一种基于无线传感器网络的塔吊安全监测装置的制作方法

2021-02-17 22:02:52|

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[0001]
本实用新型涉及安全监测技术领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的塔吊安全监测装置。

背景技术：

[0002]
塔吊，即塔式起重机的简称，是一种起重臂安装于塔机顶部、进行非连续性搬运工作的重型机械，是应用于大型建筑工程中最常用的起重设备。主要用于建筑施工材料和大型施工设备的运输与转移，具有安装拆卸方便、施工便捷、节省人力等特点。
[0003]
近几十年来，随着经济建设和社会需求的增长，建筑业蓬勃发展，大型高层建筑设施工程数量巨大。塔吊以其区别于其它机械设备的众多优点广泛应用于大型工程建筑场所。随着塔吊数量的不断增加，人们对塔吊操作安全问题也越来越关注。目前塔吊的操作主要是由操作人员在高达几十米甚至上百米的顶部操作室操控，由于塔吊的智能化程度不够以及高空作业的局限性，使得塔吊安全事故频发。
[0004]
关于塔吊的安全监控系统，早期主要是采用机械化手段，灵活性及可靠性低。近年来，大量塔吊安全事故的发生引起了人们对塔吊安全问题的广泛关注，有关塔吊安全监控系统的产品也逐渐增多，功能也越来越丰富。李金兰的嵌入式塔吊安全监测与通信系统设计采用arm处理器与fpga结合的方式，实现多路数据的高速并行采集，能够尽可能多的采集到塔吊的工作状态信息，并将所得数据进行处理、保存和上传，系统具有成本低、实时性好、可靠性强等优点。路彦刚的基于stm32的塔吊监控系统设计，将zigbee无线传感技术、μc/os-iii系统、stemwin界面编程结合在一起并联网组成了一套监控系统，及时得到塔吊的运行状态，并采取相应措施，系统可靠性较强。崔楠的基于arm9的嵌入式塔式起重机无线监测控制系统，采用串行通信技术实现操作系统与arduino单片机之间的实时通信，通过无线通讯技术实现远程控制塔式起重机的运行状态、监测塔机实时状态信息的功能。何文豪设计了一款高度集成的电气控制系统方案。采用传感器，遥控器，联动操作台等采集塔式起重机相关信息，利用imca4040g plc控制器作为主控制模块进行精细控制。由触摸屏动态显示，并通过gprs终端将信息传递到远程物联网监控平台，由物联网平台对塔式起重控制系统进行远程操作。以上设计已经能够实现较为丰富的功能，但还是不够全面，如监测功能的单一性，对参数只能够实时采集并采取相应的措施，缺少数据预警性；以及大部分都是利用传感器检测塔吊工作时的参数，但是塔吊机器维修保养依然是靠人工记录相应日期，灵活性较低。
[0005]
针对现有技术中所存在的问题，提供一种基于无线传感器网络的塔吊安全监测装置。

技术实现要素：

[0006]
本实用新型的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于无线传感器网络的塔吊安全监测装置。
[0007]
为了实现以上目的，本实用新型采用以下技术方案：
[0008]
一种基于无线传感器网络的塔吊安全监测装置，包括数据采集单元、数据传输单元以及数据决策单元；所述数据采集单元、数据传输单元以及数据决策单元依次连接；所述数据采集单元包括数据采集传感器；所述数据传输单元包括zigbee终端和zigbee协调器；所述数据决策单元包括上位机和第一报警模块；
[0009]
所述数据采集传感器，用于采集塔吊的数据信息，并将采集到的数据信息发送至zigbee终端；
[0010]
所述zigbee终端，用于接收数据采集传感器发送的数据信息，并将所述数据信息通过无线形式发送至zigbee协调器；
[0011]
所述zigbee协调器，用于接收zigbee终端发送的数据信息，并通过串口通信方式将所述数据信息发送至上位机；
[0012]
所述上位机，用于判断接收到的数据信息是否达到预设预警值或者塔吊机器是否达到定期维护或更换的条件；
[0013]
所述第一报警模块，用于根据上位机的判断结果进行报警；所述判断结果为接收到的数据信息达到预设预警值或者塔吊机器达到定期维护或更换的条件。
[0014]
进一步的，所述上位机还用于将判断结果通过zigbee协调器发送至zigbee终端。
[0015]
进一步的，所述数据采集单元还包括第二报警模块，所述第二报警模块与zigbee终端连接；
[0016]
所述第二报警模块，用于接收zigbee终端发送的控制命令，并进行报警。
[0017]
进一步的，所述数据采集单元还包括射频识别模块，所述射频识别模块用于识别塔吊的身份标签，并将识别到的身份标签发送至zigbee终端。
[0018]
进一步的，所述数据采集传感器包括重量传感器和倾角传感器；
[0019]
所述重量传感器，用于采集塔吊的重量；
[0020]
所述倾角传感器，用于测量塔吊塔身的倾斜角。
[0021]
进一步的，所述zigbee终端采用第一cc2530单片机；所述zigbee协调采用第二cc2530单片机。
[0022]
进一步的，所述射频识别模块安装于塔吊上；所述射频识别模块包括读写器、读卡器；所述读写器用于记录塔吊的身份标签；所述读卡器用于读取所述读卡器记录的身份信息，并将所述读取的身份信息发送至zigbee终端；所述读卡器采用mfrc523芯片。
[0023]
进一步的，所述重量传感器和倾角传感器均安装于塔吊机身的不同位置；所述重量传感器采用轴销传感器；所述倾角传感器采用的芯片为mpu-6050。
[0024]
进一步的，所述第一报警模块和第二报警模块均为集成式声光一体报警器；所述第一报警模块和第二报警模块均包括三极管q3、mosfet管q6、声光报警器；所述三极管q3的集电极与mosfet管q6的g脚联接，所述mosfet管q6的d脚与声光报警器连接；三极管q3的集电极输出控制信号给mosfet管q6，mosfet管q6控制声光报警器进行报警。
[0025]
进一步的，还包括供电电路单元，用于分别为重量传感器、第一报警模块、第二报警模块、倾角传感器、第一cc2530单片机以及射频识别模块供电；
[0026]
所述供电电路单元采用的芯片包括lm5160-5芯片、tps54160芯片；所述lm5160-5芯片用于为重量传感器、第一报警器模块以及第二报警模块供电；所述tps54160芯片用于
为倾角传感器、第一cc2530单片机以及射频识别模块供电。
[0027]
与现有技术相比，本实用新型的优点及积极效果如下：
[0028]
(1)本实用新型的检测终端使用传感器对吊重及塔身倾斜角度进行数据采集及处理，给工作人员提供全面的参考；
[0029]
(2)本实用新型通过无线通信技术将传感器采集的数据上传到主控中心，实现在线实时管理；
[0030]
(3)本实用新型预先设定参数安全阈值，且实时检测各项运行参数，当超过限定值时本地报警并做违章操作上报；定期对传感器上传的历史数据进行分析，动态调整参数预警值，当采集到的数据超过预设阈值时，会自动发出警报，可以及时做好报警及预警等功能，降低事故发生的概率；
[0031]
(4)本实用新型预先存储机器规定维修保养及器件更换提醒时间，每到维保日期，检测终端发送信息到计算机进行提醒；安规规定的机器工作总时间(寿命)到后，检测终端本地提示与报警，并发送到上位机，提醒寿命到，不能继续使用，确保机械设备处于良好的技术状态运行。
附图说明
[0032]
图1为一种优选实施例的一种基于无线传感器网络的塔吊安全监测装置结构图；
[0033]
图2为一种优选实施例的cc2530单片机电路原理示意图；
[0034]
图3为一种优选实施例的cc2530单片机与计算机连接电路图；
[0035]
图4为一种优选实施例的射频识别模块原理图；
[0036]
图5为一种优选实施例的重量传感器电路原理图；
[0037]
图6为一种优选实施例的倾角传感器电路原理图；
[0038]
图7为一种优选实施例的报警模块原理图；
[0039]
图8为一种优选实施例的供电电路模块电路图；
[0040]
图9为一种优选实施例的上位机软件流程图；
[0041]
图10为一种优选实施例的zigbee协调器软件流程图；
[0042]
图11为一种优选实施例的zigbee协调器工作流程图；
[0043]
图12为一种优选实施例的zigbee终端节点工作流程图。
具体实施方式
[0044]
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0045]
需要说明的是，本实施例是对机械结构及电路构造进行的改进，对于本实用新型所涉及的如何采集数据、发送数据、接收数据等方法并不是本实用新型所要保护的内容，其均可以通过现有的技术实现。
[0046]
如图1-12所示，本实施例提供的一种基于无线传感器网络的塔吊安全监测装置，
包括数据采集单元11、数据传输单元12以及数据决策单元13；数据采集单元11、数据传输单元12以及数据决策单元13依次连接；其中数据采集单元11包括数据采集传感器、射频识别模块111、第二报警模块114；数据传输单元12包括zigbee终端121和zigbee协调器122；数据决策单元13包括上位机131和第一报警模块132；
[0047]
数据采集传感器，用于采集塔吊的数据信息，并将采集到的数据信息发送至zigbee终端121；
[0048]
射频识别模块111，用于识别塔吊的身份标签，并将识别到的身份标签发送至zigbee终端121；
[0049]
zigbee终端121，用于接收数据采集传感器发送的数据信息，并将所述数据信息通过无线形式发送至zigbee协调器122；
[0050]
zigbee协调器122，用于接收zigbee终端121发送的数据信息，并通过串口通信方式将所述数据信息发送至上位机131；
[0051]
上位机131，用于判断接收到的数据信息是否达到预设预警值或者塔吊机器是否达到定期维护或更换的条件；
[0052]
第一报警模块132，用于根据上位机的判断结果进行报警；所述判断结果为接收到的数据信息达到预设预警值或者塔吊机器达到定期维护或更换的条件。
[0053]
上位机131还用于将判断结果通过zigbee协调器发送至zigbee终端。
[0054]
第二报警模块114与zigbee终端连接；第二报警模块114用于接收zigbee终端发送的控制命令，并进行报警。
[0055]
关于无线传输技术
[0056]
zigbee是一组基于ieee802.15.4无线标准协议开发的面向应用软件的技术标准。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，主要适用于自动控制和远程控制领域，它具有强大的组网能力，可以通过拓扑结构中的主节点来管理子节点,从而延伸单个节点的传输范围可嵌入各种设备。
[0057]
本实施例采用zigbee无线传输技术，通过zigbee终端收集传感器采集的数据，并无线发送至zigbee协调器，由zigbee协调器通过串口将数据上传至上位机，并接收上位机的下发控制命令，无线传输至zigbee终端后，执行相应控制命令。
[0058]
zigbee终端通过无线射频技术获得塔吊机器相关信息本地存储后通过zigbee协调器将机器信息发送至上位机，zigbee终端设置提醒功能：机器每至维保日期时，由zigbee终端发送信息至上位机进行提醒；机器使用期满时，zigbee终端本地提示与报警，并发送信息至上位机，提醒寿命到，不能继续使用。
[0059]
在本实施例中，zigbee终端121采用第一cc2530单片机；zigbee协调122采用第二cc2530单片机
[0060]
其中，cc2530单片机是用于2.4ghz频段、ieee 802.15.4标准、zigbee技术及rf4ce应用的片上系统解决方案，能够方便迅速地建立强大的网络节点。具有多种低功耗工作模式，尤其适应超低功耗要求的系统，能进一步确保低能源消耗。cc2530单片机工作电压为2.0v-3.6v，最大输出电流为20ma，在不同低功耗工作模式下的最小功耗也各不相同，最小可降低至1ua
[0061]
本实施例中zigbee协调器122采用第二cc2530单片机，由上位机直接供电，使用
zigbee协调器接收zigbee终端发来的数据通过串口形式发送至上位机，并接收上位机下发的控制指令并发送至zigbee终端，如图2所示，其支持低电平复位，外部连接2个晶振，频率分别为32mhz、32768khz，3.3v电源设计有多个滤波电容旁路，保证供电更稳定，引脚rf_p、rf_n通过电容、电感电路连接棒状天线e1，引脚p1_0、p1_1分别连接d1、d5led指示灯，用于入网状态、工作状态显示，低电平亮。cc2530单片机与计算机的接口电路采用pl2303芯片为核心，cc2530单片机与计算机连接电路图如图3所示，pl2303是usb转ttl串口的电平与逻辑转换芯片，pc机的usb口通过该接口电路的txd、rxd及gnd引脚，与cc2530的串口实现连接。
[0062]
zigbee终端121节点采用cc2530单片机，由12v锂电池经过电源电路处理后，以3.3v供电。使用zigbee终端接收传感器采集的塔吊工作时的相关参数，以无线形式发送至zigbee协调器，并接收经由zigbee协调器下发的控制命令。除此之外，接收射频识别模块获得的塔吊机器相关信息，进行本地存储后通过zigbee协调器并发送至上位机，zigbee终端设置提醒功能，当机器到维保日期时或者需更换器件时，zigbee终端本地提示与报警，并发送信息至上位机，提醒寿命到，不能继续使用。其中，zigbee终端为一个或多个。
[0063]
关于rfid技术
[0064]
rfid无线射频识别技术，主要包括电子标签和阅读器两部分。电子标签内存储一定格式的电子数据，以此作为待识别物体的标识性信息。应用中电子标签被附着在待识别物体上，作为待识别物体的“身份证”。当带有电子标签的物品进入阅读器辐射范围时，即可远距离、非接触地读出电子标签的信息。
[0065]
在本实施例中，射频识别模块111安装于塔吊上；射频识别模块包括读写器、读卡器；读写器用于记录塔吊的身份标签；读卡器用于读取所述读卡器记录的身份信息，并将读取的身份信息发送至zigbee终端。
[0066]
采用rfid无线射频识别技术，需在每个塔吊上安置rfid读写器，标签中记录塔吊身份标签，包括厂家名称，出厂日期，首次进场使用日期，维保周期，读卡器读取到对应信息之后发送至zigbee终端存储起来。其中射频识别模块为一个或多个。
[0067]
射频识别模块111采用rfid无线射频识别技术，通过在每个塔吊上安置rfid读写器，标签中记录塔吊身份标签，包括厂家名称，出厂日期，首次进场使用日期，维保周期，读卡器读取到标签对应信息之后发送至zigbee终端存储起来。
[0068]
射频读卡器模块采用nxp公司生产的mfrc523芯片模块，该芯片具有高度集成的非接触式(13.56mhz)低功耗读写功能,在无需其他电路的情况下可通过内部发送器部分驱动读写器天线在iso 14443a/mifare卡与应答机之间通信，本实施例使用spi接口与zigbee终端通信。射频识别模块原理图如图4所示，avdd、dvdd、pvdd、tvdd引脚均连接3.3v，avss、dvss、pvss、tvss引脚均连接gnd，mfrc523外围连接晶振采用27.12mhz(x2)，通过spi接口与cc2530单片机连接，引脚31、30、29分别连接cc2530的miso、mosi、sck引脚，tx1引脚连接2.2uh电感(l1)等器件与天线连接。
[0069]
关于传感器技术
[0070]
传感器由敏感元器件和转换器件两部分组成。传感器是物联网的基础单元，是获取信息的关键部件。传感器通过敏感元件对周边环境进行检测，通过动态自组织方式协同地感知和采集网络分布区域的各种对象的信息，捕捉热电、光电、磁电等各类信号的变化，并向上层网络传输数据，同时能接受上层网络的指令，实现自动检测和自动控制的功能。
[0071]
在本实施例中，数据采集传感器包括重量传感器112和倾角传感器113；
[0072]
重量传感器112，用于采集塔吊的重量；
[0073]
所倾角传感器113，用于测量塔吊塔身的倾斜角。
[0074]
重量传感器和倾角传感器均安装于塔吊机身的不同位置；重量传感器采用轴销传感器；倾角传感器采用的芯片为mpu-6050
[0075]
本实施例主要使用了重量传感器以及倾角传感器，安装于塔吊机身的不同位置，重量传感器以及倾角传感器为一个或多个，实时采集塔吊工作中的起重量以及倾角数据并发送至zigbee终端。
[0076]
重量传感器112是将重量信号转换成电信号，在吊重系统中被广泛使用。系统选用了轴销传感器来测量吊重，电路原理如图5所示，图中设计了有电阻r45、电阻r46、电阻r47、电阻r48连接组成的电桥，u1为参考电压，当重量发生变化时则引起电阻应变片r48的阻值发生变化，进而引起u2变化，将u1、u2分别经过电阻r50和电阻r52分压处理、电阻r51和电阻r53分压处理，其中分压比均为1/3，然后分别送入cc2530的adc1、adc2两个模拟量转数字量转换通道，然后根据相关公式，可计算得到吊重值。
[0077]
倾角传感器113是对塔吊塔身的倾斜角进行测量，可以有效的预防由于塔身倾斜所引起的倾倒事故。本系统采用高精度倾角传感器，核心芯片采用mpu-6050，电路结构图如图6所示，通过i2c(引脚23、24)接口连接cc2530的scl、sda引脚，ad0引脚接到gnd，regout引脚通过0.1uf电容(c78)与gnd连接，引脚cpout通过2200pf电容(c80)与gnd连接。传感器内置高精度倾角测量单元，通过测量静态重力加速度，转换成倾角变化，从而可以测量传感器输出相对于水平面的倾斜和俯仰角度。
[0078]
在本实施例中，第一报警模块132和第二报警模块114均为集成式声光一体报警器；第一报警模块和第二报警模块均包括三极管q3、mosfet管q6、声光报警器；所述三极管q3的集电极与mosfet管q6的g脚联接，所述mosfet管q6的d脚与声光报警器连接；三极管q3的集电极输出控制信号给mosfet管q6，mosfet管q6控制声光报警器进行报警。
[0079]
报警模块电路图如图7所示。当传感器采集的数据超过预先设定值时，控制报警模块开始报警。本实施例以第二报警模块为例进行说明，第二报警模块采用12v集成式声光一体报警器，并通过三极管驱动mosfet进行控制。cc2530的p0_1(con1)引脚通过1kω电阻(r49)连接三极管q3(s8050)的基极，q3的发射极接gnd，q3集电极输出信号连接场效应管q6(irf840)的g极，q6的d、s极间设计有续流二极管d3(1n5407)，一体式报警器连接于12v正极与q6的d极之间。当con1输出低电平，q3截止，其集电极输出高电平，q6导通，于是报警器启动工作；反之，则停止工作。三极管的基极通过1k电阻连接到zigbee终端的con1引脚，然后三极管q3集电极输出控制信号给q6，这样就可以控制报警器工作。
[0080]
在本实施例中，还包括供电电路单元，用于分别为重量传感器、第一报警模块、第二报警模块、倾角传感器、第一cc2530单片机以及射频识别模块供电
[0081]
供电电路模块电路图如图8所示，采用12v锂电池进行供电，通过lm5160-5进行降压，将12v转换为5v，在12v输入端，设计了c63、c64、c65 3个滤波电容，滤除输入电压的杂波等干扰信号，保证输入电压稳定。agnd、pgnd、pad 3个引脚都接到gnd，sw引脚连接47uh的电感(l5)等器件，输出5v稳恒电压。
[0082]
通过tps54160，将12v转换为3.3v，在12v输入端，设计了c73、c74、c75 3个滤波电
容，滤除输入电压的杂波等干扰信号，保证输入电压稳定。ph引脚连接10uh的电感(l6)等器件，输出3.3v稳恒电压。ph引脚与gnd引脚间连接有稳压管b220a(d2)。
[0083]
其中12v给重量传感器、第一报警器模块以及第二报警模块供电；3.3v给倾角传感器、第一cc2530单片机以及射频识别模块供电。
[0084]
在本实施例中，上位机为pc端等软件，pc上位机软件是系统的主控平台，完成人机交互功能。
[0085]
pc上位机控制系统主要进行数据接收、数据存储及数据决策操作，其流程如图9所示。
[0086]
控制系统软件运行后，打开串口，等待zigbee协调器数据上传和用户操作。当上传数据超过预先设定值、机器到达维护日期或者机器使用期满时，下发控制命令，提醒工作人员进行相应检查工作。
[0087]
在本实施例中，zigbee协调器是整个无线传感器网络的创建者和控制者，负责网络的创建、入网控制、网络监听和指令控制等。zigbee协调器软件流程图如图10所示。zigbee协调器成功创建网络后，通过网络扫描，发现待入网节点，根据入网请求帧判断是否应允新节点加入网络；zigbee协调器通过接收zigbee终端节点发送的传感器检测数据并上传至上位机；zigbee协调器利用广播、组播或单播方式将控制命令发送至网络中各节点，达到控制网络节点的作用。
[0088]
zigbee协调器的工作流程图如图11所示，首先进行系统初始化，并建立无线网络，实时判断是否接收到上位机发送的指令和/或判断是否接收到zigbee终端的发送的节点数据，若接收到至少一个信息，进行下一步操作。
[0089]
在本实施例中，zigbee终端节点设计，无线网络建立后，zigbee终端与zigbee协调器实现通信，其工作流程图如图12所示。将传感器采集的数据以及通过射频识别模块获得的机器信息写入内存单元的同时将数据发送至zigbee协调器，等待zigbee协调器指令：
[0090]
(1)当传感器数据超过预先设定值时，上位机下发控制命令至zigbee协调器，终端收到来自zigbee协调器的控制命令后，控制第二报警模块报警；
[0091]
(2)当机器到达维修期或者使用期满时，开始报警，并发送报警信息值zigbee协调器，由zigbee协调器通过串口传递至上位机，提醒工作人员进行相应维修操作。
[0092]
本实施例采用上述软硬件的具体实现方案为由zigbee终端收集传感器采集塔吊的起重量、倾角数据以及通过射频识别模块获得的塔吊机器相关信息，并以无线形式发送至zigbee协调器；zigbee协调器以串口通信方式将数据发送至上位机，由上位机进行判断，当传感器采集到的数据达到设定的预警值时或者机器达到定期维护或者更换条件时，开启第一报警模块，并将该控制命令下发至zigbee终端，使zigbee终端控制第二报警模块完成本地报警功能。
[0093]
本实施例不仅可以在本地进行报警，还可以在上位机端进行报警，使得处于上位机端的工作人员以及处于塔吊处的工作人员均可及时收到报警信息。
[0094]
传统塔吊安全监测系统通过对塔吊工作时使用传感器对机器相关参数进行监测判断，当超过设定值时，开始报警。但塔吊工作环境复杂，机器容易出现由于使用时间过长导致的磨损现象，因此单一固定的预警值的设定以及针对传感器采集的实时数值进行分析判断的方式，均存在报警信息误报及延迟的问题。
[0095]
通过以上分析，系统采用基于自适应加权和卡尔曼滤波的塔吊智能预警方法，通过定期提取重量传感器及倾角传感器报警时的数据，对其进行自适应加权，得出最优融合值，以此动态调整两个传感器的预警值。并利用卡尔曼滤波算法对采集到的实时重量值及倾角值进行在线分析及预测，得到当前时刻最优估计值及下一时刻的预测值，以此提高塔吊的安全性能指数，降低塔吊发生事故的概率。
[0096]
本实施例采取的基于无线传感器网络的塔吊安全监测系统，使用传感器对塔吊的起重量以及倾斜角度进行实时采集，监测数据通过zigbee无线传输技术上传至主控中心，实现在线实时管理；采用rfid无线射频识别技术，记录机器相关使用信息，定期维修提醒以及定期更换器件，保证机器“健康”运作；除此之外利用自适应加权和卡尔曼滤波算法对历史数据进行分析决断，定期更改机器报警值，提高机器运作的安全性能指数。项目整体技术先进，功能强大，实施方便，具有值得预期的市场推广前景。
[0097]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

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