摘 要： 為更好地對起重機工作狀況進行監(jiān)控、減少安全事故的發(fā)生，給出了一個起重機三級智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案。采用三級式監(jiān)控分布策略，設計一個以MC9S12DG128為核心的智能監(jiān)控器對現場工作的起重機進行實時監(jiān)控，并通過ZigBee節(jié)點構建的無線傳感器網絡將監(jiān)控數據傳送到200 m外的局域監(jiān)控站。同時，總公司工作人員可通過互聯(lián)網遠程查看全國各地起重機的運行狀況和視頻圖像。該系統(tǒng)低功耗、易擴展、高安全性，對增強起重機安全性有一定的作用。
關鍵詞： 起重機監(jiān)控；MC9S12DG128；ZigBee節(jié)點；視頻監(jiān)控
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(yè)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(jiān)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(tǒng)的起重機監(jiān)控器僅能監(jiān)測負載重量，為滿足現今工業(yè)發(fā)展的要求，需要監(jiān)控系統(tǒng)能實時監(jiān)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(jiān)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(jiān)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。無線傳感器網絡（WSN）的興起給工業(yè)控制領域帶來了新的契機，同時結合因特網可將監(jiān)控數據傳送到世界各地。
本文設計一個起重機三級監(jiān)控系統(tǒng)，包括現場監(jiān)控級、局域監(jiān)控級和遠程監(jiān)控級，從而滿足了不同工作人員對起重機數據的監(jiān)控需求。
1 三級監(jiān)控系統(tǒng)介紹
本文提出的三級式的起重機監(jiān)控策略，其結構如圖1所示。它主要由現場級監(jiān)控層、局域級監(jiān)控層、遠程級監(jiān)控層三部分構成，從而滿足了不同用戶的需求。
（1）現場監(jiān)控級：即通過工作現場的起重機智能監(jiān)控器來查看數據。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(tài)。
?。?）局域監(jiān)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(xié)調器模塊，協(xié)調器模塊與上位機相連。無線傳感器網絡能將監(jiān)測數據傳送到幾百米外的局域監(jiān)測站以便技術人員查看，滿足工業(yè)現場的實際需求。
（3）遠程監(jiān)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(fā)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(fā)現問題，保障現場工作的安全。
2 現場監(jiān)控級設計
起重機現場監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)硬件采用MC9S12DG128作為核心處理芯片，整個系統(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。
2.1 起重機監(jiān)控器硬件結構
2.1.1 最小系統(tǒng)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(jié)約了開發(fā)成本。
2.1.2 監(jiān)控器電源電路
起重機監(jiān)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(tǒng)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(wěn)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點信號，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(jiān)控器軟件設計
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(tǒng)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(fā)送至手持式終端進行顯示。
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(xù)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(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三個端子，并規(guī)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。
2.2.3 監(jiān)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(tài)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(jiān)控級設計
無線傳感器網絡[1]是由大量靜止或者移動的傳感器節(jié)點以自組織、多跳的方式組成的無線網絡，這些節(jié)點協(xié)作地感知、采集、處理以及傳輸感知對象的監(jiān)測信息，并將監(jiān)測數據發(fā)給用戶。
3.1 ZigBee無線傳輸系統(tǒng)設計
本設計使用的ZigBee[2]通信模塊選用射頻芯片CC2530，其內部有2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機，適應2.4 GHz IEEE802.15.4的RF收發(fā)器、微控制器和內存。
本設計采用三類ZigBee網絡設備[3]：終端節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點。協(xié)調器節(jié)點負責建立無線傳感器網絡，路由器節(jié)點和終端節(jié)點申請加入網絡。應用層程序實現的功能主要包括終端節(jié)點與監(jiān)控器、協(xié)調器節(jié)點與上位機的串口數據收發(fā)，以及協(xié)調器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點之間的無線通信。
該系統(tǒng)可同時對多臺起重機進行檢測，所有終端節(jié)點采集的起重機運行數據都將匯集到協(xié)調器節(jié)點。上位機除了有監(jiān)測的功能，也具有遠程控制現場監(jiān)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）、100~1 000 MHz的信道傳輸損耗模型，其損耗計算公式為：
其中，Pr是接收機的功率，Pt是發(fā)射機的發(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是損耗計算的標準方差，d是發(fā)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。
對式（1）進行推導，得出最大距離方程為：
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。
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節(jié)點的收發(fā)天線增益、提高天線的架設高度、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ZigBee傳輸距離影響最大。
在該系統(tǒng)中，無線傳感器網絡可將數據傳送到200 m外的局域監(jiān)控站，這一距離滿足起重機監(jiān)控系統(tǒng)的工業(yè)要求。
3.3 上位機界面設計
3.3.1 串口收發(fā)數據格式
ZigBee終端節(jié)點采集起重機監(jiān)控器中的數據，再通過無線傳感器網絡將數據發(fā)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(jiān)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(guī)定數據頭為55，數據尾為兩個字節(jié)AA。數據頭后的第一個字節(jié)為起重機編號判斷位，表示該數據監(jiān)測的起重機編號。監(jiān)測數據包括22組，每組表示不同的數據，監(jiān)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(xié)調器節(jié)點匯集了所有終端節(jié)點采集的起重機運行數據，再通過串口發(fā)送給監(jiān)控室計算機。本系統(tǒng)采用美國國家儀器公司研發(fā)的LabVIEW軟件進行監(jiān)控界面的編寫，監(jiān)控室軟件的主要功能包括串口數據收發(fā)、數據解析與顯示以及互聯(lián)網遠程訪問。起重機現場監(jiān)控界面如圖4所示。
4 遠程監(jiān)控級設計
遠程監(jiān)控級的設計可以讓全國各地工作人員能夠遠程訪問監(jiān)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[4]
使用LabVIEW的Web服務器可以在互聯(lián)網上發(fā)布LabVIEW程序前面板圖像供用戶遠程查看。
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”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(fā)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(jiān)控系統(tǒng)的設計[5]
4.2.1 遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計
本設計使用ARM開發(fā)板S3C2410來進行基于嵌入式Linux的遠程視頻監(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(jiān)控系統(tǒng)軟件設計
針對硬件S3C6410對操作系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)——YAFFS文件系統(tǒng)。然后完成USB接口攝像頭驅動程序的開發(fā)。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(fā)送，在Linux下完成基于TCP/IP協(xié)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(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結構如圖5所示。
5 結論
本文將物聯(lián)網和因特網技術應用于起重機監(jiān)控系統(tǒng)中，采用三級式的安全監(jiān)控策略來滿足不同工作人員的差異需求。同時，本系統(tǒng)主要完成了以飛思卡爾單片機MC9S12DG128為核心的起重機現場監(jiān)控器的設計、基于CC2530的無線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(jiān)控系統(tǒng)的設計。使用該系統(tǒng)可及時發(fā)現起重機的故障，提高工業(yè)生產效率、降低安全事故發(fā)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(jiān)控系統(tǒng)中。
參考文獻
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