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技术文献:无线传感器网络在塔式起重机监控系统中的研究与及应用
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该篇文章主要讲述的是基于无线传感网络的塔式起重机监控系统结构。对ZigBee技术和GPRS技术在当前塔机监控系统中的应用研究现状以及存在的问题做出具体分析,指出将ZigBee技术和GPRS技术相结合应用在塔机无线监控系统中的优势,为塔机无线监控指出发展趋势和研究方向。

同一施工现场往往同时布置多台近距离交叉作业的塔机,塔机与塔机之间、塔机与建筑物之间互相碰撞的事故时有发生。同时,由于塔机结构的特殊性,重心高、臂架长,启动和制动频繁,是一种极易发生事故的设备,国内外每年都会发生塔倒人亡的重大安全事故。塔机事故主要是使用和维护方面的原因引发的,约占70%,主要是安全管理不严格,违章或错误操作,安全装置失效,不合理的维修保养等,此种事故的随机性大、种类多、情况复杂,较难控制。完善安全监控系统能够及时发现塔机关键部件的故障,防止重大事故的发生,提高塔机的工作效率和安全性能。

传统的塔机监控系统采用有线通信方式,传感器与塔机控制台、塔机控制台与施工现场控制中心采用有线连接,施工周期长、连接困难,一旦塔机移动或增减塔机,需花费较多时间和费用进行网络改造,无法满足复杂环境下实时性、可靠性的通信要求。而无线传感器网络具有动态拓扑、自组织网络、多路由等特点,可以克服特殊地理和气候环境的障碍,且易于扩展,具有传统有线监控系统无法比拟的灵活性。基于以上优点,将无线传感器网络技术应用到塔机群监控系统中,具有良好的应用前景。

一、基于无线传感器网络的塔机监控系统的结构

塔机无线监控系统主要组成部分如图1所示。为管理大量无线网络节点,需创建一个树形结构,将来自终端节点、路由节点和网关节点的信息回传到中央控制点。借助个人局域网(PAN)协调器,用户可通过中央控制点对系统实施监测和控制。首先网关节点作为个人局域网协调器建立一个无线传感网络,然后由多个路由器加入这个无线传感网络;其次放置在塔机关键部位、专门获取塔机工作过程中故障信息的多个传感器终端节点,通过路由器或作为网关的子节点加入网络。传感器终端节点采集各个塔机的工作参数,通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号,将处理后的数据通过RS232串口发送给无线模块,同时也可以由无线模块接收主控系统发送的控制信号,进行设备监控。加入无线传感器网络的终端节点通过父节点的路由器或者直接把预警系统所需的数据信息发送给网关节点,再由网关节点通过USB等传送给上位机。


图1 塔机无线监控系统网络结构示意图

二、无线通信技术在塔机监控系统中的研究与应用现状

无线通信技术作为无线传感器网路的关键技术,在塔机监控系统中发挥重要作用,其中Zig-Bee技术和GPRS技术是塔机无线监控系统的研究重点。

1、ZigBee技术

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议,是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于传输距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间的数据传输,以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。国内ZigBee技术的研究起步比较晚,随着无线通信技术大趋势的发展,很多高校和研究机构已经开始无线通信技术在塔机监控系统的研究和应用。将ZigBee技术应用到单个塔机的监控系统中,用于传输布置于塔机上的超声传感器节点信息的无线传感网络的设计,ZigBee无线通信模

块硬件使用TI公司生产的CC2530芯片,在软件方面对TI公司最新的Z-Stack-CC2530-2.2.2版本的协议栈进行二次开发。实验样本为QTZ630系列塔机,根据塔机的真实高度在地面上水平布置网络节点获取数据。结果表明在没有大干扰源的室外工况,100~200m范围内数据能准确达到,信号传输距离满足塔机预警系统的数据传输要求。而且CC2530与Z-Stack协议栈的结合,给节点提供了更加智能化的工作模式,自适应与自愈合的网络特性和安全与鉴权功能更加适合塔机的工作环境和塔机预警系统对网络的各项要求。对基于ZigBee技术的塔机群控无线通信系统进行研究,从塔机无线通信模块的实际工作参数要求入手,通过通信性能测试,获得在模拟建筑物干扰环境下的远距离通信速率为37236.36b/s,大于塔机群通信速率要求的16000b/s,置信度95%下误码率为零。选用中国建筑科学院研发的TSCMS系列塔机安全监控管理系统进行无线通信实验,当发送周期为15ms时出现丢包,仍可以满足塔机群无线通信周期小于等于25ms的要求。完成监控系统与ZigBee模块接口通信,证明ZigBee模块完全能够满足塔机无线通信的需求。

2、GPRS技术

GPRS是通用分组无线服务技术的简称,它以封包式传输,因此使用者所负担的费用按其传输资料单位计算,并非使用整个频道,理论上较为便宜。GPRS通信充分利用现有的网络资源,可以实现数据高速、大容量传输,高速数据传输最大可达160Kbps。借助GPRS网络与Internet无缝连接,通过塔机工作现场的GPRS模块可将采集的参数信息传输到远端置于Internet上的监控端,只要是GPRS网络覆盖的地方,都在可监控的范围之内。塔机工作状态数据由GPRS无线通信模块发送到GPRS无线通信网络上,GPRS网络根据相应的协议在智能终端和接入Internet的监控中心之间建立一条支持TCP /IP协议的数据通道,监控中心把通过这条通道传送来的塔机位置数据和工作参数信息存储到数据库中,后台服务软件读取并显示这些数据,实时监视塔机的工作情况。

目前国内很多高校和研究机构已经对基于GPRS技术的塔机无线监控系统进行了深入的研究并已投入应用。采用了通用分组无线业务(GPRS)无线通讯方式,结合动态服务器主页(ASP)开发技术,设计了一种基于Web和GPRS的塔机远程监控系统,用户可以通过浏览器访问数据库,对数据进行实时的监控和分析。济南微控科技发展有限公司研发的塔机安全监控管理系统系统-GPRS远程监控可广泛应用于各类起重机,实现对其工作状况的实时安全保护监测和数据的GPRS传输。

三、塔机无线监控系统所面临的问题及解决方案

1、面临的问题

(1)ZigBee网络考虑了网络中的节点数量变化,所以每个节点相隔一段时间都需要通过无线信号交流的方式重新组网,且每一次将信息从一个节点发送到另一个节点时,需要扫描各种可能的路径,而这些需要占用大量的带宽,并增加数据传输时延。随着施工现场塔机数量的增多,需要的节点数目也随之增加,可用速率将大大降低,数据传输时延也将大大增加,会对塔机监控系统的实时性产生影响。

(2)ZigBee技术通过网络节点之间信息的互传,理论上每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展,但是将一个信息从一个节点传输到远处的另一个节点,需要较多的节点进行数据中转,这会造成ZigBee网络占用带宽和传输时延的增加。虽可用放大器来增加ZigBee网络节点的传输距离,但这必然会增加网络节点的功耗和成本,失去了ZigBee低成本、低功耗的优势。

(3)GPRS受GSM网络信号质量的影响,在传输数据的过程中存在一定的延时。若采用这种方式同时进行多个点的数据采集,各个采集点接受采集命令的时间有误差,因此无法完成多个采集点的数据同步采集。

2、解决方案

在塔机无线监控系统中加入GPRS模块,可解决远程数据传输问题,同时大大减少ZigBee网络节点数量,不会影响ZigBee网络的传输时延,解决了上述前(2)个问题。采用ZigBee网络组网方便,其网络信号质量基本不受外界影响,当其向各个ZigBee终端发送采集命令时,各个终端能同时收到采集命令,从而实现多点的同步数据采集,解决第(3)个问题。综上,将GPRS技术和ZigBee技术相结合,进行塔机远程无线监控,既能实现远程无线数据传输,又可解决多点的同步数据采集问题,而且通过GPRS模块实时将数据上传至网络,也可以将报警信号发送至手机终端上。

四、结语

本文分析了无线传感器网络技术在塔机上的应用,结合了ZigBee和GPRS技术的特点,分析了目前塔机监控系统的研究现状和发展趋势。得出结论:基于ZigBee技术的塔机监控系统适用于单台塔机和小范围塔机群的无线监控;而将GPRS技术和ZigBee技术相结合便可以满足在不同区域大范围内的塔机在计算机的统一管理下,对诸多参数实施同步监测、协调处理和综合判断。由此可见,采用GPRS和ZigBee技术共用的方案设计塔机监控系统,具有良好的推广价值和广阔的应用前景。随着3C网络的普及3G网络费用的降低,可以尝试把本系统中的GPRS模块换成3G模块,以加快网络的传输速度,提高系统实时性。

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