摘  要： 針對(duì)傳統(tǒng)塔機(jī)監(jiān)測(cè)防撞系統(tǒng)中操作不便、ZigBee無(wú)線傳輸距離短、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較多而導(dǎo)致時(shí)實(shí)性差等問(wèn)題，提出了一種基于WiMi-net（Wireless Micro-network）無(wú)線通信模塊的解決方案。利用Qt良好的交互能力與WiMi-net無(wú)線模塊特性，搭建了一套傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的新型塔機(jī)監(jiān)測(cè)防撞系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞： 塔機(jī)監(jiān)測(cè)；WiMi-net；Qt；無(wú)線通信；實(shí)時(shí)性

0 引言

　　隨著建筑業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，建筑作業(yè)逐漸變得密集化，同一工作區(qū)域往往存在多臺(tái)塔機(jī)同時(shí)作業(yè)。以往靠塔機(jī)駕駛員與地面指揮人員主觀判斷進(jìn)行避障的方式已無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜的塔機(jī)工作環(huán)境。塔機(jī)監(jiān)測(cè)防撞系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)地采集各塔機(jī)以及障礙物信息，各塔機(jī)信息通過(guò)無(wú)線模塊相互傳遞，并進(jìn)入防碰撞系統(tǒng)進(jìn)行分析。當(dāng)系統(tǒng)判斷當(dāng)前操作有可能發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，可以及時(shí)提醒駕駛員，從而避免險(xiǎn)情發(fā)生。鑒于預(yù)險(xiǎn)系統(tǒng)中快速響應(yīng)的重要性，無(wú)線模塊的實(shí)時(shí)性必須得到保障。

　　隨著ZigBee的普及，ZigBee在塔機(jī)通信中的應(yīng)用已經(jīng)有部分研究成果，但是傳統(tǒng)ZigBee無(wú)線模塊一般都基于CC2430、CC2530射頻芯片，它們的射頻（Radio Frequency）均為2.4 GHz，屬于視距通信頻帶。這種頻段的信號(hào)波長(zhǎng)較短，因而傳輸距離與穿透能力都受到限制[1]。利用ZigBee模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸往往需要加上多級(jí)放大電路。值得一提的是，由于ZigBee采用CSMA/CA（隨機(jī)接入信道技術(shù)）接入MAC層，且不支持時(shí)分復(fù)用的信道接入方式[2]，節(jié)點(diǎn)會(huì)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前監(jiān)聽信道，如果信道忙則進(jìn)行隨機(jī)退避，即延遲一段隨機(jī)時(shí)間。如果再次監(jiān)聽信道忙，這個(gè)退避時(shí)間還要增倍。這樣就造成了發(fā)送數(shù)據(jù)所需要時(shí)間的不確定性，因此不能很好地支持實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)。為解決節(jié)點(diǎn)數(shù)量上升帶來(lái)的傳輸延遲問(wèn)題，參考文獻(xiàn)[3]提出了基于Markov模型的改進(jìn)CSMA/CA退避算法，有效減少了傳輸延遲。但由于該算法本身建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)（針對(duì)低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)制定標(biāo)準(zhǔn)）之上，因此傳輸速率仍不夠理想。

　　參考文獻(xiàn)[4-5]提出了基于ZigBee+GPRS以解決ZigBee傳輸距離的方案，但GPRS受GSM網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量的影響，也無(wú)法保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。參考文獻(xiàn)[6]將WLAN無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)用于塔機(jī)群通信，大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率與距離，但考慮到嵌入式系統(tǒng)的限制，并不適合運(yùn)行高功耗的WLAN網(wǎng)絡(luò)。

　　基于此，本文提出了一種采用WiMi-net無(wú)線模塊的解決方案。WiMi-net無(wú)線模塊內(nèi)部集成一塊CC1101射頻芯片，該芯片功率達(dá)到12 dBm，射頻范圍為433 MHz。低頻電磁波波長(zhǎng)大，更容易通過(guò)障礙物，因而具有更遠(yuǎn)的傳播距離。MAC層采用TDMA（Time Division Multiple Access）按時(shí)隙分配信道資源，保證各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息在其專有時(shí)隙內(nèi)及時(shí)、可靠地發(fā)送。為了方便駕駛員操作，本系統(tǒng)還使用Qt界面庫(kù)設(shè)計(jì)了交互界面友好的嵌入式操作界面。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

　　考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與多任務(wù)性，本文采用基于ARM11內(nèi)核的S3C6410核心板，上面搭建了經(jīng)過(guò)裁剪的Linux操作系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)操作Linux串口設(shè)備文件/dev/ttySAC0將操作指令發(fā)送到WiMi-net核心板單片機(jī)上，通過(guò)WiMi-net接口層協(xié)議，就能很方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)、狀態(tài)的讀取和控制等操作。WiMi-net片上單片機(jī)在物理層驅(qū)動(dòng)射頻芯片，經(jīng)過(guò)功率放大器（Power Amplifier，PA）放大，覆蓋半徑可達(dá)到2.5 km，高覆蓋半徑減少了必要的中繼站，加強(qiáng)了數(shù)據(jù)的傳輸速度與可靠性。

　　本地塔機(jī)通過(guò)WiMi-net與其他塔機(jī)實(shí)時(shí)交換信息，得到其他塔機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)以及預(yù)輸入的障礙物信息，便可由LCD實(shí)時(shí)模擬整個(gè)工地運(yùn)行狀態(tài)，并同時(shí)進(jìn)行異常情況與防碰撞檢測(cè)。整個(gè)工地運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主控室，實(shí)現(xiàn)全工地的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)在有可能發(fā)生危險(xiǎn)的情況下做出語(yǔ)音與界面提示，提示駕駛員注意操作。如果塔機(jī)持續(xù)當(dāng)前狀態(tài)運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)在安全范圍內(nèi)接管伸縮電機(jī)繼電器與回轉(zhuǎn)電機(jī)繼電器，使塔機(jī)回到安全運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

2 WiMi-net無(wú)線通信的OSI七層模型

　　為了保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和可靠，WiMi-net使用無(wú)線通信的OSI（Open System Interconnected）七層模型，并分別定義了各層實(shí)現(xiàn)的功能，如圖2所示。

　　（1）PHY（物理層）：驅(qū)動(dòng)射頻芯片，實(shí)現(xiàn)硬件的初始化、報(bào)文收發(fā)、信道切換、頻率校準(zhǔn)等基礎(chǔ)工作。

　　（2）MAC（鏈路層）：TDMA時(shí)隙的分配、請(qǐng)求、確認(rèn)、鎖定、釋放工作，實(shí)現(xiàn)大量節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)情況下的仲裁，通過(guò)排隊(duì)機(jī)制有序接入網(wǎng)絡(luò)。

　?。?）NET（網(wǎng)絡(luò)層）：實(shí)現(xiàn)16位網(wǎng)絡(luò)地址和64位MAC地址的尋址、翻譯和路由；實(shí)現(xiàn)任意節(jié)點(diǎn)到任意節(jié)點(diǎn)的全局網(wǎng)絡(luò)路徑生成、解析和路由切換工作。

　?。?）TCP（傳輸層）：建立TCP傳輸鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文的數(shù)字報(bào)真，在傳輸期間信道鎖定，允許用戶傳輸任意長(zhǎng)度的任意（數(shù)據(jù)，命令）數(shù)據(jù)流。

　?。?）REP（表示層）：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密和解密，需要CPU硬件支持AES加密算法。

　?。?）TLK（會(huì)話層）：會(huì)話級(jí)別CCITT-CRC32校驗(yàn)，提供端到端的差錯(cuò)控制技術(shù)，使發(fā)送端和接收端立刻了解報(bào)文是否有差錯(cuò)。

　?。?）IOS（接口層）：實(shí)現(xiàn)WiMi-net核心協(xié)議棧和用戶處理器之間的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)、狀態(tài)的讀取和控制操作，與用戶的應(yīng)用層進(jìn)行對(duì)接。

3 Qt環(huán)境下對(duì)WiMi-net的操作

　　3.1 WiMi-net接口結(jié)構(gòu)

　　WiMi-net無(wú)線模塊的接口層遵循一個(gè)特定結(jié)構(gòu)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。

　　（1）m_iHeader是固定的同步字符，數(shù)值=0XAA。

　?。?）m_iOpCode，該報(bào)文的命令字取值0X00~0XFF之間，每一個(gè)命令有4個(gè)參數(shù)：m_iValueA，m_iValueB，m_iValueC，m_iValueD。

　　（3）m_iAmount是m_pBuffer的長(zhǎng)度，代表前面9個(gè)字節(jié)之后的擴(kuò)展報(bào)文長(zhǎng)度。

　?。?）m_iCRCode是16位的CRC計(jì)算結(jié)果。

　?。?）m_pBuffer是擴(kuò)展部分的內(nèi)容。

　　其中，循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（Cyclic Redundancy Check，CRC）是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼。當(dāng)WiMi-net接收端收到一包數(shù)據(jù)時(shí)，先保存原CRC數(shù)據(jù)并重新進(jìn)行CRC計(jì)算，當(dāng)新的計(jì)算結(jié)果與原CRC校驗(yàn)碼不同時(shí)，則判斷數(shù)據(jù)出錯(cuò)，并丟棄這個(gè)包。本系統(tǒng)為保證良好的實(shí)時(shí)性，當(dāng)發(fā)送端未收到接收端的報(bào)文收到確認(rèn)信息時(shí)，會(huì)立即重新發(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用CRC-16查表算法設(shè)計(jì)其接口函數(shù)：

　　unsigned short QuickCRC16（unsigned char*pMsg，unsigned short iSize）{

　　unsigned char index；

　　unsigned char iHiVal；

　　unsigned char iLoVal；

　　iHiVal=0XFF；

　　iLoVal=0XFF；

　　while（iSize--）{

　　index=iLoVal^*pMsg++；

　　iLoVal=iHiVal^HiCRCTable[index]；

　　iHiVal=LoCRCTable[index]；

　　}

　　return（iHiVal<<8|iLoVal）；

　　}

　　3.2 WiMi-net無(wú)線通信流程

　　WiMi-net支持Mesh結(jié)構(gòu)（網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示）自組網(wǎng)，如果最近的節(jié)點(diǎn)由于流量過(guò)大而導(dǎo)致?lián)砣瑒t數(shù)據(jù)可以自動(dòng)重新路由到一個(gè)通信流量較小的鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，且同一網(wǎng)絡(luò)下的子節(jié)點(diǎn)可直接進(jìn)行通信。這樣在網(wǎng)絡(luò)中有多條路徑形成回聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)固性很好。隨著動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)路徑增多，各WiMi-net模塊之間的通信也更容易避開障礙物的干擾。

　　基于固定的接口結(jié)構(gòu)，對(duì)WiMi-net的控制取決于特定的命令字。這些命令字可以用來(lái)控制WiMi-net的工作流程。WiMi-net從站發(fā)送數(shù)據(jù)工作流程如圖4所示。

3.3 Qt與WiMi-net串口通信

　　在第三方Linux串口類Posix_qex tserialport的基礎(chǔ)上聲明一個(gè)對(duì)象myCom，并設(shè)置相應(yīng)的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位，讀取緩沖區(qū)方式等初始化配置：

　　Struct PortSettings myComSetting={BAUD115200，DATA_8，PAR_NONE，STOP_1，F(xiàn)LOW_OFF，10}；

　　myCom=new Win_QextSerialPort（"/dev/ttySAC0"，myCom Setting，QextSerialBase：：Polling）；

　　myCom->open（QIODevice：：ReadWrite）；

　　數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及發(fā)送代碼如下：

　　unsigned char Test[64]={0XAA，0X1D，0XFF，0XFF，0X03，0X01}；

　　for（int i=0；i<17；i++）

　　str.append（SerialSendlist.at（i））；

　　for（int i=0；i<str.length（）；i++）{

　　Test[i+9]=*qPrintable（str.mid（i，1））；

　　}

　　Test[6]=str.length（）；

　　if（Add_Crc（Test））{

　　myCom->write（（char*）Test）；

　　}

　　其中SerialSendlist中是需要發(fā)送的數(shù)據(jù)表。定義一個(gè)unsigned char型數(shù)組，里面寫入了固定的同步字符、廣播形式發(fā)送數(shù)據(jù)等操作字；然后利用循環(huán)以及宏函數(shù)qPrintable將str中的每個(gè)字符以其十六進(jìn)制存入Test[]中，Test[6]中存放的是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；再通過(guò)Add_Crc（）函數(shù)向數(shù)組中添加校驗(yàn)碼，如果返回1則向串口寫入數(shù)據(jù)。由于Qt串口類繼承自QIODevice類，其成員函數(shù)write（）僅接受char*作為輸入，所以需要將unsigned char型Test數(shù)組強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為char型。

　　接收到的數(shù)據(jù)按0x10進(jìn)行分包。當(dāng)報(bào)文少于16 B時(shí)，ValueC的值為0X03，表示僅此一包數(shù)據(jù)。如果收到的數(shù)據(jù)超過(guò)16 B，WiMi-net會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)按每16個(gè)進(jìn)行分包，在每個(gè)包前都會(huì)加上類似的幀頭，且Amount均為0X10，在取數(shù)據(jù)的時(shí)候便可以通過(guò)ValueC的值判斷是否是第一包，以及是否到了最后一包，而最后一包共有Amount個(gè)數(shù)據(jù)。通過(guò)ValueC和Amount來(lái)判斷該幀是否發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，并取出數(shù)據(jù)。

4 Qt界面設(shè)計(jì)

　　考慮到嵌入式系統(tǒng)的局限性，本系統(tǒng)使用輕量級(jí)的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，并優(yōu)化了線程間的調(diào)度與防碰撞算法。系統(tǒng)分別對(duì)接收到的WiMi-net無(wú)線模塊與傳感器數(shù)據(jù)做分包提取與模數(shù)轉(zhuǎn)換，在得到系統(tǒng)能識(shí)別的數(shù)據(jù)后與一些不會(huì)實(shí)時(shí)改變的信息（如本地塔機(jī)高度、前后臂長(zhǎng)、坐標(biāo)位置、工地大小、形狀、障礙物信息等）一起存入數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)將得到的數(shù)據(jù)送入防碰撞算法模塊進(jìn)行分析，并模擬運(yùn)行狀態(tài)顯示到LCD上。

　　系統(tǒng)界面如圖5所示。右側(cè)狀態(tài)區(qū)用來(lái)提示系統(tǒng)各種工作狀態(tài)，包括碰撞預(yù)警、異常狀態(tài)預(yù)警等，并顯示本地塔機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，方便駕駛員清楚地了解本塔機(jī)運(yùn)行情況。左邊是工作區(qū)域模擬運(yùn)行區(qū)，本地塔機(jī)為藍(lán)色，其他塔機(jī)為綠色，當(dāng)系統(tǒng)判斷有大概率碰撞危險(xiǎn)產(chǎn)生時(shí)，以紅色間斷閃爍作為警示。圖5中三臺(tái)設(shè)備相互間隔地分布在非空曠的100 m~400 m范圍內(nèi)，在不添加任何信號(hào)放大設(shè)備的情況下，系統(tǒng)仍然能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

　　本文總結(jié)了傳統(tǒng)基于ZigBee等無(wú)線通信技術(shù)搭建的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的弊端，提出采用WiMi-net無(wú)線模塊與Qt搭建基于新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)傳輸距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性能好、交互能力強(qiáng)。但在實(shí)際工程實(shí)踐中，無(wú)線傳輸還需考慮信號(hào)干擾、傳輸安全等諸多問(wèn)題，下一步工作將圍繞相關(guān)課題展開。

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