張敏三，劉海龍

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院 湖南 株洲 412000）

基于M odbus/TCP協(xié)議的塔式起重機無線監(jiān)控系統(tǒng)

張敏三，劉海龍

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院 湖南 株洲 412000）

針對塔式起重機分布式、高效及安全運行的作業(yè)需求，設計了基于Modbus/TCP協(xié)議的塔機無線監(jiān)控管理系統(tǒng)。以Cortex A8、WinCE6為平臺設計系統(tǒng)監(jiān)控前端，對塔機運行的狀態(tài)信息實時監(jiān)控。采用Modbus/TCP協(xié)議設計了無線通訊報文，通過GPRS與遠程管理中心雙向通信，實現(xiàn)對塔機群的遠程監(jiān)控和統(tǒng)一管理?，F(xiàn)場運行證明系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，具有良好的應用前景。

Modbus協(xié)議；嵌入式系統(tǒng)；TCP/IP無線通信；智能監(jiān)控

塔式起重機（簡稱塔機）是現(xiàn)代施工中必不可少的關(guān)鍵設備，其運行工況復雜、高空作業(yè)且操作難度大，極易引發(fā)重大安全事故。近年來，隨著國家經(jīng)濟建設的發(fā)展及塔機在施工中的廣泛應用，塔機事故頻發(fā)，且呈逐年上升趨勢［1］。在現(xiàn)場施工中，為提高工作效率，經(jīng)常有塔機單位違規(guī)連續(xù)超載作業(yè)和塔機超齡使用等問題，大大增加了塔機事故的風險。國標GB/T5031-2008規(guī)定：起重機械必須強制安裝安全監(jiān)控裝置，須對塔機的工作狀態(tài)、額定能力及危險因素進行監(jiān)控與記錄，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)實時發(fā)布至遠程監(jiān)管中心平臺［2］。因此，開發(fā)低成本、穩(wěn)定高效的塔機無線監(jiān)控系統(tǒng)對于塔機應用安全領(lǐng)域具有重要意義。

系統(tǒng)主要針對影響塔機作業(yè)安全的重要參數(shù)如傾斜角度、防碰撞信息、吊重、力矩、幅度、高度、風速等參數(shù)進行實時監(jiān)控與管理，通過人機界面給塔機操作人員提供參考，并起到“黑匣子”功能；采用GPRS模塊通過TCP/IP方式實現(xiàn)與遠程監(jiān)管中心無縫鏈接，管理人員可通過Internet在線實現(xiàn)對轄區(qū)內(nèi)所有塔機的實時監(jiān)控與統(tǒng)一管理。

1　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)主要由塔機監(jiān)控終端、遠程監(jiān)控管理中心及TCP/IP無線網(wǎng)絡3部分組成。監(jiān)控終端采用ARM Cortex A8為核心CPU，主要對塔機運行傳感器數(shù)據(jù)進行實時采集與處理，通過UARTRS485連接的GPRS模塊采用TCP/IP方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程監(jiān)控中心平臺；遠程監(jiān)控中心綁定有固定的IP地址和端口號，通過Internt網(wǎng)絡接收和管理GPRS發(fā)送來的監(jiān)控數(shù)據(jù)，并負責發(fā)送管理人員的操作指令給相應的塔機終端；TCP/IP無線網(wǎng)絡采用標準工業(yè)MODBUS通信協(xié)議，在保證數(shù)據(jù)安全及穩(wěn)定性的基礎上具有良好的延展性，非常適用于復雜的現(xiàn)場工況，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)設計

硬件平臺采用ARM9 Cortex A8微處理器為核心CPU，主要由傳感器采集網(wǎng)絡、報警與控制電路、10.4寸觸摸屏顯示器、GPRS/GPS無線模塊、ZigBee無線通信模塊等部分組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)采用高性能、低功耗ARM9 Cortex A8微處理器為控制核心，基于S5PV210內(nèi)核，標準工作主頻為1G，采用32 bit單通道數(shù)據(jù)總線，512 M DDR2內(nèi)存，完美支持Wince6、Linux等嵌入式操作系統(tǒng)。GPRS模塊采用廣州致遠ZWG-28 A，支持全透明數(shù)據(jù)通道，內(nèi)嵌TCP/IP、UDP等協(xié)議，可穩(wěn)定實現(xiàn)無線、遠程、網(wǎng)絡化通信方式，又可與Inernet實現(xiàn)無縫連接，非常適合嵌入式系統(tǒng)環(huán)境。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2　監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)

3　基于M odbus/TCP協(xié)議的無線傳輸網(wǎng)絡

Modbus協(xié)議是Modicon公司開發(fā)的一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議，屬于主從網(wǎng)絡，是一種基于應用層報文傳輸協(xié)議，協(xié)議采用一個主機對一個或多個從機通信，采用命令/應答模式［3］。其中主機服務器與塔機監(jiān)控終端之間通過鏈接TCP/IP方式進行交互，服務器端建立TCP/IP監(jiān)聽，終端負責發(fā)啟注冊請求，連接建立后服務器由接收終端上報的心跳數(shù)據(jù)包判斷TCP連接狀態(tài)。報文類型采用Modbus請求幀與Modbus響應幀實現(xiàn)命令/應答報文傳輸。協(xié)議報文類型如圖3所示。

圖3　Modbus/TCP協(xié)議報文類型

Modbus支持兩種幀結(jié)構(gòu)RTU和ASCⅡ模式，在ASCⅡ模式中，報文信息的每個字節(jié)單元被分成兩個半字節(jié)單元，每個半字節(jié)單元轉(zhuǎn)換為7位ASCⅡ字符傳送［4］。在數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中，包括幀頭、幀長度、幀流水號、協(xié)議號、命令符、數(shù)據(jù)載荷、CRC校驗和幀尾等子域，其中數(shù)據(jù)載荷類型由命令符選定。本系統(tǒng)遠程控制中心與塔機監(jiān)控終端的通信幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1　M odbus協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

4　RS485總線通訊設計

在本監(jiān)控系統(tǒng)中，RS485總線構(gòu)成了系統(tǒng)主從式多機串行總線通訊方式。塔機監(jiān)控終端采集的數(shù)據(jù)按照Modbus協(xié)議進行編碼后，采用TCP/IP方式通過RS485總線發(fā)布給遠程監(jiān)管中心，并負責接收由遠程監(jiān)控服務器斷返回的控制指令并控制塔機進行相應的動作。服務器與下位機之間采用雙半工通訊方式，遠程監(jiān)控中心通過從機GPRS模塊SIM號作為唯一IP標識進行識別［5］。

監(jiān)控終端系統(tǒng)基于WinCE6系統(tǒng)進行驅(qū)動程序設計與編寫，WinCE6是一種32位多任務嵌入式系統(tǒng)，具有強大的中斷機制、線程調(diào)度體系和良好的實時性，完全能夠保證系統(tǒng)需求的時間和性能要求［6］。在設備驅(qū)動中，設備的物理地址空間須映射到虛擬地址空間才能被內(nèi)核程序調(diào)用，物理地址由總線地址通過譯碼器確定［7］，采用VirtualAlloc（）函數(shù)申請?zhí)摂M地址空間后，通過VirtualCopy（）函數(shù)把物理地址和虛擬地址聯(lián)系起來。

串口驅(qū)動本身分為MDD層和PDD層。MDD層對上層的Device Manager提供了標準的流設備驅(qū)動接口（COM_xxx），PDD層實現(xiàn)了HWOBJ結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)中若干針對于串口硬件操作的函數(shù)指針。

驅(qū)動編寫好之后配置其他加載文件，在工程的Platform. reg中添加UART1.dll，當加載驅(qū)動時，系統(tǒng)由Device.exe取得驅(qū)動的注冊表位置信息；然后在工程中Platform.bib文件中添加二進制映像代碼；在驅(qū)動文件中，創(chuàng)建名稱為Makefile、UART1.def和sources等文件，用于定義驅(qū)動中需輸出的應用層接口函數(shù)、指定要生成的動態(tài)庫、動態(tài)庫函數(shù)及指定需被編譯的文件源代碼等。在Platform Builder編譯器中，采用Builtand Sysgen將驅(qū)動程序編譯入系統(tǒng)映像NK.bin文件，最后將NK.bin文件通過USB燒寫硬件平臺中［8-9］。

5　現(xiàn)場測試結(jié)果

基于ARM CortexA8為硬件平臺，結(jié)合嵌入式軟件MFC構(gòu)建友好的人機界面，很好地實現(xiàn)了對影響塔機安全數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控與記錄，監(jiān)控終端觸摸屏人機界面運行效果如圖4所示。

圖4　觸摸屏人機界面

通過現(xiàn)場測試表明，傳感器值在去兩端除極值的情況下，采用均值濾波系數(shù)小于12時，電流型傳感器重量、力矩數(shù)據(jù)會出現(xiàn)偶爾跳躍，易導致控制電路誤動作，綜合考慮，均值濾波系數(shù)選取18、24兩種，系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。數(shù)據(jù)按Modbus協(xié)議編寫后通過RS485及GPRS模塊實現(xiàn)了對塔機的無線遠程監(jiān)控管理，用戶可通過Internet實時監(jiān)控和管理塔機的運行。

6　結(jié)　論

塔機無線遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)對塔機的安全運行及統(tǒng)一管理具有重要作用，針對目前國內(nèi)大部分類似產(chǎn)品實時性較差、性能單一、精度低、缺乏遠程監(jiān)控功能等問題，設計了基于Modbus/TCP通信的塔機無線監(jiān)控管理系統(tǒng)，設計了穩(wěn)定、高效、擴展性良好的Modbus通信協(xié)議，開發(fā)了基于wince6嵌入式系統(tǒng)上的RS485設備驅(qū)動程序，構(gòu)建設計了友好的人機實現(xiàn)了對施工現(xiàn)場塔機運行數(shù)據(jù)的采集與本地管理，通過GPRS和構(gòu)建WEB服務器實現(xiàn)了對塔機群的遠程監(jiān)控和統(tǒng)一管理，通過現(xiàn)場調(diào)試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有廣闊的應用前景。

［1］吳學松.論道塔機安全與可持續(xù)發(fā)展［J］.建筑機械化，2011（1）:21-23.

［2］楊之樂,鄭學理,蘇偉,等.工業(yè)無線網(wǎng)絡測控系統(tǒng)OPC數(shù)據(jù)服務器的設計實現(xiàn) ［J］.計算機測量與控制,2013,21（4）：865-870.

［3］周奇才,徐小芳,王凱,等.基于RS485總線的盾構(gòu)施工地層損失監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計［J］.制造業(yè)自動化，2013（4）: 50-55.

［4］王宏文,王藝伶,高維國.高解析噴碼機嵌入式系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.自動化儀表,2013,34（4）:4:25-27.

［5］胡文祥,蔡政,郭偉瑋,等.面向RS-485控制網(wǎng)絡的Modbus協(xié)議擴展及應用［J］.自動化儀表,2013,4（4）:59-62.

［6］WANG Li-ping.GPRS-based electric power remote monitoring system［J］.Communi-cations in Computer and Information Science，2011，86:359-364.

［7］史延新.基于嵌入式TCP/IP協(xié)議的指紋圖像傳輸系統(tǒng)［J］.西安工業(yè)大學報,2005,25（5）：441.

［8］郭云飛，梁云，黃鳳.基于信息通信融合的電力業(yè)務模型研究［J］.電力信息與通信技術(shù)，2015，13（2）：1-4.

［9］康維新，李定洋.基于FPGA的交通系統(tǒng)遠程網(wǎng)絡控制設計［J］.電子科技，2015（9）：131-135.

The w irelessmonitoring system of tower cranes based on M odbus/TCP protocol

ZHANGMin-san，LIU Hai-long
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412000，China）

For the demand of the tower crane with distributed，efficient and safe operation，the wireless monitoring managementsystem ofa tower crane is designed based on Modbus/TCPprotocol in this paper.In order tomonitor the operation state information of the tower crane real-time，the system monitor front-end is designed by using the platform with Cortex A8 and WinCE6.Wireless communication message is designed by using Modbus/TCP protocol and the remote monitoring and unifiedmanagementof the tower cranes are realized by the two-way communication of GPRSand remotemanagement center. The stable and reliable of the system is proved by the field operation and the system hasgood application prospect.

Modbus/TCP protocol；embedded system；TCP/IP wireless communication；ntelligent montoring

TN302

A

1674-6236（2016）19-0102-03

2015-10-01稿件編號：201510001

湖南省教育廳科學研究項目（15C0905）

張敏三（1957—），男，湖南株洲人，高級工程師。研究方向：電子技術(shù)和自動化控制。