0 引言

起重機是一種在一定范圍內垂直升降重物的特殊工業設備，但是機械的過度使用及磨損容易造成安全事故，所以有必要對起重機的運行參數進行實時監控。技術人員可通過BrSWP%、SWP%、起重機運行時間等特定參數來獲知起重機主要部件的老化及磨損程度。

   傳統的起重機安全監控系統僅能監測負載重量，為滿足現今工業發展的要求，需要監控系統能實時監測起重機的啟動次數、高速運行時間等數據。同時，現階段的起重機安全監控器多數安裝在起重機附近，不便查看且有一定的危險性。若采用有線連接的方式將起重機運行參數傳送到監控室，則現場的布線、電磁場對弱點信號干擾等問題將會給這一方案帶來很大難度。ZigBee模塊傳感器網絡的興起給工業控制領域帶來了新的契機，同時結合因特網可將監控數據傳送到世界各地本文設計一個起重機三級監控系統，包括現場監控級、局域監控級和遠程監控級，從而滿足了不同工作人員對起重機數據的監控需求。

1 三級監控系統介紹

本文提出的三級式的起重機監控策略，其結構如圖1 所示。它主要由現場級監控層、局域級監控層、遠程級監控層三部分構成，從而滿足了不同用戶的需求。

圖1 起重機三級監控系統

   （1）現場監控級：即通過工作現場的起重機智能監控器來查看數據。工作人員通過與智能監控器連接的LCD 顯示屏來觀察起重機的運行參數， 如當前負載、SWP%等值，從而實時掌握起重機的運行狀態。

   （2）局域監控級：通過ZigBee 終端模塊采集起重機運行數據，然后將數據傳送到協調器模塊，協調器模塊與上位機相連。無線傳感器網絡能將監測數據傳送到幾百米外的局域監測站以便技術人員查看，滿足工業現場的實際需求。

   （3）遠程監控級：工作人員可通過因特網遠程查看全國各城市起重機的工作情況， 并及時發現故障信息，從而給各城市起重機使用商提供技術指導，幫助他們及時發現問題，保障現場工作的安全。

2 現場監控級設計

起重機現場監控器功能主要包括負載噸位顯示、故障信息報警和運行數據記錄等。起重機智能監控系統硬件采用MC9S12DG128 作為核心處理芯片， 整個系統由監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 起重機監控器硬件框圖

2.1 起重機監控器硬件結構

2.1.1 最小系統設計

本設計采用飛思卡爾公司生產的MC9S12DG128 單片機，它擁有8 KB ROM、128 KB Flash 、2 KB EEPROM 、91 個I / O 端口、2 個CAN 總線接口和10 位A / D 轉換器。硬件配置既滿足了設計需求， 又節約了開發成本。

2.1.2 監控器電源電路

起重機監控器開關電源將48 V 交流電轉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。系統采用EC28 型6×2 腳骨架變壓器進行交流電壓轉換，然后經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化為穩定的直流電壓。

2.1.3 三相電輸入調理電路

在對三相電進行檢測之前，將三相電調理為直流偏置的正弦弱電信號，再對其進行A/D 采樣。三相電調理電路包括分壓電路、直流基準電壓源以及低通濾波電路。

2.1.4 傳感器信號輸入電路

電流互感器采集電機轉子側電流的電壓信息并傳送到單片機。重力傳感器經信號放大器將起重機負載值的電壓信息輸入到單片機，其中信號放大器使用KAE400 。輸入信號電壓范圍是0~10 V。

2.1.5 繼電器驅動電路

起重機的升降允許動作、加速允許動作主要通過繼電器的吸合來控制。單片機I/O 口提供的電流并不足以驅動繼電器的吸合， 所以本設計選用三極管MMBT5551作為其驅動元件。

2.1.6 D/A 輸出電路

采用的單片機內部集成D/A 模塊， 并采用LM2904將單片機輸出的0~5 V 模擬信號轉換為顯示終端LCD顯示屏輸入所需的0~10 V 的模擬信號。

2.2 起重機監控器軟件設計

主控制板的主程序主要包括系統初始化、三相電缺相和相序檢測以及起重機動作請求等。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誤故障，在三相電接入無誤的情況下，等待動作請求信號。系統一旦接收到動作請求信號， 即對動作請求進行處理，并將處理結果發送至手持式終端進行顯示。

2.2.1 系統初始化

系統初始化的主要功能包括系統總線時鐘初始化、配置I/O 接口、串口初始化、A/D 初始化和定時器初始化等。

2.2.2 三相電缺相和相序檢測算法

通過A/D 端口采集單相電壓，在定時器提供的一個單相周期0.02 s 內持續更新該相峰值電壓MAX 和最小電壓MIN。檢測周期結束后計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 三個端子，并規定圖的相序為正確相序。尋找接入a 端子一相的電壓峰值，找到后啟用計時器計時。接著，尋找接入到b 端子和c 端子的相電壓峰值，并記錄找到時間為tb、tc 。

若tb>tc，則表明相序錯誤，否則相序正常，如圖3 所示。

image

圖3 三相電相序檢測原理

2.2.3 監控器串口通信程序設計

本設計采用的MC9S12DG128 微控制器置有兩個具備全雙工通信、波特率可編程設置、8 個驅動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據，在讀取SCI 狀態寄存器和SCI 數據寄存器后，接收器滿標志自動清除。

3 局域監控級設計

無線傳感器網絡是由大量靜止或者移動的ZigBee無線模塊傳感器節點以自組織、多跳的方式組成的網絡，這些節點協作地感知、采集、處理以及傳輸感知對象的監測信息，并將監測數據發給用戶。

3.1 ZigBee 無線傳輸系統設計

本設計使用的ZigBee模塊選用射頻芯片CC2530 ，其內部有2.4 GHz 的RF無線電收發機， 適應2.4 GHzIEEE802.15.4 的RF 收發器、微控制器和內存。

   本設計采用三類ZigBee 網絡設備：終端節點、路由器節點和協調器節點。協調器節點負責建立無線傳感器網絡，路由器節點和終端節點申請加入網絡。應用層程序實現的功能主要包括終端節點與監控器、協調器節點與上位機的串口數據收發，以及協調器節點、路由器節點和終端節點之間的無線通信。

   該系統可同時對多臺起重機進行ZigBee數據采集檢測，所有ZigBee數據采集終端節點的起重機運行數據都將匯集到協調器節點。上位機除了有監測的功能，也具有遠程控制現場監控器的功能，可遠程更新一些設置量，如超載百分比、啟動延時時間以及SWP%設置等。

3.2 延長無線傳感器網絡的傳輸距離

IEEE 組織根據802.15.4a 信道的特點， 構建了基于802.15.4a 信道、適用于UWB （2~10 GHz）、100~1000 MHz的信道傳輸損耗模型，其損耗計算公式為：

image

其中，Pr 是接收機的功率，Pt 是發射機的發射功率，Aant是天線衰減因子，Gt 是發射天線的增益，Gr 是接收天線的增益，PL0 是參考距離下的損耗大小，S 是損耗計算的標準方差，d 是發射機與接收機的距離，d0 是參數距離，n 是距離損耗為考慮頻率影響修正系數，fc 是參考中心頻率。

對上式進行推導，得出最大距離方程為：

image

下面通過設置不同的影響因素來得到各組數據，從而得出影響傳輸距離的主要因素，結果如表1 所示。

image

表1 無線傳感器網絡的傳輸距離計算

從公式分析以及實際計算可以得出結論，延長ZigBee 傳輸距離的方法包括增加ZigBee數傳模塊節點的收發天線增益、提高天線的架設高度、縮短發射端的饋線長度、避免干擾較大的工作環境。其中，工作環境是否空曠對ZigBee數傳模塊傳輸距離影響最大。

   在該系統中，無線傳感器網絡可將數據傳送到200 m外的局域監控站，這一距離滿足起重機監控系統的工業要求。

3.3 上位機界面設計

3.3.1 串口收發數據格式

ZigBee數據采集終端節點采集起重機監控系統中的數據， 再通過ZigBee無線模塊傳感器網絡將數據發送到上位機。上位機將收到的數據進行十六位制顯示，并對數據進行解析。

   為了便于與監控室上位機進行數據交互并防止數據在傳輸過程中丟失，規定數據頭為55 ，數據尾為兩個字節AA。數據頭后的第一個字節為起重機編號判斷位，表示該數據監測的起重機編號。監測數據包括22 組，每組表示不同的數據，監測項標號為1 B，從00~21 ；其后為4 B 的數據位，高位在前，低位在后。

3.3.2 數據解析與顯示

協調器節點匯集了所有ZigBee數據采集終端節點采集的起重機運行數據，再通過串口發送給監控室計算機。本系統采用美國國家儀器公司研發的LabVIEW 軟件進行監控界面的編寫， 監控室軟件的主要功能包括串口數據收發、數據解析與顯示以及互聯網遠程訪問。起重機現場監控界面如圖4 所示。

圖4 上位機顯示界面

4 遠程監控級設計

遠程監控級的設計可以讓全國各地工作人員能夠遠程訪問監控界面， 實時了解異地起重機的運行情況。

   同時，通過現場攝像頭采集到的視頻圖像，工作人員還可以遠程看到起重機工作的實時畫面。

4.1 LabVIEW Web 服務器設計

使用LabVIEW 的Web 服務器可以在互聯網上發布LabVIEW 程序前面板圖像供用戶遠程查看。

4.1.1 創建HTML

文件創建HTML 文件的方法是：選擇“工具”->“Web 發布工具” ，在“選擇VI 和查看選項”中選擇所需的VI 文件；啟動Web 服務器，接著在“選擇HTML 輸出”中寫入文檔標題；最后，進入“保存新網頁”界面，寫入文件名和URL。

4.1.2 瀏覽HTML 文件

在遠程計算機Web 瀏覽器中輸入URL，例如http ：//127.0.0.1 ：8000/remote.html ， 測試所用的發布網頁計算機的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 的遠程視頻監控系統的設計

4.2.1 遠程視頻監控系統硬件設計

本設計使用ARM 開發板S3C2410 來進行基于嵌入式Linux 的遠程視頻監控系統的開發。S3C24l0 是一款由三星公司出品的基于ARM920T 內核的16/32 位RISC 微處理器。本文在處理器豐富功能的基礎上，進行相應的功能擴展。本設計中使用Cirrus 公司生產的應用于嵌入式設備、價格低廉的以太網控制器芯片CS8900A，并采用ZC3OIP 芯片的USB 極速攝像頭。

4.2.2 遠程視頻監控系統軟件設計

針對硬件S3C6410 對操作系統進行修改和移植。vivi是一款適用于ARM9 內核的Bootloader ，本設計對其進行了具體的修改和移植，以適應S3C2410x 處理器。接著移植Mizi 公司研發的支持S3C2410x 芯片的Linux-2.4.18-rmk7-pxal 版本的內核，制作精簡根文件系統———YAFFS文件系統。然后完成USB 接口攝像頭驅動程序的開發。

下面進行應用程序的設計，利用Video4 Linux API 函數進行視頻數據采集， 使用MJPEG 壓縮算法完成視頻數據的壓縮。為完成視頻數據的網絡發送， 在Linux 下完成基于TCP / IP 協議的socket 編程。最后設計了嵌入式Web 服務器， 從而實現了基于瀏覽器/服務器模式的視頻監控系統。視頻監控系統的軟件結構如圖5 所示。

image

圖5 視頻監控系統的軟件結構

5 結論

本文將ZigBee數據采集和因特網技術應用于起重機監控系統中，采用三級式的安全監控策略來滿足不同工作人員的差異需求。同時，本系統主要完成了以ZigBee數傳模塊為核心的起重機現場監控器的設計、基于CC2530 的ZigBee無線模塊傳感器網絡的構建以及以S3C2410 為硬件核心的基于嵌入式Linux 的遠程視頻監控系統的設計。使用該系統可及時發現起重機的故障， 提高工業生產效率、降低安全事故發生的可能性。該設計具有良好的設計性、廣闊的應用前景，可廣泛應用于起重機監控系統中。