0 引言

起重機(jī)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(jī)械的過度使用及磨損容易造成安全事故，所以有必要對(duì)起重機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。技術(shù)人員可通過BrSWP%、SWP%、起重機(jī)運(yùn)行時(shí)間等特定參數(shù)來獲知起重機(jī)主要部件的老化及磨損程度。

   傳統(tǒng)的起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)僅能監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)起重機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)、高速運(yùn)行時(shí)間等數(shù)據(jù)。同時(shí)，現(xiàn)階段的起重機(jī)安全監(jiān)控器多數(shù)安裝在起重機(jī)附近，不便查看且有一定的危險(xiǎn)性。若采用有線連接的方式將起重機(jī)運(yùn)行參數(shù)傳送到監(jiān)控室，則現(xiàn)場(chǎng)的布線、電磁場(chǎng)對(duì)弱點(diǎn)信號(hào)干擾等問題將會(huì)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(jī)，同時(shí)結(jié)合因特網(wǎng)可將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送到世界各地本文設(shè)計(jì)一個(gè)起重機(jī)三級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控級(jí)、局域監(jiān)控級(jí)和遠(yuǎn)程監(jiān)控級(jí)，從而滿足了不同工作人員對(duì)起重機(jī)數(shù)據(jù)的監(jiān)控需求。

1 三級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)介紹

本文提出的三級(jí)式的起重機(jī)監(jiān)控策略，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它主要由現(xiàn)場(chǎng)級(jí)監(jiān)控層、局域級(jí)監(jiān)控層、遠(yuǎn)程級(jí)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(jī)三級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)

   （1）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控級(jí)：即通過工作現(xiàn)場(chǎng)的起重機(jī)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(jī)的運(yùn)行參數(shù)， 如當(dāng)前負(fù)載、SWP%等值，從而實(shí)時(shí)掌握起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

   （2）局域監(jiān)控級(jí)：通過ZigBee 終端模塊采集起重機(jī)運(yùn)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(jī)相連。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到幾百米外的局域監(jiān)測(cè)站以便技術(shù)人員查看，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。

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

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控級(jí)設(shè)計(jì)

起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控器功能主要包括負(fù)載噸位顯示、故障信息報(bào)警和運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄等。起重機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件采用MC9S12DG128 作為核心處理芯片， 整個(gè)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(jī)監(jiān)控器硬件框圖

2.1 起重機(jī)監(jiān)控器硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12DG128 單片機(jī)，它擁有8 KB ROM、128 KB Flash 、2 KB EEPROM 、91 個(gè)I / O 端口、2 個(gè)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(jì)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(jī)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(duì)三相電進(jìn)行檢測(cè)之前，將三相電調(diào)理為直流偏置的正弦弱電信號(hào)，再對(duì)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(hào)輸入電路

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

2.1.5 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

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

2.1.6 D/A 輸出電路

采用的單片機(jī)內(nèi)部集成D/A 模塊， 并采用LM2904將單片機(jī)輸出的0~5 V 模擬信號(hào)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(hào)。

2.2 起重機(jī)監(jiān)控器軟件設(shè)計(jì)

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(cè)以及起重機(jī)動(dòng)作請(qǐng)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(cuò)誤故障，在三相電接入無誤的情況下，等待動(dòng)作請(qǐng)求信號(hào)。系統(tǒng)一旦接收到動(dòng)作請(qǐng)求信號(hào)， 即對(duì)動(dòng)作請(qǐng)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(shí)鐘初始化、配置I/O 接口、串口初始化、A/D 初始化和定時(shí)器初始化等。

2.2.2 三相電缺相和相序檢測(cè)算法

通過A/D 端口采集單相電壓，在定時(shí)器提供的一個(gè)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(cè)周期結(jié)束后計(jì)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(gè)端子，并規(guī)定圖的相序?yàn)檎_相序。尋找接入a 端子一相的電壓峰值，找到后啟用計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。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(shí)間為tb、tc 。

若tb>tc，則表明相序錯(cuò)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(cè)原理

2.2.3 監(jiān)控器串口通信程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的MC9S12DG128 微控制器置有兩個(gè)具備全雙工通信、波特率可編程設(shè)置、8 個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)清除。

3 局域監(jiān)控級(jí)設(shè)計(jì)

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

3.1 ZigBee 無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)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(jī)， 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(jì)采用三類ZigBee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)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(diǎn)與監(jiān)控器、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的串口數(shù)據(jù)收發(fā)，以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間的無線通信。

   該系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)多臺(tái)起重機(jī)進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集檢測(cè)，所有ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)都將匯集到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)除了有監(jiān)測(cè)的功能，也具有遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)延時(shí)時(shí)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(diǎn)， 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(jì)算公式為：

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其中，Pr 是接收機(jī)的功率，Pt 是發(fā)射機(jī)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(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方差，d 是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)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(duì)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(jì)算

從公式分析以及實(shí)際計(jì)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(diǎn)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(duì)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的工業(yè)要求。

3.3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

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(diǎn)采集起重機(jī)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(jī)。上位機(jī)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行十六位制顯示，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

   為了便于與監(jiān)控室上位機(jī)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(gè)字節(jié)AA。數(shù)據(jù)頭后的第一個(gè)字節(jié)為起重機(jī)編號(hào)判斷位，表示該數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的起重機(jī)編號(hào)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括22 組，每組表示不同的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)標(biāo)號(hào)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(diǎn)匯集了所有ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)采集的起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，再通過串口發(fā)送給監(jiān)控室計(jì)算機(jī)。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(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控界面如圖4 所示。

圖4 上位機(jī)顯示界面

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控級(jí)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控級(jí)的設(shè)計(jì)可以讓全國各地工作人員能夠遠(yuǎn)程訪問監(jiān)控界面， 實(shí)時(shí)了解異地起重機(jī)的運(yùn)行情況。

   同時(shí)，通過現(xiàn)場(chǎng)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(jī)工作的實(shí)時(shí)畫面。

4.1 LabVIEW Web 服務(wù)器設(shè)計(jì)

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(xiàng)”中選擇所需的VI 文件；啟動(dòng)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(jì)算機(jī)Web 瀏覽器中輸入U(xiǎn)RL，例如http ：//127.0.0.1 ：8000/remote.html ， 測(cè)試所用的發(fā)布網(wǎng)頁計(jì)算機(jī)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(jì)

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

本設(shè)計(jì)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(kuò)展。本設(shè)計(jì)中使用Cirrus 公司生產(chǎn)的應(yīng)用于嵌入式設(shè)備、價(jià)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(jì)

針對(duì)硬件S3C6410 對(duì)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(jì)對(duì)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(jiǎn)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(dòng)程序的開發(fā)。

下面進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，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(jì)了嵌入式Web 服務(wù)器， 從而實(shí)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，采用三級(jí)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(shí)，本系統(tǒng)主要完成了以ZigBee數(shù)傳模塊為核心的起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控器的設(shè)計(jì)、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(jì)。使用該系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)起重機(jī)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(jì)具有良好的設(shè)計(jì)性、廣闊的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。