無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在塔式起重機監(jiān)控系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

　　本文介紹了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的塔式起重機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)在當前塔機監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀以及存在的問題，指出將ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用在塔機無線監(jiān)控系統(tǒng)中的優(yōu)勢，為塔機無線監(jiān)控指出發(fā)展趨勢和研究方向。

　　同一施工現(xiàn)場往往同時布置多臺近距離交叉作業(yè)的塔機，塔機與塔機之間、塔機與建筑物之間互相碰撞的事故時有發(fā)生。同時，由于塔機結(jié)構(gòu)的特殊性，重心高、臂架長，啟動和制動頻繁，是一種極易發(fā)生事故的設(shè)備，國內(nèi)外每年都會發(fā)生塔倒人亡的重大安全事故[1]。塔機事故主要是使用和維護方面的原因引發(fā)的，約占70%，主要是安全管理不嚴格，違章或錯誤操作，安全裝置失效，不合理的維修保養(yǎng)等，此種事故的隨機性大、種類多、情況復(fù)雜，較難控制[2]。完善安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)塔機關(guān)鍵部件的故障，防止重大事故的發(fā)生，提高塔機的工作效率和安全性能。

　　傳統(tǒng)的塔機監(jiān)控系統(tǒng)采用有線通信方式，傳感器與塔機控制臺、塔機控制臺與施工現(xiàn)場控制中心采用有線連接，施工周期長、連接困難，一旦塔機移動或增減塔機，需花費較多時間和費用進行網(wǎng)絡(luò)改造，無法滿足復(fù)雜環(huán)境下實時性、可靠性的通信要求。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)拓撲、自組織網(wǎng)絡(luò)、多路由等特點，可以克服特殊地理和氣候環(huán)境的障礙，且易于擴展，具有傳統(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)無法比擬的靈活性。基于以上優(yōu)點，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到塔機群監(jiān)控系統(tǒng)中，具有良好的應(yīng)用前景。

　　1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的塔機監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　塔機無線監(jiān)控系統(tǒng)主要組成部分如圖1所示。為管理大量無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，需創(chuàng)建一個樹形結(jié)構(gòu)，將來自終端節(jié)點、路由節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的信息回傳到中央控制點。借助個人局域網(wǎng)(PAN)協(xié)調(diào)器，用戶可通過中央控制點對系統(tǒng)實施監(jiān)測和控制。首先網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為個人局域網(wǎng)協(xié)調(diào)器建立一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)，然后由多個路由器加入這個無線傳感網(wǎng)絡(luò);其次放置在塔機關(guān)鍵部位、專門獲取塔機工作過程中故障信息的多個傳感器終端節(jié)點，通過路由器或作為網(wǎng)關(guān)的子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。傳感器終端節(jié)點采集各個塔機的工作參數(shù)，通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，將處理后的數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送給無線模塊，同時也可以由無線模塊接收主控系統(tǒng)發(fā)送的控制信號，進行設(shè)備監(jiān)控。加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點通過父節(jié)點的路由器或者直接把預(yù)警系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過USB等傳送給上位機。

　　2 無線通信技術(shù)在塔機監(jiān)控系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

　　無線通信技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)路的關(guān)鍵技術(shù)，在塔機監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，其中Zig-Bee技術(shù)和GPRS技術(shù)是塔機無線監(jiān)控系統(tǒng)的研究重點。

　　2.1 ZigBee技術(shù)

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。主要用于傳輸距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。國內(nèi)ZigBee技術(shù)的研究起步比較晚，隨著無線通信技術(shù)大趨勢的發(fā)展，很多高校和研究機構(gòu)已經(jīng)開始無線通信技術(shù)在塔機監(jiān)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。文獻[4]將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到單個塔機的監(jiān)控系統(tǒng)中，用于傳輸布置于塔機上的超聲傳感器節(jié)點信息的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，ZigBee無線通信模

　　塊硬件使用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，在軟件方面對TI公司最新的Z-Stack-CC2530-2.2.2版本的協(xié)議棧進行二次開發(fā)。實驗樣本為QTZ630系列塔機，根據(jù)塔機的真實高度在地面上水平布置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點獲取數(shù)據(jù)。結(jié)果表明在沒有大干擾源的室外工況，100～200m范圍內(nèi)數(shù)據(jù)能準確達到，信號傳輸距離滿足塔機預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。而且CC2530與Z-Stack協(xié)議棧的結(jié)合，給節(jié)點提供了更加智能化的工作模式，自適應(yīng)與自愈合的網(wǎng)絡(luò)特性和安全與鑒權(quán)功能更加適合塔機的工作環(huán)境和塔機預(yù)警系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的各項要求。文獻[5]對基于ZigBee技術(shù)的塔機群控無線通信系統(tǒng)進行研究，從塔機無線通信模塊的實際工作參數(shù)要求入手，通過通信性能測試，獲得在模擬建筑物干擾環(huán)境下的遠距離通信速率為37236.36b/s，大于塔機群通信速率要求的16000b/s，置信度95%下誤碼率為零。選用中國建筑科學院研發(fā)的TSCMS系列塔機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)進行無線通信實驗，當發(fā)送周期為15ms時出現(xiàn)丟包，仍可以滿足塔機群無線通信周期小于等于25ms的要求。完成監(jiān)控系統(tǒng)與ZigBee模塊接口通信，證明ZigBee模塊完全能夠滿足塔機無線通信的需求。

　　2.2 GPRS技術(shù)

　　GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)的簡稱，它以封包式傳輸，因此使用者所負擔的費用按其傳輸資料單位計算，并非使用整個頻道，理論上較為便宜。GPRS通信充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、大容量傳輸，高速數(shù)據(jù)傳輸最大可達160Kbps。借助GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet無縫連接，通過塔機工作現(xiàn)場的GPRS模塊可將采集的參數(shù)信息傳輸?shù)竭h端置于Internet上的監(jiān)控端，只要是GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，都在可監(jiān)控的范圍之內(nèi)。塔機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)由GPRS無線通信模塊發(fā)送到GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)上，GPRS網(wǎng)絡(luò)根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議在智能終端和接入Internet的監(jiān)控中心之間建立一條支持TCP /IP協(xié)議的數(shù)據(jù)通道，監(jiān)控中心把通過這條通道傳送來的塔機位置數(shù)據(jù)和工作參數(shù)信息存儲到數(shù)據(jù)庫中，后臺服務(wù)軟件讀取并顯示這些數(shù)據(jù)，實時監(jiān)視塔機的工作情況。

　　目前國內(nèi)很多高校和研究機構(gòu)已經(jīng)對基于GPRS技術(shù)的塔機無線監(jiān)控系統(tǒng)進行了深入的研究并已投入應(yīng)用。文獻[6]采用了通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)無線通訊方式，結(jié)合動態(tài)服務(wù)器主頁(ASP)開發(fā)技術(shù)，設(shè)計了一種基于Web和GPRS的塔機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以通過瀏覽器訪問數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行實時的監(jiān)控和分析。濟南微控科技發(fā)展有限公司研發(fā)的塔機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)系統(tǒng)-GPRS遠程監(jiān)控可廣泛應(yīng)用于各類起重機，實現(xiàn)對其工作狀況的實時安全保護監(jiān)測和數(shù)據(jù)的GPRS傳輸。

　　3 塔機無線監(jiān)控系統(tǒng)所面臨的問題及解決方案

　　3.1 面臨的問題

　　(1)ZigBee網(wǎng)絡(luò)考慮了網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量變化，所以每個節(jié)點相隔一段時間都需要通過無線信號交流的方式重新組網(wǎng)，且每一次將信息從一個節(jié)點發(fā)送到另一個節(jié)點時，需要掃描各種可能的路徑，而這些需要占用大量的帶寬，并增加數(shù)據(jù)傳輸時延。隨著施工現(xiàn)場塔機數(shù)量的增多，需要的節(jié)點數(shù)目也隨之增加，可用速率將大大降低，數(shù)據(jù)傳輸時延也將大大增加，會對塔機監(jiān)控系統(tǒng)的實時性產(chǎn)生影響。

　　(2)ZigBee技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間信息的互傳，理論上每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展，但是將一個信息從一個節(jié)點傳輸?shù)竭h處的另一個節(jié)點，需要較多的節(jié)點進行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，這會造成ZigBee網(wǎng)絡(luò)占用帶寬和傳輸時延的增加。雖可用放大器來增加ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的傳輸距離，但這必然會增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功耗和成本，失去了ZigBee低成本、低功耗的優(yōu)勢。

　　(3)GPRS受GSM網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量的影響，在傳輸數(shù)據(jù)的過程中存在一定的延時。若采用這種方式同時進行多個點的數(shù)據(jù)采集，各個采集點接受采集命令的時間有誤差，因此無法完成多個采集點的數(shù)據(jù)同步采集[7]。

　　3.2 解決方案

　　在塔機無線監(jiān)控系統(tǒng)中加入GPRS模塊，可解決遠程數(shù)據(jù)傳輸問題，同時大大減少ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量，不會影響ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延，解決了上述前(2)個問題。采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便，其網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量基本不受外界影響，當其向各個ZigBee終端發(fā)送采集命令時，各個終端能同時收到采集命令，從而實現(xiàn)多點的同步數(shù)據(jù)采集[8]，解決第(3)個問題。綜上，將GPRS技術(shù)和ZigBee技術(shù)相結(jié)合，進行塔機遠程無線監(jiān)控，既能實現(xiàn)遠程無線數(shù)據(jù)傳輸，又可解決多點的同步數(shù)據(jù)采集問題，而且通過GPRS模塊實時將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)，也可以將報警信號發(fā)送至手機終端上。

　　4 結(jié)語

　　本文分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在塔機上的應(yīng)用，結(jié)合了ZigBee和GPRS技術(shù)的特點，分析了目前塔機監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。得出結(jié)論：基于ZigBee技術(shù)的塔機監(jiān)控系統(tǒng)適用于單臺塔機和小范圍塔機群的無線監(jiān)控;而將GPRS技術(shù)和ZigBee技術(shù)相結(jié)合便可以滿足在不同區(qū)域大范圍內(nèi)的塔機在計算機的統(tǒng)一管理下，對諸多參數(shù)實施同步監(jiān)測、協(xié)調(diào)處理和綜合判斷。由此可見，采用GPRS和ZigBee技術(shù)共用的方案設(shè)計塔機監(jiān)控系統(tǒng)，具有良好的推廣價值和廣闊的應(yīng)用前景。隨著3C網(wǎng)絡(luò)的普及3G網(wǎng)絡(luò)費用的降低，可以嘗試把本系統(tǒng)中的GPRS模塊換成3G模塊，以加快網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度，提高系統(tǒng)實時性。

　　[參考文獻]

　　[1] 賈永峰. 塔機多源信息監(jiān)控系統(tǒng)研究[D]. 陜西：西安建筑科技大學，2005.

　　[2] 黃洪鐘，姚新勝. 塔機安全性研究與展望[J]. 安全與環(huán)境學報，2001(3)：1-6.

　　[3] Shahin Farahani.ZigBee Wireless Networks and Transceivers[Z]. Elsevier Inc.，2008.

　　[4] 杜孟超，谷立臣.基于ZigBee技術(shù)的塔機無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J]. 自動化與儀表，2011(7)：34-37.

　　[5] 鄭夕健，宋爭艷，謝正義，等. 基于ZigBee的塔機群控無線通信系統(tǒng)實驗研究[J]. 機械工程與自動化，2010，10(5)：1-3.

　　[6] 傅玲燕，姜偉，周見行. 基于Web和GPRS技術(shù)的塔機遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 機械工程，2011，7(28)：843-845.

　　[7] 孫利民，梁江濤，魏然. 基于GPRS與ZigBee的遠程分散多點監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 鄭州大學學報(工學版)，2012(33)：24-27.

　　[8] 孫彩云，李世中，李麗麗，等. 基于ZigBee技術(shù)的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 水電能源科學，2010，11(28)：125-127.