該篇文章主要講述的是基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)在當(dāng)前塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀以及存在的問題做出具體分析，指出將ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用在塔機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)中的優(yōu)勢，為塔機(jī)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(shí)布置多臺(tái)近距離交叉作業(yè)的塔機(jī)，塔機(jī)與塔機(jī)之間、塔機(jī)與建筑物之間互相碰撞的事故時(shí)有發(fā)生。同時(shí)，由于塔機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，重心高、臂架長，啟動(dòng)和制動(dòng)頻繁，是一種極易發(fā)生事故的設(shè)備，國內(nèi)外每年都會(huì)發(fā)生塔倒人亡的重大安全事故。塔機(jī)事故主要是使用和維護(hù)方面的原因引發(fā)的，約占70%，主要是安全管理不嚴(yán)格，違章或錯(cuò)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(jī)性大、種類多、情況復(fù)雜，較難控制。完善安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)塔機(jī)關(guān)鍵部件的故障，防止重大事故的發(fā)生，提高塔機(jī)的工作效率和安全性能。

傳統(tǒng)的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用有線通信方式，傳感器與塔機(jī)控制臺(tái)、塔機(jī)控制臺(tái)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(jī)移動(dòng)或增減塔機(jī)，需花費(fèi)較多時(shí)間和費(fèi)用進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)改造，無法滿足復(fù)雜環(huán)境下實(shí)時(shí)性、可靠性的通信要求。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)拓?fù)?、自組織網(wǎng)絡(luò)、多路由等特點(diǎn)，可以克服特殊地理和氣候環(huán)境的障礙，且易于擴(kuò)展，具有傳統(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)無法比擬的靈活性?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到塔機(jī)群監(jiān)控系統(tǒng)中，具有良好的應(yīng)用前景。

一、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

塔機(jī)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(diǎn)，需創(chuàng)建一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)，將來自終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信息回傳到中央控制點(diǎn)。借助個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)協(xié)調(diào)器，用戶可通過中央控制點(diǎn)對系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)測和控制。首先網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為個(gè)人局域網(wǎng)協(xié)調(diào)器建立一個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，然后由多個(gè)路由器加入這個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò);其次放置在塔機(jī)關(guān)鍵部位、專門獲取塔機(jī)工作過程中故障信息的多個(gè)傳感器終端節(jié)點(diǎn)，通過路由器或作為網(wǎng)關(guān)的子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。傳感器終端節(jié)點(diǎn)采集各個(gè)塔機(jī)的工作參數(shù)，通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將處理后的數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送給無線模塊，同時(shí)也可以由無線模塊接收主控系統(tǒng)發(fā)送的控制信號(hào)，進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控。加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)通過父節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過USB等傳送給上位機(jī)。

圖1 塔機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
 

二、無線通信技術(shù)在塔機(jī)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(jī)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(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。

1、ZigBee技術(shù)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)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(shí)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(jī)構(gòu)已經(jīng)開始無線通信技術(shù)在塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到單個(gè)塔機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)中，用于傳輸布置于塔機(jī)上的超聲傳感器節(jié)點(diǎn)信息的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，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(jìn)行二次開發(fā)。實(shí)驗(yàn)樣本為QTZ630系列塔機(jī)，根據(jù)塔機(jī)的真實(shí)高度在地面上水平布置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(zhǔn)確達(dá)到，信號(hào)傳輸距離滿足塔機(jī)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(diǎn)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(jī)的工作環(huán)境和塔機(jī)預(yù)警系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)要求。對基于ZigBee技術(shù)的塔機(jī)群控?zé)o線通信系統(tǒng)進(jìn)行研究，從塔機(jī)無線通信模塊的實(shí)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(yuǎn)距離通信速率為37236.36b/s，大于塔機(jī)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(xué)院研發(fā)的TSCMS系列塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)行無線通信實(shí)驗(yàn)，當(dāng)發(fā)送周期為15ms時(shí)出現(xiàn)丟包，仍可以滿足塔機(jī)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(jī)無線通信的需求。

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(fù)擔(dān)的費(fèi)用按其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用整個(gè)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(shí)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(dá)160Kbps。借助GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet無縫連接，通過塔機(jī)工作現(xiàn)場的GPRS模塊可將采集的參數(shù)信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)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(jī)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(jī)位置數(shù)據(jù)和工作參數(shù)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，后臺(tái)服務(wù)軟件讀取并顯示這些數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)視塔機(jī)的工作情況。

目前國內(nèi)很多高校和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對基于GPRS技術(shù)的塔機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究并已投入應(yīng)用。采用了通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)無線通訊方式，結(jié)合動(dòng)態(tài)服務(wù)器主頁(ASP)開發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于Web和GPRS的塔機(jī)遠(yuǎn)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(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和分析。濟(jì)南微控科技發(fā)展有限公司研發(fā)的塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)系統(tǒng)-GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控可廣泛應(yīng)用于各類起重機(jī)，實(shí)現(xiàn)對其工作狀況的實(shí)時(shí)安全保護(hù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)的GPRS傳輸。

三、塔機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)所面臨的問題及解決方案

1、面臨的問題

(1)ZigBee網(wǎng)絡(luò)考慮了網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)相隔一段時(shí)間都需要通過無線信號(hào)交流的方式重新組網(wǎng)，且每一次將信息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，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(shí)延。隨著施工現(xiàn)場塔機(jī)數(shù)量的增多，需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)目也隨之增加，可用速率將大大降低，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延也將大大增加，會(huì)對塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性產(chǎn)生影響。

(2)ZigBee技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間信息的互傳，理論上每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展，但是將一個(gè)信息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，需要較多的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，這會(huì)造成ZigBee網(wǎng)絡(luò)占用帶寬和傳輸時(shí)延的增加。雖可用放大器來增加ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離，但這必然會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(hào)質(zhì)量的影響，在傳輸數(shù)據(jù)的過程中存在一定的延時(shí)。若采用這種方式同時(shí)進(jìn)行多個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，各個(gè)采集點(diǎn)接受采集命令的時(shí)間有誤差，因此無法完成多個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)同步采集。

2、解決方案

在塔機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)中加入GPRS模塊，可解決遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸問題，同時(shí)大大減少ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，不會(huì)影響ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延，解決了上述前(2)個(gè)問題。采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便，其網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量基本不受外界影響，當(dāng)其向各個(gè)ZigBee終端發(fā)送采集命令時(shí)，各個(gè)終端能同時(shí)收到采集命令，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的同步數(shù)據(jù)采集，解決第(3)個(gè)問題。綜上，將GPRS技術(shù)和ZigBee技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行塔機(jī)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控，既能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸，又可解決多點(diǎn)的同步數(shù)據(jù)采集問題，而且通過GPRS模塊實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)，也可以將報(bào)警信號(hào)發(fā)送至手機(jī)終端上。

四、結(jié)語

本文分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在塔機(jī)上的應(yīng)用，結(jié)合了ZigBee和GPRS技術(shù)的特點(diǎn)，分析了目前塔機(jī)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)適用于單臺(tái)塔機(jī)和小范圍塔機(jī)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(jī)在計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一管理下，對諸多參數(shù)實(shí)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(jì)塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，具有良好的推廣價(jià)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(fèi)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(shí)時(shí)性。