朱浩鵬，李 強(qiáng)，羅 欣

（中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100088）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)取得了較快發(fā)展，建筑企業(yè)在施工過程中應(yīng)將安全生產(chǎn)放在首位，但是當(dāng)前建筑企業(yè)在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)各種安全事故[1]。在大型工程建筑工地，為降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，出現(xiàn)了多種電動(dòng)或油動(dòng)助力搬運(yùn)車。這種助力搬運(yùn)車可達(dá)到較高的運(yùn)動(dòng)速度，但高速時(shí)穩(wěn)定性較差，一旦超速運(yùn)行，極易造成生產(chǎn)事故，損壞工地設(shè)施，或?qū)ΜF(xiàn)場工作人員造成人身傷害。為降低事故發(fā)生概率，本文設(shè)計(jì)了一套對助力搬運(yùn)車行駛速度進(jìn)行監(jiān)控的智能系統(tǒng)，在超速狀態(tài)下，智能提示操作人員，并將超速異常事件通過WiFi上傳到服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的安全監(jiān)管。

1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體功能示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由服務(wù)器、WiFi網(wǎng)絡(luò)和客戶端組成。在建設(shè)工地部署多個(gè)WiFi熱點(diǎn)，建立基于WiFi的無線網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)器由一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，與客戶端通過WiFi網(wǎng)絡(luò)建立TCP鏈接，完成通信?？蛻舳税惭b在各個(gè)助力搬運(yùn)車上，并集成了WiFi透傳模塊，可在工地任意位置與服務(wù)器通信，實(shí)時(shí)上傳違規(guī)操作事件。

圖1 系統(tǒng)總體功能示意圖

2 客戶端硬件組成及其功能

客戶端主要包括單片機(jī)，測速裝置，WiFi透傳模塊，RFID電路，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，超速報(bào)警電路等。

2.1 單片機(jī)

單片機(jī)是客戶端的核心，是客戶端功能的主要承載者。由于客戶端屬于車載模塊，由電池供電，對功耗比較敏感，因此，本文采用ST公司生產(chǎn)的超低功耗單片機(jī)STM8L151。同時(shí)，該單片機(jī)具有豐富的片上外設(shè)資源以及各種常用的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，如UART，SPI等[2]。單片機(jī)利用WiFi透傳模塊與服務(wù)器通信，利用RFID電路實(shí)現(xiàn)人員管理，利用測速裝置對助力搬運(yùn)車進(jìn)行速度監(jiān)控，利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路獲取違規(guī)事件時(shí)間，并對違規(guī)事件進(jìn)行報(bào)警提醒。

2.2 測速裝置

測速裝置由磁感應(yīng)開關(guān)和磁鐵構(gòu)成。磁鐵固定在車輪輪轂內(nèi)側(cè)，隨車輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)；磁感應(yīng)開關(guān)固定在附近，不隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，便會(huì)觸發(fā)一次磁感應(yīng)開關(guān)。根據(jù)車輪直徑d和相鄰兩次觸發(fā)的時(shí)間間隔t即可計(jì)算出助力搬運(yùn)車運(yùn)行的速度v，如下式所示：

2.3 WiFi透傳模塊

WiFi透傳模塊采用ESP8266 WiFi模塊，其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議和WiFi物理層電路，空曠場地傳輸距離達(dá)100 m。WiFi透傳模塊與單片機(jī)通過串口通信，由單片機(jī)對其進(jìn)行配置，同時(shí)，單片機(jī)通過該模塊與服務(wù)器通信。

2.4 RFID電路

建筑工地工人數(shù)量較多，人員流動(dòng)也較為頻繁，因此，需要靈活的人員管理系統(tǒng)。本文采用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)對操作人員的管理。操作人員持有RFID卡，只有刷卡登錄后，才能使用助力搬運(yùn)車。操作人員離開時(shí)，再次刷卡，退出登錄。因此，操作人員只要持有RFID卡，即可任意使用助力搬運(yùn)車。RFID電路采用NXP公司生產(chǎn)的RFID芯片RC522，射頻電路直接集成到客戶端PCB上，提高了系統(tǒng)的便攜性和穩(wěn)定性。

2.5 其他

此外，客戶端還集成了蜂鳴器作為報(bào)警電路以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。當(dāng)搬運(yùn)車的車速接近速度閾值時(shí)，通過蜂鳴器報(bào)警提醒工人，可有效降低違規(guī)次數(shù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路則為系統(tǒng)提供了相對準(zhǔn)確的時(shí)鐘。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器軟件采用C#語言編程，基于.net框架，一臺(tái)普通Windows計(jì)算機(jī)即可作為服務(wù)器。其主要功能包括監(jiān)聽和記錄客戶端上傳的違規(guī)事件、管理人員信息、客戶端時(shí)鐘校準(zhǔn)等。

3.2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)作為客戶端的核心，主要負(fù)責(zé)助力搬運(yùn)車速度測量、人員管理、超速報(bào)警及違規(guī)事件上傳，其軟件流程如圖2所示。其中，初始化過程包括單片機(jī)時(shí)鐘，GPIO配置，對各外圍電路配置，以及與服務(wù)器通過WiFi建立網(wǎng)絡(luò)連接。

圖2 單片機(jī)軟件流程圖

3.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

單片機(jī)與服務(wù)器之間的通信采用透傳方式。由于系統(tǒng)中存在諸多客戶端和工人，為了便于服務(wù)器識(shí)別不同搬運(yùn)車和工人，在應(yīng)用層對報(bào)文格式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖3所示。其中，幀頭為固定內(nèi)容，設(shè)備ID是助力搬運(yùn)車的編號(hào)，用戶ID是工人的編號(hào)，數(shù)據(jù)內(nèi)容是違規(guī)事件等信息，校驗(yàn)和是設(shè)備ID、用戶ID和數(shù)據(jù)內(nèi)容的累加，用于識(shí)別錯(cuò)誤報(bào)文。

圖3 單片機(jī)與服務(wù)器之間的通信協(xié)議設(shè)計(jì)

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一套基于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，主要由服務(wù)器，WiFi網(wǎng)絡(luò)和客戶端組成?？蛻舳藢?shí)時(shí)監(jiān)控助力搬運(yùn)車的運(yùn)行速度，一旦發(fā)現(xiàn)超速，蜂鳴器向操作人員發(fā)出警報(bào)，并通過WiFi網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器上傳記錄。系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了超速警報(bào)、自動(dòng)監(jiān)控，而且節(jié)省了人力資源，并可顯著減少建筑工地助力搬運(yùn)車超速運(yùn)行而造成的安全事故。

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