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塔機群無線遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)設計

文檔作者：鄭紅梅王有杰陳科張建庭文檔來源：合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院		點擊數：	更新時間： 2024年06月10日
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第28卷第5期電子測量與儀器學報
·s2Q· JoURNAL oF El顯CTRONIC MEAsUREMENT AND lNsTRUMENTATIoN
％f．28Ⅳo．5
2014年5月
DOI：10．13382／j．jemi．2叭4．05．009
塔機群無線遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)設計
鄭紅梅王有杰陳科張建庭
(合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院合肥230009)
摘要：針對傳統(tǒng)塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)存在實時I生差、處理速度慢、傳輸距離短、不能組成監(jiān)控網絡等缺點，在深入分析無線
通信技術機制基礎上，用無線通信技術及上位機來組建塔機群無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)選用ARM高速處理器作為中央處
理器，實現(xiàn)塔機起升高度、回轉角度、起吊重量、變幅、力矩、風速、電機電壓、電機電流、電機溫度等工作數據的實時采集和
顯示，通過GPRS遠程傳輸將工作數據上傳至遠程監(jiān)控管理平臺，實現(xiàn)塔機的遠程、在線、實時的監(jiān)控和管理，實現(xiàn)塔機群無
線組網監(jiān)控。
關鍵詞：塔機；GPRS／GsM；winSock；監(jiān)控系統(tǒng)；無線傳輸
中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 國家標準學科分類代碼：510．5015
Design of、)l，ireless remote security mollitoring system for tower crane neet
Zheng Hongmei Wang Youjie Chen Ke Zhang Jianting
(Department of Mechanical aJld Automotive Engineering，Hefei UniVersity of Technology，Hefei 230009，China)
Abstract：Against real—time，slow processing speed，shon transmission distance，can not be composed of the monito—
ring net and other shortcomings exist in the tmditional tower crane safety monitoring system，the safety monitoring
system of tower crane neet was built with wireless communication technology and upper machine after wireless com—
munication pmtocols were deeply analyzed．ARM processor is used to achieve the c01lection and display of tower
cmne lifting height，rotation angle，weight 1ifting，lumng，torque，speed，motor voltage，cuⅡent，temperature and oth—
er operating data．And the transfer will work remotely via GPRS data upload to the remote monitoring and management
plaⅡ’o珊，able to achieve remote，online，real—time monitoring and establish towers neet safety monitoring net—
work。
Keywords：tower crane；GPRS／GSM；WinSock；monitoring system；wireless transmission
引言
塔式起重機作為一種廣泛應用的起重機械，
具有工作范圍分布廣泛、作業(yè)分散等特點，決定
了要對其進行遠程安全監(jiān)控、實時掌握設備工
作狀態(tài)，前端工作數據的采集以及數據的遠程
傳輸是整個監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術¨引。隨著國
民經濟的發(fā)展，如何保障塔式起重機的安全和
對其進行統(tǒng)一有效管理已成為迫切要解決的問
題i3引。最新頒布的GB／T5031．2008國標規(guī)定：
塔式起重機必須安裝安全監(jiān)控裝置，對塔機工
收稿日期：2叭3_09 Received Date：2013旬9
作狀態(tài)實時監(jiān)控"-。
傳統(tǒng)的塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用機械式
的，在塔機的運行過程中，主要靠操作人員的經
驗來保證，缺少動態(tài)監(jiān)控和實時顯示¨o存在實
時性差、處理速度慢、傳輸距離短、不能組成監(jiān)
控網絡等缺點。姜曉勇等"1較早提出了以單片
機為核心的新型塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)，但所設計
的系統(tǒng)智能檢測只能監(jiān)測塔機起重量、最大力
矩、最大變幅等少量工作數據且不能實現(xiàn)組網
監(jiān)測；陳一帆舊1采用PLC和觸摸屏技術實現(xiàn)塔
機電氣控制和狀態(tài)參數顯示，比傳統(tǒng)繼電器控
制電路可靠性高、擴展性好，雖然實現(xiàn)了多種工
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第5期塔機群無線遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)設計
況數據的監(jiān)測但系統(tǒng)整體造價高，沒有形成有
效的塔機群監(jiān)控網絡；王仁群等一。提出了基于
CAN總線的分布式塔機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，實
現(xiàn)了多工作參數的監(jiān)測，但每項工作參數均作
為單一節(jié)點，數據的傳輸仍然依靠有線的傳輸
方式，安裝繁瑣且線路易于老化，對傳輸信號產
生干擾影響監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能。鄭夕健等¨0J
提出了基于zigBee技術的塔機群無線通信系
統(tǒng)，為塔機群監(jiān)測、監(jiān)控塔機故障診斷開創(chuàng)了新
的方向，但文中所設計的系統(tǒng)并未通過現(xiàn)場的
實驗驗證。
所設計的塔機群無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)選用性能
優(yōu)越的ARM Cortex—M3內核的32位STM32F103zE
系列芯片作為中央處理器，提高了數據的處理速
度，并有效降低系統(tǒng)成本。能夠實現(xiàn)塔機起升高
度、起升重量、回轉角度、塔機變幅等多項工作參數
的實時采集和顯示。運用GPRS無線分組技術搭
建遠程監(jiān)控管理平臺，實現(xiàn)塔機群工作狀態(tài)的遠
程、在線、實時的監(jiān)控和管理，同時具有GSM短信
報警功能。
2遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體設計
2．1遠程監(jiān)控系統(tǒng)組成
本課題研制開發(fā)的塔機群無線遠程安全監(jiān)控
系統(tǒng)包括塔機監(jiān)控終端和遠程數據接收終端兩部
分。塔機監(jiān)控終端安裝在塔機，實現(xiàn)工作數據的實
時采集、顯示及工作數據的發(fā)送，遠程數據接收端
接收來自塔機監(jiān)控終端的數據實現(xiàn)Web顯示，方
便查詢。
2．2遠程監(jiān)控系統(tǒng)組網方式
GPRS的無線組網方式較為多樣化。如：采用
APN專線接人進行GPRS無線組網、采用DNS域
名解析方式實現(xiàn)GPRS無線組網以及使用公網組
網等3種方式H1|。綜合考慮系統(tǒng)應用場合、工程
造價以及傳輸信息的安全性和可靠性等因素，最終
選用公網組網方式。各監(jiān)控節(jié)點設備會分配不同
的網絡端口號，向遠程監(jiān)控平臺發(fā)送連接請求并傳
輸數據。該方案組網通信速度快，通信質量穩(wěn)定，
可以利用現(xiàn)有的Intemet網絡資源，節(jié)省系統(tǒng)建設
投資，廣泛應用于實時性要求較高，安全性要求適
中的場合。監(jiān)控系統(tǒng)組網方式示意圖如圖1所示。
圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組網示意
Fig．1 Monitoring system network dia目．踟
系統(tǒng)數據傳輸采用TCP／IP傳輸協(xié)議，TcP／IP
協(xié)議作為一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務，數
據傳輸的可靠性高m]。
3塔機監(jiān)控終端總體設計
本課題研制開發(fā)的塔機監(jiān)控終端由ARM
STM32核心處理器模塊、傳感器信號采集／處理模
塊、數據存儲模塊、GPRS遠程數據傳輸模塊、LcD
實時顯示模塊、繼電器控制模塊等組成，監(jiān)控系統(tǒng)
組成如圖2所示。
圖2監(jiān)控系統(tǒng)總體
Fig．2 Monito血g system block diag阻m
塔機進人工作狀態(tài)后，傳感器信號采集、處理
模塊將塔機起升高度、變幅、回轉角度、載重、風速、
電機電流、電機電壓等工作參數進行采集處理，并
儲存在中央處理器預留的RAM存儲區(qū)，GPRS遠
程通信模塊接收到遠程數據接收平臺的數據傳輸
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萬方數據
電子測量與儀器學報第28卷
應答指令后，調用RAM存儲區(qū)的數據并發(fā)送到遠
程管理平臺。
3．1 傳感器信號采集處理模塊設計
為滿足對塔機工作數據采集處理的要求，系統(tǒng)
選用STM32F103zE系列芯片自帶的12位的高精
度A／D轉換單元，單元轉換速度高達1 MHz¨3|。
本系統(tǒng)中傳感器的電壓輸出范圍是O～9 V。
由于傳感器的輸出阻抗較低，當信號的頻率較高時
會產生較大誤差，為提高采樣精度、消除干擾，在信
號輸入A／D轉換模塊之前進行信號的阻抗變換。
阻抗變換由0P27組成的射極跟隨器實現(xiàn)。采樣
電路原理圖如圖3所示。信號經過阻抗變換后，經
過吃、R，、R。組成的分壓電路處理得到O～3．3 V
的電壓值，再輸入到處理器的A／D轉換模塊中。
二極管D，、D。組成鉗位電路，對A／D轉換模塊進
行保護。
電流信號輸出型傳感器，需要先將電流信號經
高精
度采樣電阻轉換為電壓信號，再通過阻抗變換和低
通濾波實現(xiàn)信號的采集。
圖3信號采集電路原理
Fig．3 The schematic diagram for
signal acquisition
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圖4 SIM908模塊電氣原理
Fig．4 Schematic of SIM908 module
1一SIM908模塊2一SIM908模塊開機電路3一PwRKEY引腳4一NETUGHT引腳5一網絡狀態(tài)指示燈驅動電路
萬方數據
第5期塔機群無線遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)設計·523·
3．2 GPRS通信模塊硬件設計
系統(tǒng)選用SIMcOM公司sIM908遠程通信模
塊，模塊采用標準的工業(yè)規(guī)范設計，支持GSM／
GPRS／GPS等業(yè)務，內嵌TCP／IP協(xié)議。提供
Rs232電氣標準接口和uART串行通信協(xié)議，可
直接與用戶設備相連接實現(xiàn)通信。圖4為
SIM908模塊電氣原理圖，圖5為焊接完成的
SIM908模塊．
圖5 GPRS數據傳輸模塊
Fig．5 GPRS data transmission module
3．3 GPI述通信模塊軟件設計
中央處理器與SIM908模塊經過UART接口
建立通信后，通過串口發(fā)送AT指令實現(xiàn)模塊的
網絡注冊、波特率設置及數據遠程傳輸功能。模
塊初始化程序流程圖如圖6所示。在初始化程序
中實現(xiàn)模塊通訊波特率的設置、SIM卡網絡注冊，
初始化完成后，開始與服務器建立GPRS通信，建
立基于TCP／IP協(xié)議的GPRS通信的流程圖如圖7
所示。在建立通信協(xié)議的過程中，模塊的工作狀
態(tài)會通過LCD顯示。
系統(tǒng)收到數據傳輸指令后，將塔機的起升高
度、變幅、回轉角度、力矩、起吊重量、風速、電機
電流、電機電壓、電機溫度等采樣得到的工作數
據進行傳輸。圖9為數據傳輸程序的流程圖。在
系統(tǒng)檢測到塔機的工況參數超過預警值時，GPRS
模塊通過GSM網絡向管理人員發(fā)送報警短信，同
時系統(tǒng)會輸出繼電器控制信號切斷塔機危險動作
源的電源。
圖6模塊初始化流程
Fig．6 nowchart of module initialization
≤等Y上產割1]NlN ≤Yr—朔1團 Y l代碼I
匭遍卜薔≤皤濰‰ l連幽I’n去一《雌Yl睦型
圖7 GPRS通信流程
Fig．7 Flowchart of GPRS communication
萬方數據
電子測量與儀器學報第28卷
圖8數據傳輸程序流程
Fig．8 Flowchart of data transmission
4遠程數據接收終端設計
數據的傳輸格式為：數據發(fā)送時間+特殊格式
控制符+具體參數。具體參數為被監(jiān)控塔機的起
升高度、起升重量、起升力矩、電機電壓、電機電流、
回轉角度及變幅距離等10項工作參數。監(jiān)控系統(tǒng)
將采樣得到的工作數據打包進行發(fā)送，并經由SQL
Server數據庫后臺操作完成數據的網頁顯示，當接
收到報警數據時，網頁會對異常數據項自動進行加
亮處理。
4．1遠程數據接收終端軟件設計
數據的接收端平臺使用visual Basic中的Win—
sock控件實現(xiàn)。實現(xiàn)服務器與GPRS模塊建立
TcP傳輸協(xié)議的流程如下¨4|：
1)服務器程序設置LDcalPon屬性，設置遠程
監(jiān)聽端口號(此端口號供選范圍為O～65535)；
2)使用Listen方法進人偵聽狀態(tài)，等待cPRs
模塊連接請求，連接狀態(tài)可以通過winsock．State
屬性查詢；
3)GPRs模塊向服務器發(fā)出連接請求，使服務
器產生ConnectionRequest事件，此時服務器會同意
并接受請求建立GPRS連接；
4)當服務器程序接收到數據時，產生DataA耐val
事件，同時觸發(fā)該事件的GetData方法將監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)
送的數據進行提取、處理，完成數據的接收工作。數
據接收系統(tǒng)的具體方案設計流程如圖9所示；
5)如果接收到Close事件，則用Close方法關
閉連接。
圖9數據接收系統(tǒng)工作流程
Fig．9 Worknow of data receiving system
4．2接收數據存儲和Web顯示
傳輸的數據通過Visual Basic上位機軟件接
收，然后通過VisuaI Basic將這些數據存儲在服務
器的數據庫中，等待網站的服務程序從SQL Server
中讀取這些數據并在web網頁上顯示。Visual
Basic與數據庫之間通過ADO控件實現(xiàn)連接。
AD0技術可以實現(xiàn)復用框架，被多種語言支持，能
夠訪問數據庫、非關系數據庫及所有的文件系
統(tǒng)¨5-16]。通過AD0控件實現(xiàn)sQL seⅣer數據庫的
連接步驟如下：
1)在VB工程中選擇Microsoft AD0 Data C0n—
trol 6．0(0LEDB)并添加該控件，并添加對SQL
Sewer數據庫的連接；
2)在完成步驟1后，在新建的Visual Basic標
準工程窗體中添加的Adodc控件，并引用Adodc
控件；
3)在SQL Server中創(chuàng)建新數據庫TJData，并
新建“曠數據庫表，利用Adodc控件連接SQL Serv—
er數據庫，并將接收的數據插入“tj”數據庫表中，
等待調用；
萬方數據
第5期塔機群無線遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)設計
4)在Visual Studio中運用C#開發(fā)安全監(jiān)控網
頁，在網頁中使用％dView控件實時顯示tj數據
庫表中的數據，由于數據量比較大，采用自定義分
頁技術，并利用CSS+DIV對頁面進行排版，最終
實現(xiàn)Web網頁顯示。
5 在線測試
為驗證監(jiān)控系統(tǒng)的整機性能，選擇安徽省某建
筑機械有限公司生產的Q1乃0Xx系列塔機進行設
備在線測試。該塔機具體參數：起升高度30 m，最
大變幅40 m，載重6 T。本次安裝的傳感器均由湖
北宜昌微特電子設備有限責任公司生產。傳感器
具體型號、工作電壓、輸出信號如表1所示。塔機
監(jiān)控終端運行界面如圖10所示。
表1傳感器型號統(tǒng)計表
Tablel Sta廿s6cs of the sensor model
圖10 系統(tǒng)運行界面
Fig．10 System 0peration Interface
圖11、12為數據接收程序運行界面和遠程管
理平臺網站記錄結果，圖13為塔機起升重量超限
報警短信。
圖11 數據接收程序運行界面
Fig．1 1 Program§inteIface of data reception
圖12遠程管理平臺顯示效果
F唔．1 2 Display of remote management platform
圖13 塔機起升重量超限報警短信
Fig．1 3 Tower crane lifting
wei曲t limit ala咖SMS
本課題研制開發(fā)的系統(tǒng)測試結果穩(wěn)定，數據傳
萬方數據
·526· 電子測量與儀器學報第28卷
輸可靠。試驗效果達到驗收標準，系統(tǒng)的具體試驗
結果參數如表2所示。
表2試驗結果
Table2 Measurement resuns
參數名稱試蠢萋值參數說明
數據流量Ⅲ?佃n麓囂鬻’
對比網頁顯示數據與
通訊可靠率≥95％ U盤存儲數據，查看是否
有數據丟包現(xiàn)象
網頁顯示數據與U盤存儲
誤碼率<=0．1％ 數據在規(guī)定時間段內
各項傳輸數據的差別傳輸頻率警墓鬻器
6 結論
本課題研制開發(fā)的基于GPRS／GSM無線傳輸
技術的塔機群遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了塔機多種工作
參數的實時采集和顯示，以及塔機的集群監(jiān)控管
理。管理人員可以不受距離和地點的限制，隨時隨
地登錄相應的網站，查詢塔機工作數據。經過測
試，系統(tǒng)具有良好的技術特性：數據比特傳輸速率
為10 bps，通信可靠率在95％以上，數據傳輸誤碼
率低于0．1％。該系統(tǒng)可以廣泛應用于各行業(yè)的
遠程監(jiān)控和數據傳輸系統(tǒng)中，尤其適合分布范圍較
廣泛、傳輸數據量適中以及有線傳輸難以實現(xiàn)的場
合，可以提高被監(jiān)控設備的遠程監(jiān)管能力且成本
較低。
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作者簡介
鄭紅梅，1966年出生，現(xiàn)為合肥工業(yè)大學教授、碩士生
導師。主要研究方向為機械系統(tǒng)動力學及狀態(tài)檢測、cAD／
CAM／CAE、機電控制及其自動化。
E—mail：hongmeizh@163．com
Zheng Hml掣nei was bom in 1966，now she is a pmfessor
and tutor f曲殍adua把in He Fei University 0f Technology．Her
main research field is： Mechanical svstem dynamics、CAD／
CAM／CAE and Mechanical and eleetrical eontrol and automa—
tion．
王有杰，1987年出生，2011年于山東理工大學獲得學
士學位，現(xiàn)為合肥工業(yè)大學在讀碩士研究生，主要研究方
向為計算機集成制造系統(tǒng)。
E—mail：wangyj21@yeah．net
Wang Youjie was bom in 1987，received B．Sc．from
Shandong University 0f Technolog)r．He is currently a M．Sc．
candidate in Hefei University of Technology．His main research
direction is computer inte鏟ated manufacturing system．
陳科。1965年出生，現(xiàn)為合肥工業(yè)大學教授、博士生導
師。主要研究方向為機電產品的現(xiàn)代設計理論和方法，機
電產品的CAD／cAE／CAM。
E—ma訂：k．chen@163．com
Ch明Ke was bom in 1965，now he is a professor aIld Ph．
D．tutor in Hefei university of 7Ikchnology．His main research
interests include the modem design theory and method of the
mechanical and electrical pmducts，CAD／CAE／CAM for me—
chanical and elect五cal products．
張建庭。1989年出生，2011年于安陽工學院獲得學士
學位，現(xiàn)為合肥工業(yè)大學在讀碩士研究生，主要研究方向
為計算機集成制造系統(tǒng)。
E—mail：zjtanyang@126．com
Zh蚰g Jianting was bom in 1989，received B．Sc．from
An Yang Institute of Technology in 201 1．He is currently a M．
Sc．candidate in Hefei University of Technology．His main re—
search djrection js computer integrafed manufactudng system．

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