摘  要： 為更好地對起重機(jī)工作狀況進(jìn)行監(jiān)控、減少安全事故的發(fā)生，給出了一個(gè)起重機(jī)三級智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。采用三級式監(jiān)控分布策略，設(shè)計(jì)一個(gè)以MC9S12DG128為核心的智能監(jiān)控器對現(xiàn)場工作的起重機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送到200 m外的局域監(jiān)控站。同時(shí)，總公司工作人員可通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程查看全國各地起重機(jī)的運(yùn)行狀況和視頻圖像。該系統(tǒng)低功耗、易擴(kuò)展、高安全性，對增強(qiáng)起重機(jī)安全性有一定的作用。

　　關(guān)鍵詞： 起重機(jī)監(jiān)控；MC9S12DG128；ZigBee節(jié)點(diǎn)；視頻監(jiān)控

0 引言

　　起重機(jī)是一種在一定范圍內(nèi)垂直升降重物的特殊工業(yè)設(shè)備，但是機(jī)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(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。技術(shù)人員可通過BrSWP%、SWP%、起重機(jī)運(yùn)行時(shí)間等特定參數(shù)來獲知起重機(jī)主要部件的老化及磨損程度。

　　傳統(tǒng)的起重機(jī)監(jiān)控器僅能監(jiān)測負(fù)載重量，為滿足現(xiàn)今工業(yè)發(fā)展的要求，需要監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測起重機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)、高速運(yùn)行時(shí)間等數(shù)據(jù)。同時(shí)，現(xiàn)階段的起重機(jī)安全監(jiān)控器多數(shù)安裝在起重機(jī)附近，不便查看且有一定的危險(xiǎn)性。若采用有線連接的方式將起重機(jī)運(yùn)行參數(shù)傳送到監(jiān)控室，則現(xiàn)場的布線、電磁場對弱點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)（WSN）的興起給工業(yè)控制領(lǐng)域帶來了新的契機(jī)，同時(shí)結(jié)合因特網(wǎng)可將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送到世界各地。

　　本文設(shè)計(jì)一個(gè)起重機(jī)三級監(jiān)控系統(tǒng)，包括現(xiàn)場監(jiān)控級、局域監(jiān)控級和遠(yuǎn)程監(jiān)控級，從而滿足了不同工作人員對起重機(jī)數(shù)據(jù)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(jī)監(jiān)控策略，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由現(xiàn)場級監(jiān)控層、局域級監(jiān)控層、遠(yuǎn)程級監(jiān)控層三部分構(gòu)成，從而滿足了不同用戶的需求。

　　（1）現(xiàn)場監(jiān)控級：即通過工作現(xiàn)場的起重機(jī)智能監(jiān)控器來查看數(shù)據(jù)。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(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如當(dāng)前負(fù)載、SWP%等值，從而實(shí)時(shí)掌握起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

　?。?）局域監(jiān)控級：通過ZigBee終端模塊采集起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器模塊，協(xié)調(diào)器模塊與上位機(jī)相連。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到幾百米外的局域監(jiān)測站以便技術(shù)人員查看，滿足工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際需求。

　?。?）遠(yuǎn)程監(jiān)控級：工作人員可通過因特網(wǎng)遠(yuǎn)程查看全國各城市起重機(jī)的工作情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障信息，從而給各城市起重機(jī)使用商提供技術(shù)指導(dǎo)，幫助他們及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，保障現(xiàn)場工作的安全。

2 現(xiàn)場監(jiān)控級設(shè)計(jì)

　　起重機(jī)現(xiàn)場監(jiān)控器功能主要包括負(fù)載噸位顯示、故障信息報(bào)警和運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄等。起重機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件采用MC9S12DG128作為核心處理芯片，整個(gè)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(jī)監(jiān)控器硬件結(jié)構(gòu)

　　2.1.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12DG128單片機(jī)，它擁有8 KB ROM、128 KB Flash、2 KB EEPROM、91個(gè)I/O端口、2個(gè)CAN總線接口和10位A/D轉(zhuǎn)換器。硬件配置既滿足了設(shè)計(jì)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(jī)監(jiān)控器開關(guān)電源將48 V交流電轉(zhuǎn)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(jìn)行交流電壓轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)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(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓。

　　2.1.3 三相電輸入調(diào)理電路

　　在對三相電進(jìn)行檢測之前，將三相電調(diào)理為直流偏置的正弦弱點(diǎn)信號，再對其進(jìn)行A/D采樣。三相電調(diào)理電路包括分壓電路、直流基準(zhǔn)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(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電流的電壓信息并傳送到單片機(jī)。重力傳感器經(jīng)信號放大器將起重機(jī)負(fù)載值的電壓信息輸入到單片機(jī)，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(qū)動(dòng)電路

　　起重機(jī)的升降允許動(dòng)作、加速允許動(dòng)作主要通過繼電器的吸合來控制。單片機(jī)I/O口提供的電流并不足以驅(qū)動(dòng)繼電器的吸合，所以本設(shè)計(jì)選用三極管MMBT5551作為其驅(qū)動(dòng)元件。

　　2.1.6 D/A輸出電路

　　采用的單片機(jī)內(nèi)部集成D/A模塊，并采用LM2904將單片機(jī)輸出的0~5 V模擬信號轉(zhuǎn)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(jī)監(jiān)控器軟件設(shè)計(jì)

　　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(jī)動(dòng)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(cuò)誤故障，在三相電接入無誤的情況下，等待動(dòng)作請求信號。系統(tǒng)一旦接收到動(dòng)作請求信號，即對動(dòng)作請求進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果發(fā)送至手持式終端進(jìn)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(shí)鐘初始化、配置I/O接口、串口初始化、A/D初始化和定時(shí)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(shí)器提供的一個(gè)單相周期0.02 s內(nèi)持續(xù)更新該相峰值電壓MAX和最小電壓MIN。檢測周期結(jié)束后計(jì)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(gè)端子，并規(guī)定圖的相序?yàn)檎_相序。尋找接入a端子一相的電壓峰值，找到后啟用計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。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(shí)間為tb、tc。若tb>tc，則表明相序錯(cuò)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(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用的MC9S12DG128微控制器置有兩個(gè)具備全雙工通信、波特率可編程設(shè)置、8個(gè)驅(qū)動(dòng)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(shù)據(jù)，在讀取SCI狀態(tài)寄存器和SCI數(shù)據(jù)寄存器后，接收器滿標(biāo)志自動(dòng)清除。

3 局域監(jiān)控級設(shè)計(jì)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]是由大量靜止或者移動(dòng)的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織、多跳的方式組成的無線網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)發(fā)給用戶。

　　3.1 ZigBee無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)使用的ZigBee[2]通信模塊選用射頻芯片CC2530，其內(nèi)部有2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)，適應(yīng)2.4 GHz IEEE802.15.4的RF收發(fā)器、微控制器和內(nèi)存。

　　本設(shè)計(jì)采用三類ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[3]：終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要包括終端節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控器、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的串口數(shù)據(jù)收發(fā)，以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間的無線通信。

　　該系統(tǒng)可同時(shí)對多臺起重機(jī)進(jìn)行檢測，所有終端節(jié)點(diǎn)采集的起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)都將匯集到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)除了有監(jiān)測的功能，也具有遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場監(jiān)控器的功能，可遠(yuǎn)程更新一些設(shè)置量，如超載百分比、啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間以及SWP%設(shè)置等。

　　3.2 延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離

　　IEEE組織根據(jù)802.15.4a信道的特點(diǎn)，構(gòu)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(jì)算公式為：

　　其中，Pr是接收機(jī)的功率，Pt是發(fā)射機(jī)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(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方差，d是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離，d0是參數(shù)距離，n是距離損耗為考慮頻率影響修正系數(shù)，fc是參考中心頻率。

　　對式（1）進(jìn)行推導(dǎo)，得出最大距離方程為：

　　下面通過設(shè)置不同的影響因素來得到各組數(shù)據(jù)，從而得出影響傳輸距離的主要因素，結(jié)果如表1所示。

　　從公式分析以及實(shí)際計(jì)算可以得出結(jié)論，延長ZigBee傳輸距離的方法包括增加ZigBee節(jié)點(diǎn)的收發(fā)天線增益、提高天線的架設(shè)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(wǎng)絡(luò)可將數(shù)據(jù)傳送到200 m外的局域監(jiān)控站，這一距離滿足起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的工業(yè)要求。

　　3.3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

　　3.3.1 串口收發(fā)數(shù)據(jù)格式

　　ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采集起重機(jī)監(jiān)控器中的數(shù)據(jù)，再通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行十六位制顯示，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

　　為了便于與監(jiān)控室上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互并防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失，規(guī)定數(shù)據(jù)頭為55，數(shù)據(jù)尾為兩個(gè)字節(jié)AA。數(shù)據(jù)頭后的第一個(gè)字節(jié)為起重機(jī)編號判斷位，表示該數(shù)據(jù)監(jiān)測的起重機(jī)編號。監(jiān)測數(shù)據(jù)包括22組，每組表示不同的數(shù)據(jù)，監(jiān)測項(xiàng)標(biāo)號為1 B，從00~21；其后為4 B的數(shù)據(jù)位，高位在前，低位在后。

　　3.3.2 數(shù)據(jù)解析與顯示

　　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)匯集了所有終端節(jié)點(diǎn)采集的起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，再通過串口發(fā)送給監(jiān)控室計(jì)算機(jī)。本系統(tǒng)采用美國國家儀器公司研發(fā)的LabVIEW軟件進(jìn)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(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)解析與顯示以及互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問。起重機(jī)現(xiàn)場監(jiān)控界面如圖4所示。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控級設(shè)計(jì)

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控級的設(shè)計(jì)可以讓全國各地工作人員能夠遠(yuǎn)程訪問監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)了解異地起重機(jī)的運(yùn)行情況。同時(shí)，通過現(xiàn)場攝像頭采集到的視頻圖像，工作人員還可以遠(yuǎn)程看到起重機(jī)工作的實(shí)時(shí)畫面。

　　4.1 LabVIEW Web服務(wù)器設(shè)計(jì)[4]

　　使用LabVIEW的Web服務(wù)器可以在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布LabVIEW程序前面板圖像供用戶遠(yuǎn)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(xiàng)”中選擇所需的VI文件；啟動(dòng)Web服務(wù)器，接著在“選擇HTML輸出”中寫入文檔標(biāo)題；最后，進(jìn)入“保存新網(wǎng)頁”界面，寫入文件名和URL。

　　4.1.2 瀏覽HTML文件

　　在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)Web瀏覽器中輸入U(xiǎn)RL，例如http：//127.0.0.1：8000/remote.html，測試所用的發(fā)布網(wǎng)頁計(jì)算機(jī)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(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5]

　　4.2.1 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)使用ARM開發(fā)板S3C2410來進(jìn)行基于嵌入式Linux的遠(yuǎn)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(nèi)核的16/32位RISC微處理器。本文在處理器豐富功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的功能擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)中使用Cirrus公司生產(chǎn)的應(yīng)用于嵌入式設(shè)備、價(jià)格低廉的以太網(wǎng)控制器芯片CS8900A，并采用ZC3OIP芯片的USB極速攝像頭。

　　4.2.2 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　針對硬件S3C6410對操作系統(tǒng)進(jìn)行修改和移植。vivi是一款適用于ARM9內(nèi)核的Bootloader，本設(shè)計(jì)對其進(jìn)行了具體的修改和移植，以適應(yīng)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(nèi)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(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。下面進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，利用Video4 Linux API函數(shù)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集，使用MJPEG壓縮算法完成視頻數(shù)據(jù)的壓縮。為完成視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，在Linux下完成基于TCP/IP協(xié)議的socket編程。最后設(shè)計(jì)了嵌入式Web服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)了基于瀏覽器/服務(wù)器模式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5 結(jié)論

　　本文將物聯(lián)網(wǎng)和因特網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于起重機(jī)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(shí)，本系統(tǒng)主要完成了以飛思卡爾單片機(jī)MC9S12DG128為核心的起重機(jī)現(xiàn)場監(jiān)控器的設(shè)計(jì)、基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以及以S3C2410為硬件核心的基于嵌入式Linux的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使用該系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)起重機(jī)的故障，提高工業(yè)生產(chǎn)效率、降低安全事故發(fā)生的可能性。該設(shè)計(jì)具有良好的設(shè)計(jì)性、廣闊的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。

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