基于无线传感器网络的塔式起重机监控系统

The research of tower crane monitoring system based on W SNW ANG Xun，ZHOU Yue，LI Hao-ming随着电子技术、无线传感器技术和网络技术的发展，塔式起重机监控已经从传统的有线监控发展到无线监控，监控范围从单参数监控发展为多参数在线监控 。有线监控无法实现数据的远距离传输，而现代的无线监控技术融合了无线传感器技术，使传输距离大幅度提升，从原来的几十米发展到了现在的全国甚至全世界范围；同时，由于无线传感器网络具有动态拓扑、自组织网络等特点，可以克服特殊地理和气候环境的障碍，且易于扩展，当移动或增减塔式起重机时只需通过简单设置即可实现无线连接，减少了安装组网的时间，具有传统有线监控系统无法比拟的灵活性。由此可见，基于无线传感器网的塔式起重机监控系统不但能使监控性能得到保证，降低设备故障发生的次数，而且提高了生产效率 。

1 基于无线传感器网络的塔式起重机监控系统塔式起重机无线监控系统是-种由多个具有计算处理、无线通信、传感或控制能力的节点构成的无线传感器网络，它具有信号采集、实时监测、信息传输、协同处理、信息服务等功能，可以通过网络实现对塔式起重机实时状态的监测与控制。塔式起重机无线监控系统结构如图l所示。

由图l可知，塔式起重机监控系统可分为4个部分，即数据采集系统、本地监控系统、无线网络78 建筑机械 2013.6(上半月传感器节 点阵歹(数据采集系统)图l 塔式起重机监控系统结构框图系统和远程监控系统。数据采集系统由传感器、数据记录装置和无线拈组成，通过分布于塔式起重机各个位置的传感器采集运行参数，再利用数据记录装置实现数据的A/D转换和存储 ，同时将数据通过无线网络系统传给本地监控系统。本地监控系统是将无线网络传输来的数据进行分析和比较，-方面判断监控对象是否发生故障，并及时发出处理指令；另-方面实时显示状态参数，以便操作人员进行管理。无线网络系统是由多个无线路由组成，利用无线通信技术实现数据采集系统 、本地及远程服[收稿日期 ]2013-)l-15[通讯地址 ]王勋，辽宁省沈阳市浑南新区沈阳建筑大学务器的数据高速可靠传输。远程监控系统是利用无线通信技术实现对多个区域的本地监控系统状态的通信，可以对整个区域或全国的塔式起重机状态信息进行统计监测，同时可以实时的发送控制信号，实现远程统-管理。

2 无线通信技术在塔式起重机中的研究现状与应用在塔式起重机无线监控系统中针对本地和远程监控系统，可以合理地选择适当的通信方式 ，即远距离无线通信和近距离无线通信。目前比较常用的远距离通信技术主要是GPRS技术、CDMA技术；常用的近距离无线通信技术主要有ZigBee技术、nRF技术、Bluetooth(蓝牙 )技术和WiFi(无线宽带 )技术，由于蓝牙技术和无线宽带技术需要较高的能耗，所以不适合于工程机械上应用。

(1)CDMA是码分多址的英文缩写 (CodeDivision Multiple Access)，是由中国电信运行的- 种基于码分技术和多址技术的新的无线通信系统，能让每-个传输频道使用所能提供的全部频谱传输技术。它具有利用率高、不易掉线、抗干扰强、功率低等特点，所以多用于军事、政府和电力等领域。目前国内很多高校和研究机构已经对基于CDMA技术的塔式起重机无线监控系统进行了深入研究并已投入应用。2008年文献 [3]提出了基于GPRS/CDMA的塔式起重机自动安全监控系统，该系统主要为提高塔式起重机的安全性和满足控制方面的需要而设计，并成功申请专利。2011年电信公司通过与浙江省住房和城乡建设厅合作推出了基于CDMA的塔式起重机安全监控管理平台，该监控系统在对塔式起重机实现现巢全监控的同时，通过远程高速无线数据传输，将塔式起重机运行工况的实际参数和报警信息通过CDMA实时发送到远程GIS可视化监控平台，并能在报警的同时自动发送手机短信告知相关人员，实现实时动态的远程监控和远程报警 ；系统还能记录至少16000个塔式起重机工作循环数据，在故障时可及时找出原因并处理。

(2)GPRS是由中国移动开发运营的-种基于GSM通信系统的包交换无线传输技术，是介于第二代和第三代之间的通信技术。由于它具有实时在线、按量计费、高速传输等优点，所以广泛应用于金融、交通、建筑和石油开采等领域。2012年，文献 [4]在塔式起重机远程安全监控管理系统设计中，针对目前塔式起重机群安全作业、远程监控等要求 ，提出了基于GPRS的远程监控系统。该监控终端系统使用高性能、低功耗的$3C2440 ARM9微处理器作为主控制器 ，GPRS拈采用广州致远ZWG-28A，支持TCP/IP和点对点 (PPP)等协议，GPRS可通过点对点协议获取动态分配的IP地址和端口号，当连接成功后，以数据传输协议TCP/IP方式实现与服务器之间的通信。北京恒美工控科技有限公司研发的塔式起重机安全监控管理系统HDJK系列可有效地预防和抑制事故的发生，并通过GPRS通信为质监部门提供详实的数据以供查询。

(3)ZigBee是基于IEEE802.15.4标准而建立的-种短距离、低功耗的无线通信技术。它具有芯片廉价、通信协议、低速率、短延时及响应快等特点，因此主要适用于家庭和楼宇控制、工业现场自动化控制、农业信息收集与控制、公共场所信息检测与控制、智能型标签等领域。201 1年，文献[5]提出了基于ZigBee技术的塔式起重机无线传感网络的设计，主要是在塔式起重机的状态监测预警系统中引入了ZigBee技术，其中 ZigBee无线通信拈采用TI公司高抗扰性的CC2530芯片，配合最新的Zstack2.2.2版本的协议栈，具有 自适应与自愈合的网络特性和安全与鉴权功能，使得更适合塔式起重机监控系统这种复杂的工作环境。设计通过模拟QTZ630塔式起重机的工作空间位置进行试验测试，结果表明在无大干扰源的环境中，系统能达到所需的数据传输要求。黑龙江共友科技发展有限公司研制的自主产权产品GBST-100是集远程和本地监控-体的塔式起重机安全系统 ，主机是由塔式起重机安全监控专用系统主板 (ARM1 1)和采集卡 (ARM7)组成 ，通过内置的GPRS拈和ZIGBEE拈分别实现远程和近程的实时通信。目前监控系统已在黑龙江省多地得到建设安全主管部门推广实施，并在数百个建筑工地成功安装和运行。

CONSTRUCTION MACHINERY 201 3.6 79专题论述I su州G(4)nRF是由挪威Nordic公司推出的-种短距离、自动CRC校验码、微功率的无线通信技术，它是基于射频技术的发展而产生的，工作于433/868，915MHz 3/i-ISM频道。它具有操作简单、低成本、体积孝功率孝传输速率快等特点，因此主要用于简单的工业控制、建筑和医疗等领域。

2008年 ，文献 [6]提出了基于MSP430和nRF905的塔机无线邑系统，在硬件方面该系统采用TI公司生产的16位低功耗MSP430微型控制器与无线收发芯片nFR905，软件方面将所有的控制逻辑处理集中在发射器中实现，接收器采用无记忆输出控制方式以及电气互锁等技术，提高了系统的可靠性和抗干扰能力，通过实验证明该系统的功能可以在实践中得到较好的应用。

3 面向塔式起重机监控系统中无线通信技术的选择综合分析塔式起重机无线监控系统中无线通信技术的研究现状与应用，针对远程和近程通信技术之间各 自的特点进行比较。对于远程无线通信技术的选择主要从以下几个方面进行考虑：(1)根据网络覆盖能力和抗干扰性选择。

GPRS是在GSM网络基础之上发展出来的比较成熟的无线通信技术，因此CDMA通信技术在网络覆盖能力和网络健全度上具有-定的优势；而相比于GPRS通信技术，CDMA通信技术在通信质量上具有更好的抗干扰性。

由于不同的通信技术对资费的需求不同，合理的选择适合的通信技术也是塔式起重机监控系统所需要注意的。CDMA与GPRS均需要付费通信，GPRS的优点是按流量计费，并采用数据分组交换技术，每个用户只有在有数据需要传送时才会动态地申请和占用无线资源。与GPRSN比，CDMA资费较高且资费形式单-，缺少吸引高端用户的业务。

传输速度决定着系统实时性的高低，CDMA的最高传输速度为153kb/s，而GPRS的最高传输速度只有1 15kb/s，经过测试，在正常业务传输时80 建筑机械 20l3，6(上半月刊CDMA的平均传输速率可以达N8o～100kb/s，而GPRS的平均传输速率仅为20～40kb/s。

对于近程无线通信技术的选择主要考虑如下 ：(1)根据功耗选择。

在建筑工程方面，近程无线通信系统主要是利用无源设备的可移动性和便携性来提高系统的灵活程度，功耗作为衡量系统寿命的重要指标，起着至关重要的作用。在近程无线通信技术中， nRF技术无复杂的协议栈 ，工作模式简单 ，所以比ZigBee技术具有更低的功耗。

功耗的大小对传输速度有直接的影响 ，即ZigBee的传输速度要大于nRF的传输速度，但是由于ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准，在发送同样的信息所占用的数据量相对较多，虽然通信速度较高，但通信效率相对较低。

在工程现场中，抗干扰性是决定系统可靠性高低的重要因素，基于IEEE802.15.4标准的ZigBee技术是基于较高的干扰容限来提高抗干扰性，而nRF技术则在传输的抗干扰性上相对较弱。

综上所述，根据塔式起重机监控系统所使用的环境、条件等方面因素，合理选择所需的无线通信技术，并落实到塔式起重机监控系统施工作业中，将能为建筑施工带来更多的便利。

4 结语本文介绍了基于无线传感器网络在塔式起重机监控系统中的组成及其研究与应用现状，进而分析了面向塔式起重机监控系统作业的远程和近程无线通信技术及其选择原则。目前随着网络技术的发展及普及，无线通信技术以其低成本、无线连接、扩展性强、灵活性强、使用方便等优势，在近几年得到了广泛的应用。3G技术作为当今热门的无线通信技术，因其具有较高的传输速率，使其在塔机监控系统中具有良好的应用前景，GPRS技术和CDMA技术均可以通过不同方式的升级实现向3G技术平滑的过渡，可大幅度提高塔式起重机监控系(下转第86页 )