制需求。

2.3 主機設計

主機采用昆侖通泰觸摸屏TPC1021Nt和中鼎泰克的DRF2659C。觸摸屏采用了10.1英寸的液晶顯示屏，預裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件，具有強大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能，因此可提供良好的人機交互體驗。同時，內(nèi)置了數(shù)據(jù)內(nèi)存以及USB接口，可以將運行數(shù)據(jù)在主機上存儲30d并且可下載至U盤。另外，觸摸屏還提供RS232和RS485串行口可供通信。因此，無線模塊選用了RS485 轉(zhuǎn)ZigBee模塊DRF2659C。模塊使用外接天線，最大傳輸距離為1600m，接收靈敏度為-98dBm，可完全覆蓋一般架橋機施工現(xiàn)場[3]。

ZigBee模塊把接收到的傳感器信號通過RS485總線傳給觸摸屏，信號進行計算、對比后，最終在觸摸屏上進行顯示和存儲，每隔100ms刷新一次。如遇危險狀況，觸摸屏通過RS485傳輸控制信號至ZigBee模塊，ZigBee模塊發(fā)送該信號到控制盒進行后續(xù)操作。

3.軟件設計

軟件設計包括采集盒、控制盒和主機3個節(jié)點的設計。通信程序都是基于ZigBee協(xié)議棧ZStack設計的。對于本系統(tǒng)的開發(fā)應用來說，根據(jù)所選ZigBee模塊的接口提供的服務，調(diào)用相應的接口函數(shù)，可完成應用程序的開發(fā)。

3.1 采集盒軟件

采集盒主要負責傳感器信號采集及傳輸。當采集盒通電以后，程序初始化，由于ZigBee模塊默認為路由器，因此自動向當前區(qū)域的網(wǎng)絡發(fā)出入網(wǎng)請求，當入網(wǎng)成功后即可收發(fā)數(shù)據(jù)。采集盒運行時不斷循環(huán)采集各傳感器的數(shù)據(jù)，當接收到協(xié)調(diào)器的讀取指令時，中斷信號采集程序，將當前的信號通過ZigBee模塊發(fā)送至協(xié)調(diào)器，發(fā)送完畢后恢復到原來的采集過程。

3.2 控制盒軟件

控制盒主要用于接收控制信號并做出相應的控制操作。當控制盒上電后，和采集盒完成同樣的入網(wǎng)工作，當通信建立后，接收來自主機協(xié)調(diào)器的指令，根據(jù)不同的指令對繼電器完成通斷控制。

3.3 主機軟件

在出廠時需將DRF2659C模塊配置為協(xié)調(diào)器。因此在系統(tǒng)上電后，模塊自動進入組網(wǎng)階段，開始掃描信道并建立網(wǎng)絡，在收到該網(wǎng)絡范圍內(nèi)的路由器請求加入網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)幀后，發(fā)出響應允許加入，在建立了協(xié)調(diào)器與路由器的通信之后就可以進行收發(fā)數(shù)據(jù)。觸摸屏每一個運行周期都通過RS485串口向協(xié)調(diào)器發(fā)送一次讀取信息的指令，路由器在收到指令后將采集的重量、角度、高度、行程和風速等參數(shù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器上傳數(shù)據(jù)至觸摸屏。

系統(tǒng)軟件中包含以下幾種功能模塊：

（1）實時顯示：主機能夠動態(tài)實時監(jiān)控起重機的運行狀況，顯示當前的重量、高度、行程、風速等參數(shù)，以及根據(jù)各參數(shù)所得出的起重機各部件的運行狀態(tài)，如起鉤落鉤、抬臂趴臂、小車前進后退等。

（2）標定功能：根據(jù)傳感器的信號值和現(xiàn)場參數(shù)的實際值進行標定，減小誤差值。

（3）預警報警：當起重機即將處于危險狀態(tài)時會進行預警提示，在危險狀態(tài)下運行時進行報警提示，解除危險警報消除。

（4）歷史查詢：可隨時查看起重機設備的歷史運行狀態(tài)參數(shù)、運行指令和報警信息等，并可通過U盤進行拷貝，方便后續(xù)保存分析。

4.現(xiàn)場測試

應用設計開發(fā)的系統(tǒng)對架橋機進行監(jiān)控管理等測試，經(jīng)過現(xiàn)場測試，各參數(shù)顯示值與實際值的誤差在±5%以內(nèi)，且具有限值報警控制，人機界面友好，操作方面，較好滿足了各種復雜工況的使用要求。

5.結(jié)語

本文結(jié)合傳感器、無線通信等技術(shù)，設計了基于ZigBee技術(shù)的架橋機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)設計布局合理、安裝操作方便、人機界面良好、數(shù)據(jù)采集及傳輸穩(wěn)定可靠，很好地解決了傳統(tǒng)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)需長距離的電纜鋪設，系統(tǒng)可靠性較差等缺陷，同時也能很好地克服架橋機跨度大、過孔、工況復雜等不利因素，提高了架橋機工作的安全性。