0 引言

起重機是一種在一定范圍內(nèi)垂直升降重物的特殊工業(yè)設(shè)備，但是機械的過度使用及磨損容易造成安全事故，所以有必要對起重機的運行參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控。技術(shù)人員可通過BrSWP%、SWP%、起重機運行時間等特定參數(shù)來獲知起重機主要部件的老化及磨損程度。

   傳統(tǒng)的起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)僅能監(jiān)測負(fù)載重量，為滿足現(xiàn)今工業(yè)發(fā)展的要求，需要監(jiān)控系統(tǒng)能實時監(jiān)測起重機的啟動次數(shù)、高速運行時間等數(shù)據(jù)。同時，現(xiàn)階段的起重機安全監(jiān)控器多數(shù)安裝在起重機附近，不便查看且有一定的危險性。若采用有線連接的方式將起重機運行參數(shù)傳送到監(jiān)控室，則現(xiàn)場的布線、電磁場對弱點信號干擾等問題將會給這一方案帶來很大難度。ZigBee模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)的興起給工業(yè)控制領(lǐng)域帶來了新的契機，同時結(jié)合因特網(wǎng)可將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳送到世界各地本文設(shè)計一個起重機三級監(jiān)控系統(tǒng)，包括現(xiàn)場監(jiān)控級、局域監(jiān)控級和遠(yuǎn)程監(jiān)控級，從而滿足了不同工作人員對起重機數(shù)據(jù)的監(jiān)控需求。

1 三級監(jiān)控系統(tǒng)介紹

本文提出的三級式的起重機監(jiān)控策略，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它主要由現(xiàn)場級監(jiān)控層、局域級監(jiān)控層、遠(yuǎn)程級監(jiān)控層三部分構(gòu)成，從而滿足了不同用戶的需求。

圖1 起重機三級監(jiān)控系統(tǒng)

   （1）現(xiàn)場監(jiān)控級：即通過工作現(xiàn)場的起重機智能監(jiān)控器來查看數(shù)據(jù)。工作人員通過與智能監(jiān)控器連接的LCD 顯示屏來觀察起重機的運行參數(shù)， 如當(dāng)前負(fù)載、SWP%等值，從而實時掌握起重機的運行狀態(tài)。

   （2）局域監(jiān)控級：通過ZigBee 終端模塊采集起重機運行數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器模塊，協(xié)調(diào)器模塊與上位機相連。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到幾百米外的局域監(jiān)測站以便技術(shù)人員查看，滿足工業(yè)現(xiàn)場的實際需求。

   （3）遠(yuǎn)程監(jiān)控級：工作人員可通過因特網(wǎng)遠(yuǎn)程查看全國各城市起重機的工作情況， 并及時發(fā)現(xiàn)故障信息，從而給各城市起重機使用商提供技術(shù)指導(dǎo)，幫助他們及時發(fā)現(xiàn)問題，保障現(xiàn)場工作的安全。

2 現(xiàn)場監(jiān)控級設(shè)計

起重機現(xiàn)場監(jiān)控器功能主要包括負(fù)載噸位顯示、故障信息報警和運行數(shù)據(jù)記錄等。起重機智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件采用MC9S12DG128 作為核心處理芯片， 整個系統(tǒng)由監(jiān)控終端和顯示終端兩部分組成，其硬件框圖如圖2 所示。

圖2 起重機監(jiān)控器硬件框圖

2.1 起重機監(jiān)控器硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 最小系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12DG128 單片機，它擁有8 KB ROM、128 KB Flash 、2 KB EEPROM 、91 個I / O 端口、2 個CAN 總線接口和10 位A / D 轉(zhuǎn)換器。硬件配置既滿足了設(shè)計需求， 又節(jié)約了開發(fā)成本。

2.1.2 監(jiān)控器電源電路

起重機監(jiān)控器開關(guān)電源將48 V 交流電轉(zhuǎn)化為各模塊所需的直流電壓，即繼電器線圈電壓12 V、模擬輸出所需的14 V 直流電壓、重力傳感器所需的16 V 直流電壓。系統(tǒng)采用EC28 型6×2 腳骨架變壓器進(jìn)行交流電壓轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過整流電路和濾波電路將變壓器輸出端的高頻脈沖電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓。

2.1.3 三相電輸入調(diào)理電路

在對三相電進(jìn)行檢測之前，將三相電調(diào)理為直流偏置的正弦弱電信號，再對其進(jìn)行A/D 采樣。三相電調(diào)理電路包括分壓電路、直流基準(zhǔn)電壓源以及低通濾波電路。

2.1.4 傳感器信號輸入電路

電流互感器采集電機轉(zhuǎn)子側(cè)電流的電壓信息并傳送到單片機。重力傳感器經(jīng)信號放大器將起重機負(fù)載值的電壓信息輸入到單片機，其中信號放大器使用KAE400 。輸入信號電壓范圍是0~10 V。

2.1.5 繼電器驅(qū)動電路

起重機的升降允許動作、加速允許動作主要通過繼電器的吸合來控制。單片機I/O 口提供的電流并不足以驅(qū)動繼電器的吸合， 所以本設(shè)計選用三極管MMBT5551作為其驅(qū)動元件。

2.1.6 D/A 輸出電路

采用的單片機內(nèi)部集成D/A 模塊， 并采用LM2904將單片機輸出的0~5 V 模擬信號轉(zhuǎn)換為顯示終端LCD顯示屏輸入所需的0~10 V 的模擬信號。

2.2 起重機監(jiān)控器軟件設(shè)計

主控制板的主程序主要包括系統(tǒng)初始化、三相電缺相和相序檢測以及起重機動作請求等。初始化完成后首先判斷外部三相主電源是否存在缺相或相序錯誤故障，在三相電接入無誤的情況下，等待動作請求信號。系統(tǒng)一旦接收到動作請求信號， 即對動作請求進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果發(fā)送至手持式終端進(jìn)行顯示。

2.2.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化的主要功能包括系統(tǒng)總線時鐘初始化、配置I/O 接口、串口初始化、A/D 初始化和定時器初始化等。

2.2.2 三相電缺相和相序檢測算法

通過A/D 端口采集單相電壓，在定時器提供的一個單相周期0.02 s 內(nèi)持續(xù)更新該相峰值電壓MAX 和最小電壓MIN。檢測周期結(jié)束后計算出峰值電壓與最小電壓的差值，如果MAX 與MIN 的差值小于200 V，則判定為缺相。

   三相電系統(tǒng)中，以某一相（U）作為參考，其余兩相與其相位相差120°。將三相電接入到固定的a 、b 、c 三個端子，并規(guī)定圖的相序為正確相序。尋找接入a 端子一相的電壓峰值，找到后啟用計時器計時。接著，尋找接入到b 端子和c 端子的相電壓峰值，并記錄找到時間為tb、tc 。

若tb>tc，則表明相序錯誤，否則相序正常，如圖3 所示。

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圖3 三相電相序檢測原理

2.2.3 監(jiān)控器串口通信程序設(shè)計

本設(shè)計采用的MC9S12DG128 微控制器置有兩個具備全雙工通信、波特率可編程設(shè)置、8 個驅(qū)動中斷編制位等功能的串行通信接口（SCI ）模塊。在初始化完成后，通過接收中斷的方式來接收數(shù)據(jù)，在讀取SCI 狀態(tài)寄存器和SCI 數(shù)據(jù)寄存器后，接收器滿標(biāo)志自動清除。

3 局域監(jiān)控級設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量靜止或者移動的ZigBee無線模塊傳感器節(jié)點以自組織、多跳的方式組成的網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點協(xié)作地感知、采集、處理以及傳輸感知對象的監(jiān)測信息，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)給用戶。

3.1 ZigBee 無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計使用的ZigBee模塊選用射頻芯片CC2530 ，其內(nèi)部有2.4 GHz 的RF無線電收發(fā)機， 適應(yīng)2.4 GHzIEEE802.15.4 的RF 收發(fā)器、微控制器和內(nèi)存。

   本設(shè)計采用三類ZigBee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：終端節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，路由器節(jié)點和終端節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要包括終端節(jié)點與監(jiān)控器、協(xié)調(diào)器節(jié)點與上位機的串口數(shù)據(jù)收發(fā)，以及協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點之間的無線通信。

   該系統(tǒng)可同時對多臺起重機進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集檢測，所有ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點的起重機運行數(shù)據(jù)都將匯集到協(xié)調(diào)器節(jié)點。上位機除了有監(jiān)測的功能，也具有遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場監(jiān)控器的功能，可遠(yuǎn)程更新一些設(shè)置量，如超載百分比、啟動延時時間以及SWP%設(shè)置等。

3.2 延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離

IEEE 組織根據(jù)802.15.4a 信道的特點， 構(gòu)建了基于802.15.4a 信道、適用于UWB （2~10 GHz）、100~1000 MHz的信道傳輸損耗模型，其損耗計算公式為：

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其中，Pr 是接收機的功率，Pt 是發(fā)射機的發(fā)射功率，Aant是天線衰減因子，Gt 是發(fā)射天線的增益，Gr 是接收天線的增益，PL0 是參考距離下的損耗大小，S 是損耗計算的標(biāo)準(zhǔn)方差，d 是發(fā)射機與接收機的距離，d0 是參數(shù)距離，n 是距離損耗為考慮頻率影響修正系數(shù)，fc 是參考中心頻率。

對上式進(jìn)行推導(dǎo)，得出最大距離方程為：

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下面通過設(shè)置不同的影響因素來得到各組數(shù)據(jù)，從而得出影響傳輸距離的主要因素，結(jié)果如表1 所示。

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表1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離計算

從公式分析以及實際計算可以得出結(jié)論，延長ZigBee 傳輸距離的方法包括增加ZigBee數(shù)傳模塊節(jié)點的收發(fā)天線增益、提高天線的架設(shè)高度、縮短發(fā)射端的饋線長度、避免干擾較大的工作環(huán)境。其中，工作環(huán)境是否空曠對ZigBee數(shù)傳模塊傳輸距離影響最大。

   在該系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可將數(shù)據(jù)傳送到200 m外的局域監(jiān)控站，這一距離滿足起重機監(jiān)控系統(tǒng)的工業(yè)要求。

3.3 上位機界面設(shè)計

3.3.1 串口收發(fā)數(shù)據(jù)格式

ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點采集起重機監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)， 再通過ZigBee無線模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。上位機將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行十六位制顯示，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

   為了便于與監(jiān)控室上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)交互并防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失，規(guī)定數(shù)據(jù)頭為55 ，數(shù)據(jù)尾為兩個字節(jié)AA。數(shù)據(jù)頭后的第一個字節(jié)為起重機編號判斷位，表示該數(shù)據(jù)監(jiān)測的起重機編號。監(jiān)測數(shù)據(jù)包括22 組，每組表示不同的數(shù)據(jù)，監(jiān)測項標(biāo)號為1 B，從00~21 ；其后為4 B 的數(shù)據(jù)位，高位在前，低位在后。

3.3.2 數(shù)據(jù)解析與顯示

協(xié)調(diào)器節(jié)點匯集了所有ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點采集的起重機運行數(shù)據(jù)，再通過串口發(fā)送給監(jiān)控室計算機。本系統(tǒng)采用美國國家儀器公司研發(fā)的LabVIEW 軟件進(jìn)行監(jiān)控界面的編寫， 監(jiān)控室軟件的主要功能包括串口數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)解析與顯示以及互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問。起重機現(xiàn)場監(jiān)控界面如圖4 所示。

圖4 上位機顯示界面

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控級設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)控級的設(shè)計可以讓全國各地工作人員能夠遠(yuǎn)程訪問監(jiān)控界面， 實時了解異地起重機的運行情況。

   同時，通過現(xiàn)場攝像頭采集到的視頻圖像，工作人員還可以遠(yuǎn)程看到起重機工作的實時畫面。

4.1 LabVIEW Web 服務(wù)器設(shè)計

使用LabVIEW 的Web 服務(wù)器可以在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布LabVIEW 程序前面板圖像供用戶遠(yuǎn)程查看。

4.1.1 創(chuàng)建HTML

文件創(chuàng)建HTML 文件的方法是：選擇“工具”->“Web 發(fā)布工具” ，在“選擇VI 和查看選項”中選擇所需的VI 文件；啟動Web 服務(wù)器，接著在“選擇HTML 輸出”中寫入文檔標(biāo)題；最后，進(jìn)入“保存新網(wǎng)頁”界面，寫入文件名和URL。

4.1.2 瀏覽HTML 文件

在遠(yuǎn)程計算機Web 瀏覽器中輸入URL，例如http ：//127.0.0.1 ：8000/remote.html ， 測試所用的發(fā)布網(wǎng)頁計算機的IP 地址是回送地址127.0.0.1 ，HTTP 端口為8000 ，HTML 文件保存為remote.html 。

4.2 基于嵌入式Linux 的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

4.2.1 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計使用ARM 開發(fā)板S3C2410 來進(jìn)行基于嵌入式Linux 的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。S3C24l0 是一款由三星公司出品的基于ARM920T 內(nèi)核的16/32 位RISC 微處理器。本文在處理器豐富功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的功能擴展。本設(shè)計中使用Cirrus 公司生產(chǎn)的應(yīng)用于嵌入式設(shè)備、價格低廉的以太網(wǎng)控制器芯片CS8900A，并采用ZC3OIP 芯片的USB 極速攝像頭。

4.2.2 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

針對硬件S3C6410 對操作系統(tǒng)進(jìn)行修改和移植。vivi是一款適用于ARM9 內(nèi)核的Bootloader ，本設(shè)計對其進(jìn)行了具體的修改和移植，以適應(yīng)S3C2410x 處理器。接著移植Mizi 公司研發(fā)的支持S3C2410x 芯片的Linux-2.4.18-rmk7-pxal 版本的內(nèi)核，制作精簡根文件系統(tǒng)———YAFFS文件系統(tǒng)。然后完成USB 接口攝像頭驅(qū)動程序的開發(fā)。

下面進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計，利用Video4 Linux API 函數(shù)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集， 使用MJPEG 壓縮算法完成視頻數(shù)據(jù)的壓縮。為完成視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送， 在Linux 下完成基于TCP / IP 協(xié)議的socket 編程。最后設(shè)計了嵌入式Web 服務(wù)器， 從而實現(xiàn)了基于瀏覽器/服務(wù)器模式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

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圖5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

本文將ZigBee數(shù)據(jù)采集和因特網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于起重機監(jiān)控系統(tǒng)中，采用三級式的安全監(jiān)控策略來滿足不同工作人員的差異需求。同時，本系統(tǒng)主要完成了以ZigBee數(shù)傳模塊為核心的起重機現(xiàn)場監(jiān)控器的設(shè)計、基于CC2530 的ZigBee無線模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以及以S3C2410 為硬件核心的基于嵌入式Linux 的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。使用該系統(tǒng)可及時發(fā)現(xiàn)起重機的故障， 提高工業(yè)生產(chǎn)效率、降低安全事故發(fā)生的可能性。該設(shè)計具有良好的設(shè)計性、廣闊的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于起重機監(jiān)控系統(tǒng)中。