基于wsn的施工升降機安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　基于WSN的施工升降機安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　摘要：針對當(dāng)前施工升降機安全事故頻發(fā)，且常發(fā)生群死、群傷的重大安全事故的安全管理弱的情況，設(shè)計一種施工升降機安全保護(hù)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在升降機內(nèi)部署檢測電機電流和升降機吊籠重量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)距離通信采用CPRS模塊。該系統(tǒng)不僅可以有效檢測升降機工作狀態(tài)并顯示報警，還可實現(xiàn)檢測位置的定

2、位、無線通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；電機電流；GPRS；遠(yuǎn)程監(jiān)控 </p><p>　　中圖分類號：X924.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　施工升降機，又稱外用電梯、施工電梯、附壁式升降機，是一種使用工作籠 (吊籠)垂直(或傾斜)運動

3、，用來運送人員和物料的機械。施工升降機主要由鋼結(jié)構(gòu)、傳動機構(gòu)、安全保護(hù)裝置和電氣控制系統(tǒng)等部分組成[1]。作為常見的施工設(shè)備，將人或物料在大范圍內(nèi)進(jìn)行垂直升降和搬運，是事故發(fā)生機率較大的建筑工程機械。雖然我國每年都耗費大量的人力物力來進(jìn)行監(jiān)督，但由于地點廣，情況復(fù)雜，檢測不夠全面等問題降低了人工監(jiān)督的有效性。因此如何全面高效的對施工升降機設(shè)備進(jìn)行安全管理、保障其安全運行是急需解決的難題。新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless senso

4、r network）為這方面的研究帶來了新的方法。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不依賴基礎(chǔ)設(shè)施，能多徑路由、自修復(fù)和自維護(hù)；具有分布式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在部分節(jié)點損壞時可通過重組繼續(xù)工作，擁有信息融合機制，能有效降低系統(tǒng)的誤報警概率[2]。為施工升降機的安全監(jiān)控提供了全新的研究思路和解決方案。本文研究施工升降機的安全保護(hù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控，完成了施工升降機相關(guān)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的傳輸和上位機系統(tǒng)。 </p><p&g

5、t;<b>　　1．系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計 </b></p><p>　　將施工現(xiàn)場劃分為一個或幾個監(jiān)控區(qū)域，每個區(qū)域的傳感器節(jié)點通過基于802.15.4協(xié)議的6oWPAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自組網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通過融合到sink節(jié)點，在通過長距離無線網(wǎng)絡(luò)GPRS的方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心[3]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 </p><p>　　圖1 施工升降機監(jiān)控架構(gòu) </p><

6、p>　　2.傳感器節(jié)點設(shè)計 </p><p>　　在整個系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點是傳感器的直接載體。它用于對升降機的電機電流，吊籠重量信號進(jìn)行A/D采樣、數(shù)據(jù)處理，并且能夠控制傳感器的狀態(tài)和上傳數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)集中器。同時監(jiān)控中心也可以通過傳感器節(jié)點控制升降機，實現(xiàn)雙向通信。電機控制模塊由具有光電隔離的固態(tài)繼電器構(gòu)成，固態(tài)繼電器控制交流接觸器以達(dá)到驅(qū)動升降機電機的目的。系統(tǒng)通過鍵盤模塊和數(shù)碼顯示模塊完成人機交換和輸入輸

7、出。根據(jù)要求，傳感器節(jié)點可以劃分為電源模塊、控制芯片模塊、重量信號采集模塊、射頻天線模塊、電流檢測模塊、電機控制模塊和顯示模塊等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 </p><p>　　圖2 節(jié)點系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　2.1 控制芯片模塊的選擇 </p><p>　　主芯片采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC13224芯片，其特點如下：擁有強大的無線前段2.4GHzIEE

8、E802.15.4標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器，支持網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)；其內(nèi)嵌32位ARM7TDMI-S微控制器內(nèi)核，128KB系統(tǒng)可編程閃存，兩個8通道12位ADC，64個通用I/O引腳。 </p><p><b>　　2.2 射頻接口 </b></p><p>　　MC13224內(nèi)部集成了2.4GHzIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器，具有出色的接受器靈敏度和抗干擾能力?？删幊梯敵?/p>

9、功率為+4dbm，總體無線連接10dbm。只需要極少量的外部元件就可以完成無線收發(fā)功能，如圖3所示為MC13224的射頻天線接口，為了方便開發(fā)，這里同時設(shè)計了PCB微帶天線和SMC接口的外置天線其中E1為PCB微帶天線，J2為外部天線接口。 </p><p>　　圖3 MC13224射頻天線接口 </p><p>　　2.3 電流檢測模塊 </p><p>　　調(diào)查

10、研究表明：損壞的電動機中有90％以上是由于電動機在異常情況下運轉(zhuǎn)造成的。其中堵轉(zhuǎn)、起動失敗(起動時間過長)、過載、短路、斷相、接地是最主要的原因。這些在運行中出現(xiàn)的異常情況會致電機電流增大，當(dāng)電流超越額定電流值后會引起定子繞組過熱，造成電動機損壞。施工升降機突然失去動力，針對這種情況利用電機電流檢測模塊，實時監(jiān)測電動機定子繞組電流。并根據(jù)電流的幅值、相位和波形對電機實施保護(hù)是一種既簡單又有效的保護(hù)方法[4]。 </p>&

11、lt;p>　　通過互感器將主線路中的電流信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號。羅氏線圈電流互感器二次的電流采樣信號標(biāo)稱值是1000M/100mV，經(jīng)過ICl2A跟隨器和ICl2B放大器進(jìn)入電位提升電路。因為三相電路中每相電流測量電路原理都一樣，在此只畫出A相電路做以說明，電路原理圖如圖4所示。Ia-in是羅氏線圈輸出信號。ICl2A跟隨器的作用是增大輸入阻抗，ICl2B是個典型的放大器，其放大倍數(shù)為R61/R60的比值。C20在電路中的作用是濾

12、掉電網(wǎng)中的高頻干擾信號。最后進(jìn)入電位提升電路里的信號能比較真實的反映一次側(cè)電路情況。Ia-out電流信號值與 Ia-in電流信號值一樣，對電動機起到雙重保護(hù)的作用。如果羅氏線圈輸出的電流信號值很大(如短路故障情況)，就不再需要放大器放大，直接進(jìn)入電位提升電路里，這樣可以擴大電流測量的范圍。經(jīng)過放大的模擬電壓信號再輸入到芯片自帶的A/D采樣后進(jìn)行算術(shù)運算(根據(jù)放大器的輸出信號來判斷過載、斷相、短路故障、接地故障)，算術(shù)運算的結(jié)果與整定值比

13、較后，根據(jù)預(yù)設(shè)定的保護(hù)特性確定保護(hù)器的輸出狀態(tài)，如果電機電流異常立刻啟動保護(hù)裝置防止升降機失去動力而墜落并輸出聲音、光信號 [5] 。 </p><p>　　圖4 電流測量電路原理 </p><p>　　2.4 重量采集模塊 </p><p>　　升降機在啟動制動時加速度發(fā)生變化，會產(chǎn)生動載荷誤報警。為避免因動載荷誤報警，當(dāng)升降機在靜止時即電機電流為零時，采集安裝在

14、升降機吊籠頂部銷軸式重量傳感器信號。重量信號采集原理圖如圖5所示。采用CD4052雙四路模擬開關(guān)來切換2路重量傳感器和自檢信號。然后經(jīng)過RC低通濾波器濾除電路中的高頻分量后，使用差分放大器AD620放大由重量傳感器產(chǎn)生的mV級信號。放大以后的信號再經(jīng)過二階有源低通濾波器后，進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換，單片機實時獲取A/D采樣數(shù)據(jù)，完成對吊籠載荷的實時監(jiān)控[6]。AD620是一款低成本、高精度、單芯片儀表放大器，采用經(jīng)典的三運放改進(jìn)設(shè)計。通過調(diào)整片

15、內(nèi)電阻的絕對值，用戶只需要一個電阻便可實現(xiàn)對增益的精確編程,非常適合于該系統(tǒng)中對重量傳感器信號的放大。 </p><p>　　圖5 重量測量電路原理圖 </p><p>　　2.5 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計 </p><p>　　開機后進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括主控 MCU自身初始化和顯示參數(shù)的初始化。當(dāng)運行狀態(tài)正常時，先檢測控制中心的信號，若控制中心允許電機工作，則獲取電流

16、信號。為防止動載荷誤報警，只有當(dāng)電機電流等于零時檢測升降機吊籠的重量，吊籠超載時啟動聲光報警和電機控制裝置并發(fā)送信號參數(shù)至監(jiān)控中心。若偏載則啟動聲光報警室并發(fā) </p><p><b>　　圖6 程序流程圖 </b></p><p>　　送信號參數(shù)至控制室。當(dāng)電流不為零時檢測電流的大小和方向，經(jīng)過計算處理判斷電機是否過流、短路過載等情況并輸出顯示電機電流。若電機故障則

17、起動電機控制模塊和聲光報警裝置并且向控制室發(fā)送當(dāng)前信息參數(shù)信息。流程圖如圖6所示。 </p><p>　　2.6 Sink節(jié)點硬件設(shè)計 </p><p>　　在整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)中Sink節(jié)點是處于傳感器節(jié)點的上層，它主要用于接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送給數(shù)據(jù)中心。同時也將監(jiān)控中心發(fā)來數(shù)據(jù)由GPRS中轉(zhuǎn)傳送到傳感器節(jié)點，實現(xiàn)對升降機的主動控制。系統(tǒng)框圖如圖7所示。系統(tǒng)的主

18、控芯片同樣選用MC13224芯片。GPRS模塊采用西門子公司生產(chǎn)的MC35 模塊。GPRS系統(tǒng)具備以下特點：可靠性高GPRS數(shù)據(jù)傳輸器采用面向連接的TCP/IP協(xié)議通信，避免了數(shù)據(jù)包的丟失，相比傳統(tǒng)的短信方式，數(shù)據(jù)更加可靠，并且數(shù)據(jù)中心可以與多個終端同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控范圍廣GPRS網(wǎng)絡(luò)在全國都已實現(xiàn)覆蓋，對終端的接入地點沒有限制，能滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)、村鎮(zhèn)、跨地區(qū)的接入的需求。非常適合大范圍的數(shù)據(jù)監(jiān)測?？蓪Ω鞅O(jiān)測點儀器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制：通

19、過GPRS雙向系統(tǒng)還可實現(xiàn)對儀器設(shè)備進(jìn)行反向控制，如時間校正，狀態(tài)報告、開關(guān)等功能，并可進(jìn)行系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線升級。。 </p><p>　　圖7：Sink節(jié)點系統(tǒng)框圖 </p><p>　　3.監(jiān)控中心管理軟件的設(shè)計 </p><p>　　監(jiān)控中心管理軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受和指令的發(fā)送。在該系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心對sink節(jié)點的控制主要通過短信的方式實現(xiàn)，而數(shù)據(jù)的接受則通過UDP

20、方式實現(xiàn)。數(shù)據(jù)中心對modem的操作主要通過串口的方式。UDP實現(xiàn)相關(guān)的API的操作主要步驟有建立撥號連接、開啟發(fā)送和winsockAPI、綁定IP和端口號、數(shù)據(jù)的接受。為了保證數(shù)據(jù)在sink節(jié)點和監(jiān)控中心傳輸?shù)姆忾]性和正確性需在二者間制定通信規(guī)約。 </p><p><b>　　4.結(jié)束語 </b></p><p>　　從施工升降機現(xiàn)存的實際問題出發(fā), 設(shè)計了一種施

21、工升降機安全保護(hù)與遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計采用了模塊化設(shè)計，使其具有很好的移植性和擴展性。并在實現(xiàn)現(xiàn)場搭建了一個監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實驗，初步實驗結(jié)果表明：采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的施工升降機安全監(jiān)控系統(tǒng)具有誤報警率低及抗干擾性強等特點。此外本系統(tǒng)具有良好的通用性和可靠性。該系統(tǒng)能有效的防止施工升降機安全事故的發(fā)生。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn): </b></p><p&g

22、t;　　[1] 劉云斐，劉明.施工升降機自動化的安全控制[J].品牌與標(biāo)準(zhǔn),2011(2):46-47 </p><p>　　[2] 劉美,方湃盛.基于WSN的便攜式硫化氫檢測儀設(shè)計[J].自動化儀表,2013,34(6)：89-91． </p><p>　　[3] 陳敏，王擎，李軍華．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與實踐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011，231-240. </p>

23、<p>　　[4] 林詩莊，蔡澤祥．大型電動機故障診斷與保護(hù)理論綜述[J]．廣東電力，2001(6)，9-12. </p><p>　　[5] 高藝．智能型電動機綜合保護(hù)器的研究[D].沈陽：沈陽大學(xué)，2004，28-32. </p><p>　　[6] 何清．施工升降機安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].湖南：湖南大學(xué)，2011，16-19. </p><p&