何瑛

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 人事處，陜西 西安 710089）

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的塔吊監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

何瑛

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 人事處，陜西 西安 710089）

針對(duì)國(guó)內(nèi)塔吊安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際情況，結(jié)合短距離無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的塔吊安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞幕A(chǔ)上，對(duì)硬件各子模塊做了架構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)、入網(wǎng)等做了詳細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果表明該系統(tǒng)方案穩(wěn)定可行，延時(shí)較短，容易擴(kuò)展，可普及性高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

ZigBee；路由器；協(xié)調(diào)器；協(xié)議棧；原語(yǔ)

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，高層建筑施工強(qiáng)度與難度的提高，塔式起重機(jī)（塔吊）的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。塔吊的實(shí)際工作環(huán)境復(fù)雜，且受自重和結(jié)構(gòu)變形等外界因素影響，在拆裝、運(yùn)行時(shí)也會(huì)發(fā)生變形，常規(guī)的塔吊安全保障手段主要依賴(lài)于定檢、監(jiān)檢及日常維護(hù)，無(wú)法對(duì)塔吊運(yùn)行情況做到實(shí)時(shí)掌握，缺乏突發(fā)事故的預(yù)防機(jī)制，因此，需設(shè)計(jì)一套操作簡(jiǎn)易，安裝簡(jiǎn)單，容易擴(kuò)展，可實(shí)時(shí)觀測(cè)塔吊各項(xiàng)參數(shù)，掌握塔吊健康狀況的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 通信標(biāo)準(zhǔn)選取

由于塔吊高度的可變性，以及其結(jié)構(gòu)的多樣性，使得有線通信在塔吊上的布線稍顯麻煩，不夠靈活，故而本設(shè)計(jì)將選取短距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)常見(jiàn)短距離無(wú)線通信的傳輸范圍、網(wǎng)絡(luò)容量及傳輸速率，Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以完全滿足塔吊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求[1]。

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4 G ISM頻段的低功耗個(gè)域網(wǎng)，其通信可靠，網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力強(qiáng)，在外接5 dB鞭狀天線的條件下，可傳輸200～250 m。

2 塔吊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

塔吊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)力矩情況，并向駕駛員展示，當(dāng)力矩超限時(shí)，可發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并控制作業(yè)操作，同時(shí)可保存塔吊作業(yè)時(shí)各節(jié)點(diǎn)的參數(shù)值。塔吊安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由駕駛室終端，吊重采集節(jié)點(diǎn)，吊高采集節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)角采集節(jié)點(diǎn)，幅度采集節(jié)點(diǎn)，ZigBee路由器，ZigBee協(xié)調(diào)器以及PC服務(wù)器等組成，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)向駕駛室終端和服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)可通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)作控制塔吊。

在塔吊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)主要由路由器負(fù)責(zé)，在識(shí)別加入終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址后，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)路徑傳輸給協(xié)調(diào)器；而ZigBee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起與管理維護(hù)，以及新設(shè)備地址分配，節(jié)點(diǎn)的加入與離開(kāi)等，都由ZigBee協(xié)調(diào)器完成。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3 塔吊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

塔吊監(jiān)測(cè)是基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息采集系統(tǒng)，硬件[2-6]由監(jiān)控中心（上位機(jī)）、駕駛室終端、無(wú)線接收網(wǎng)關(guān)、無(wú)線稱(chēng)重儀及手持機(jī)、無(wú)線傾角測(cè)量?jī)x、無(wú)線張力測(cè)量?jī)x組成。每種測(cè)量?jī)x由數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、供電模塊組成。考慮系統(tǒng)硬件成本，以及開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)時(shí)間，ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，將選擇Chipcon公司的CC2430芯片。它支持2.4 GHz，IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議并內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧，而且具有32/64/128 kB閃存、8 kBSRAM等。

圖1 塔吊ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 子模塊設(shè)計(jì)方案

3.1.1 稱(chēng)重測(cè)量?jī)x

無(wú)線稱(chēng)重測(cè)量?jī)x，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，能承受一定拉力與壓力。與它配合的無(wú)線通信數(shù)據(jù)采集模塊，需具有高靈敏度、低功耗、可持續(xù)穩(wěn)定工作等特點(diǎn)。駕駛室終端、無(wú)線手持機(jī)，采用帶背光的液晶屏幕，可實(shí)時(shí)顯示接收到的重量值。本設(shè)計(jì)中，稱(chēng)重傳感器的安放位置如圖1所示，在起升鋼絲的末梢固定端，塔吊起重重量應(yīng)位于稱(chēng)重傳感器最大量程的20%到80%之間。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2 無(wú)線稱(chēng)重測(cè)量?jī)x框圖

3.1.2 無(wú)線傾角測(cè)量?jī)x

無(wú)線傾角測(cè)量?jī)x，用于測(cè)量物體的傾斜角，即俯仰角，它采用高性能MCU及基于3D-MEMS技術(shù)的進(jìn)口傾角傳感器設(shè)計(jì)，并采用無(wú)線通信方式輸出測(cè)量結(jié)果。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 無(wú)線傾角測(cè)量?jī)x框圖

3.1.3 無(wú)線張力傳感儀

無(wú)線張力測(cè)量?jī)x，采用專(zhuān)用于鋼絲繩張力測(cè)量的，旁壓張力傳感器，它安裝方便、操作簡(jiǎn)單、維修容易。鋼絲繩通過(guò)U形螺栓固定在傳感器上，受拉力時(shí)力通過(guò)導(dǎo)向輪作用于傳感器上。安裝時(shí)，張力探頭與張力變送器之間采用屏蔽線連接。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 無(wú)線張力測(cè)量?jī)x邏輯圖

3.2 手持機(jī)設(shè)計(jì)

手持機(jī)包括以下幾個(gè)部分：基于單片機(jī)的顯示與預(yù)警模塊、CC2430片上系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、調(diào)試接口、天線、電源等組成。CC2430片上系統(tǒng)主要完成消息的接收，應(yīng)用于各個(gè)子模塊中。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 手持機(jī)終端硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 ZigBee路由器設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)理念為低功耗、節(jié)能，故其發(fā)送功率和以及接收范圍有限。然而，塔吊工作環(huán)境復(fù)雜，對(duì)無(wú)線信號(hào)衰減較大，使短距離無(wú)線通訊組網(wǎng)覆蓋的范圍進(jìn)一步縮小。為使ZigBee網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用于環(huán)境較復(fù)雜的建筑工地，有兩種解決途徑，第一，在原網(wǎng)絡(luò)發(fā)射（CC2430）系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加一級(jí)射頻前端放大（CC2591），來(lái)提高原網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率，從而增加其網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積。前端放大CC2591連接示意圖如圖6所示，第二，可使用方向性較強(qiáng)的天線組合來(lái)實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的信息采集與傳輸，如八木與平板天線的組合。本設(shè)計(jì)中，兩種都有用到，將八木天線用作路由器的發(fā)射天線，而平板天線用于協(xié)調(diào)器接收天線。

圖6 CC2591連接示意圖

4 ZigBee無(wú)線模塊軟件設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)流程

塔吊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件[7-13]設(shè)計(jì)的整體流程大致可分為兩個(gè)部分：第一，ZigBee設(shè)備初始化以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立，其中需要初始化的設(shè)備有，協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設(shè)備等，而建網(wǎng)過(guò)程主要包括3個(gè)方面，分別為：終端申請(qǐng)加入，路由允許終端加入，以及協(xié)調(diào)器將路由器加入網(wǎng)絡(luò)等；第二，設(shè)備進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)后，路由器與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將執(zhí)行循環(huán)程序，并通過(guò)中斷來(lái)接收，來(lái)自終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)出的消息。

4.2 ZigBee無(wú)線模塊相關(guān)軟件設(shè)計(jì)

TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧符合ZigBee規(guī)范，可以完全運(yùn)行在CC2430所在的節(jié)點(diǎn)上。Z-Stack運(yùn)行在操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）上，其任務(wù)的調(diào)度驅(qū)動(dòng)機(jī)制與Windows消息事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制相類(lèi)似，是通過(guò)觸發(fā)任務(wù)事件來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。

ZigBee模塊每層都有相應(yīng)的服務(wù)來(lái)完成設(shè)定的工作任務(wù)，而各項(xiàng)服務(wù)通過(guò)服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)，有以下4類(lèi)原語(yǔ)較為常用：請(qǐng)求（Request），指示（Indication），響應(yīng)（Response）和確認(rèn)（Confirm）。

4.2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器

本設(shè)計(jì)中，協(xié)調(diào)器與上位機(jī)的通信由RS485來(lái)完成。在接收到路由節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)的配置信息以及各傳感器所在節(jié)點(diǎn)反饋回的有效數(shù)據(jù)時(shí)，這些數(shù)據(jù)將通過(guò)RS485完成協(xié)調(diào)器與服務(wù)器間的傳輸與交互。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備應(yīng)具備申請(qǐng)加入與離開(kāi)已知網(wǎng)絡(luò)的功能。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器與路由器還應(yīng)具有，允許網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入與離開(kāi)，以及維護(hù)近鄰設(shè)備列表等功能。

ZigBee協(xié)調(diào)器初始化后才能創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)，初始化時(shí)，協(xié)調(diào)器通過(guò)NLME-NETWORK-FORMATION.Request請(qǐng)求原語(yǔ)來(lái)完成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的地址如同IP地址一樣，具有時(shí)效性與唯一性，故地址的分配需遵循一定的算法來(lái)執(zhí)行。對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備地址的分配，會(huì)用到以下幾個(gè)參數(shù)的設(shè)置MAX_DEPTH，MAX_ROUTERS和MAX_CHILDREN等。

其中，網(wǎng)絡(luò)的最大深度由MAX_DEPTH參數(shù)決定，同時(shí)該參數(shù)限制了網(wǎng)絡(luò)在物理上的長(zhǎng)度，一般情況，協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)深度為0，其子節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)深度為1，子節(jié)點(diǎn)的下一級(jí)節(jié)點(diǎn)深度為2，以此類(lèi)推；網(wǎng)絡(luò)中路由器或協(xié)調(diào)器可掛接的并列的子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)由 MAX_CHILDREN參數(shù)決定；而參數(shù)MAX_ROUTER是MAX_CHILDREN的一個(gè)子集，它決定了網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)在網(wǎng)路由器或者某個(gè)在網(wǎng)協(xié)調(diào)器，可處理具有路由功能的子節(jié)點(diǎn)最大個(gè)數(shù)。

4.2.2 ZigBee路由器

ZigBee路由器類(lèi)似Internet網(wǎng)絡(luò)中路由器，在通過(guò)原語(yǔ)NLME_START_ROUTER初始化后，將實(shí)現(xiàn)終端、路由以及協(xié)調(diào)器間的數(shù)據(jù)交互功能。

路由器允許節(jié)點(diǎn)加入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的流程為：首先，在設(shè)置掃描參數(shù)將要掃描的信道以及掃描每個(gè)信道的持續(xù)時(shí)間之后，應(yīng)用層將發(fā)送NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原語(yǔ)，網(wǎng)絡(luò)層在接收到該原語(yǔ)后，利用MLME-SCAN.Request原語(yǔ)，請(qǐng)求MAC層執(zhí)行主動(dòng)掃描。其初始化及入網(wǎng)流程如圖7所示。

圖7 路由器初始化及入網(wǎng)流程圖

4.2.3 ZigBee模塊終端程序

當(dāng)在網(wǎng)的路由器或協(xié)調(diào)器允許一個(gè)新節(jié)點(diǎn)加入自身所在網(wǎng)絡(luò)時(shí)，新加入的節(jié)點(diǎn)將成為允許加入網(wǎng)絡(luò)的路由器或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的途徑有兩種，第一種是通過(guò)MAC層的關(guān)聯(lián)加入，第二種是由其上一級(jí)節(jié)點(diǎn)（父節(jié)點(diǎn)）直接加入網(wǎng)絡(luò)。

終端節(jié)點(diǎn)通電后，需分別進(jìn)行以下幾個(gè)初始化過(guò)程，硬件、協(xié)議棧、全局中斷、所在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、命令幀狀態(tài)等的初始化，然后運(yùn)行協(xié)議棧。終端節(jié)點(diǎn)將用戶信息通過(guò)其上一級(jí)，逐級(jí)向上發(fā)送至協(xié)調(diào)器，同時(shí)也可以接收協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的命令與信息，其主流程圖如8圖所示[7-10]。

圖8 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖

5結(jié) 論

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的塔吊監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，是在結(jié)合了ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率高，功耗低，網(wǎng)絡(luò)容量大，通信可靠等功能優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，具有成本低，技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)合理，方便擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掌握塔吊運(yùn)行情況的同時(shí)，增加了突發(fā)事件的預(yù)防機(jī)制，提高了塔吊的安全系數(shù)，從而大大降低突發(fā)事件的發(fā)生，對(duì)國(guó)內(nèi)塔吊安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及塔吊黑匣子的研究也具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]高守瑋，吳燦陽(yáng).ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版，2009.

[2]田博文，韓建，于秋月，等.基于ZigBee的油井?dāng)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（15）:29-30.

[3]周惠椒，譚喜堂，朱琴躍，等.ZigBee無(wú)線通信技術(shù)在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].低壓電器，2011，53（18）:36-41.

[4]任麗莉，范亞芹等.ZigBee信號(hào)在智能小區(qū)中傳輸?shù)母倪M(jìn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版.2011，29（6）:518-522.

[5]陳思琦，張清波，隋斌雁，等.基于ZigBee農(nóng)田自動(dòng)灌溉信號(hào)采集及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，27（4）:369-372.

[6]黃玉立.基于CC2591的無(wú)線通信前端設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[7]鄔春明，劉杰，耿強(qiáng)，等.ZigBee/RFID技術(shù)在倉(cāng)儲(chǔ)盤(pán)點(diǎn)及安防中的應(yīng)用[J].沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，24（2）:332-335.

[8]吳超，江貴平.基于ZigBee的便攜式睡眠監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2014，35（2）:478-483.

[9]滕志軍，李國(guó)強(qiáng)，何鑫，等.基于ZigBee的高壓電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表，2014，51（1）:85-87.

[10]吳京晶，吳伯農(nóng).基于ZigBee的冷彎型鋼在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng).[J].自動(dòng)化儀表，2013，34（12）:28-31.

[11]楊惠.基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2016（2）：54-57.

[12]代家強(qiáng)，孫智卿.基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能家居能量管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及需求側(cè)管理應(yīng)用研究[J].陜西電力，2013（10）：39-43.

[13]李泉，曹曦，李金明，等.基于ZigBee的煤礦井下盲區(qū)瓦斯信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2015（3）:54-58.

Tower crane monitoring control system based on ZigBee network

HE Ying
（Personnel Department，Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi'an 710089，China）

For actual situation of domestic crane safety monitoring system，combined with the development of short-range wireless transmission technology，designed a ZigBee-based wireless networks crane safety monitoring system，based on the analysis and design system network topology，hardware sub-module made architecture design，while building a network ZigBee network system，network，and so do the detailed design，the design results show that the system is stable and feasible，shorter delay，easy to expand，high popularity，has some practical value.

ZigBee；router；coordinator；protocol stack；primitive

TN99

A

1674－6236（2016）18-0089-04

2014-12-12 稿件編號(hào)：201412105

何 瑛（1982—），女，江蘇常州人，碩士，講師。研究方向：電子、通信、智能控制等。