基于ZigBee的塔式起重机无线监测系统设计

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-塔式起重机 (以下简称塔机)是高空作业的特种设备，起升高度大，覆盖面积广，-旦发生事故就可能造成设备损毁和人员伤亡的重大损失。

传统塔机上仅配置了高度限位器、回转限位器、力矩限制器、起重量限制器等安全保护装置，其原理是当被检测参数超过某限制值时断电报警，缺点是监测数据单-，不能实时显示，长期使用后装置的可靠性降低。因此，对塔机的各项重要参数进行数据采集和实时监测十分必要。

由于建筑工地施工现撤境复杂，塔机作业过程中处于运动状态，增加了传感器与监测终端连接布线的难度。此外，机电设备运行会产生电磁噪声，对有线信号的传输产生干扰，影响系统的监控质量及进程。

研究塔机无线监测系统可以提高我国塔机的安全监测及故障诊断技术水平，对提高我国塔机及相关工程机械的生产效率、优化资源配置具有重要意 义。

1 系统整体概述该系统的设计思路是在塔机上安装各种传感- 18 - 器实时采集运行中的参数，将数据无线传输至施工现赤测端进行处理，由计算机统-管理，实时显示塔机的运行状态信息，并可预报警和数据备份。该塔机 ZigBee无线监测系统结构见图1。

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，建立-个主节点，多个从节点的无线传感 网络，实现数据的无线传输。ZigBee作为-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 。

《起重运输机械》 2013 (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，故需要各种传感器协 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，便于掌握塔机在某时间段的运行情况和故障信息，有效地消除潜在的安全隐患。

2 系统硬件设计2.1 主节点硬件设计选择 CC2430作为主节点的处理器，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 - 个 8051MCU 内 核 且 符 合IEEE802.15.4规范的2.4 GHz的无线收发器。芯片内有8 kB的RAM，可选32/64/128 kB的Flash存储单元，包含模拟数字转换器、定时器、看门狗定时器、AES128协处理器等，还提供2个 UART接口及21个可编程 I/O引脚。该芯片具有高度集成性和丰富的硬件资源，可简化外围电路的设计。

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(128 kB Flash)芯片，并在 CC2430典型应用电路的基础上扩展串行通信接口，选用 MAX3232芯片实现 TTL与 RS232电平转换。ZigBee主节点的硬件电路如图2所示。

图2 ZigBee主节点电路《起重运输机械》 2013 (1)2.2 从节点硬件设计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(32 kB 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。

由于塔机各传感器采集的参数信息各不相同，传感器输出的信号可为电流、电压等模拟信号或二进制码的数字信号，故与从节点相连的接 口也不相同。该系统需要采集的塔机参数包括起重量、起升高度、小车幅度、回转角度等，起重力矩信息可由起重量和小车幅度计算得出 J。

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。

检测小车变幅和起升高度这 2个物理量的传感器均为旋转编码器，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。

3 系统软件设计3.1 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。

该系统采用 TI提供的协议栈 Z-stack，在 IEEE802.15.4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-种较好的无线传感网络组建方案3]。

ZigBee设备类型按网络功能分为协调器、路由器、终端等 3种。由于该系统采用星型网络拓扑结构，所以只存在协调器和终端2种设备。

该系统中主节点被初始化为网络协调器。协调器包含所有的网络消息，存储容量最大、计算能力最强，具有发送网络信标、建立网络、管理网络节- 19 - 点、存储网络节点信息及无线收发数据等功能。

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〃立连接成功后，从节点将得到-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。各个从节点可按设定时间间隔读取 I/O接口上传感器采集的数值，同时开启睡眠定时器，当数据发送成功后该节点立即进入睡眠状态，最大程度地降低功耗，延长从节点的电池使用时间。

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3所示。

图 3 主从节点组网通信流程图3.2 上位机数据处理及监测该系统采用 LabVIEW 软件开发环境搭建上位机平台。LabVIEW 是-个面向终端用户 的工具，既能增强用户共建工程系统的能力，又提供了实现仪器编程和数据采集的便捷途径。它采用图形化编程语言 G语言，可编写 由交互式用户接 口、数据流程框图和图表连接端口组成的程序 VI J。

上位 PC机数据处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 Zig-Bee主节点的处理标定后，每个传感器采集的数据- 20 - 被依次传送至上位 Pc机的串 口，通过 Waveformchart控件，可实时地将各时刻的历史数据描成曲线，同时显示当前接收的参数数值。方便监控人员掌握各参数在某时间段内的变化状况，为El后的塔机监管部门在鉴定塔机安全事故相关责任时提供有力证据。

除了对数据进行原值显示，程序还对应各参数的额定值计算了当前数据相当额定阈值的百分比，可更直观地查看塔机工作在安全状态还是接近满负荷临界状态。同时，还设置了报警功能，当参数数据超过额定阈值时，触发蜂鸣报警。

4 结束语本文结合传感器技术、无线通信技术以及计算机技术，设计了基于 ZigBee无线传感器网络和LabVIEW技术的塔机无线安全监测系统，有效地解决了有线式系统的线路易老化、维护困难的缺点，实现了塔机和监控室的无线通信，避免了传感器采集的数据信号在传输导线上的衰减。ZigBee各节点均由电池供电，独立的拈便于拆卸，可以节约大量的系统安装时间。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。该系统为塔机的安全监测和信息管理提出了新的解决方案。

随着科技的高速发展，无线传感器网络在塔机监控领域的应用会越来越普遍 ，它与 3G、物联网等远距离无线通信技术相结合，还能够实现对群塔作业及防撞的远程监控，使监管部门对塔机使用状态的监控成为可能，对提高特种设备作业的安全性有很大的推动作用。