王勇 王興權(quán) 羅建國

1.大連理工大學(xué)常州研究院 江蘇常州 213164;2.赤峰市特種設(shè)備檢驗所 內(nèi)蒙古赤峰 024000

改革開放以來,我國經(jīng)濟建設(shè)快速發(fā)展,人民生活質(zhì)量逐步提高,城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也隨著加大,而起重機設(shè)備作為目前工地建設(shè)過程中不可或缺的部分,已經(jīng)成為了工地建筑中最重要的裝備設(shè)施之一。在目前的現(xiàn)場環(huán)境中,經(jīng)常會發(fā)生因人為操作不當(dāng)而導(dǎo)致的安全生產(chǎn)事故,市面上雖然已經(jīng)出現(xiàn)了起重機防碰撞監(jiān)控設(shè)備,但是它們實際的現(xiàn)場效果仍不明顯,其根本原因在于防碰撞設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸問題。數(shù)據(jù)傳輸部分作為起重機防碰撞設(shè)備最重要的部分,它的性能將直接影響到整個防碰撞設(shè)備的效果。本文就針對影響無線模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蛩剡M行詳細探討。

1 影響無線傳輸模塊的因素

在實際現(xiàn)場環(huán)境中,影響無線模塊效果的因素有很多,這些因素的存在會一定程度上降低防碰撞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效果,所以在現(xiàn)場運用中應(yīng)盡量避免這些影響因素。

1.1 現(xiàn)場環(huán)境

無線通訊不同于有線通訊方式,它對于無線模塊所處的現(xiàn)場環(huán)境要求較高,不能有強信號干擾源,需要空曠無遮擋的環(huán)境,甚至天氣情況也會影響無線通訊的效果。物理的阻礙物會阻擋無線信號,并且會吸收電磁能量,導(dǎo)致無線信號變?nèi)?無線電波由于具有直線傳播的特性,其繞射物體的能力非常弱,傳輸路徑一旦被障礙物遮擋,將會導(dǎo)致無線設(shè)備只能接到很微弱的信號甚至無法收到信號;另外,天氣狀況也會干擾無線信號的傳輸,例如陰雨天氣時的無線信號衰減比較厲害,而在晴天的時候信號衰減通常會比較小。

1.2 傳輸速率

無線傳輸需要考慮傳輸速率,傳輸速率包括空中速率和波特率,傳輸速率越大,相同時間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也就越多。但對于無線通訊方式而言,傳輸速率越高,通訊出錯的概率也就越大。所以在現(xiàn)場運用中需要在這兩者之間尋找到平衡點,以達到現(xiàn)場的使用要求。另外,無線模塊供應(yīng)商在宣傳時會使用最大傳輸速率進行宣傳,然而在實際現(xiàn)場中一般是無法達到最大傳輸速率的,這個問題也需要在實際使用中注意。

1.3 信號強度

圖1是802.11標(biāo)準(zhǔn)的實驗室測試結(jié)果,結(jié)果顯示,信號強度越高傳輸速率越快。X軸是信號強度,Y軸是傳輸速率。

圖1 網(wǎng)速和信號強度的關(guān)系曲線

無線模塊的信號強度直接影響數(shù)據(jù)的傳輸效果,同樣距離的兩個無線模塊進行數(shù)據(jù)傳輸,信號強度強的無線模塊數(shù)據(jù)傳輸會比較穩(wěn)定,而信號強度低的無線模塊數(shù)據(jù)出錯的機率更大。

1.4 工作頻段

工業(yè)場合最常使用的是2.4GHz和433MHz頻段。無線傳輸方式不同于有線傳輸方式,它必須在規(guī)定的頻段內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸,如果在同時間、同頻段內(nèi)存在過多的設(shè)備,則各個設(shè)備之間會存在頻道沖突,產(chǎn)生無線信號串?dāng)_的問題,解決的辦法是調(diào)整不同功能的無線模塊使之處于不同的頻段內(nèi)。另外,無線模塊由于其本身特性導(dǎo)致附近如果有較強的磁場存在,會嚴(yán)重干擾到無線網(wǎng)絡(luò)的運行,所以在使用時應(yīng)盡量遠離強磁場干擾源,如變壓器、變頻器、WIFI設(shè)備等,否則會造成無線設(shè)備無法使用的情況。

1.5 通訊接口

工業(yè)現(xiàn)場常用的通訊接口有RS232/485、CAN等。在單節(jié)點和數(shù)據(jù)量比較少的情況下,可以使用RS232/485方式進行數(shù)據(jù)通訊;而在多節(jié)點和大數(shù)據(jù)量的情況下,宜采用CAN方式進行通訊。CAN由于舍棄了站地址編碼方式,具有獨特的短報文傳輸模式,每一幀傳輸8個字節(jié)數(shù)據(jù),使得CAN接口具有報文傳輸時間短、抗干擾能力強的特點,這個特性在防碰撞通訊這種對數(shù)據(jù)實時性要求較高的場合比較適用。

1.6 工作模式

在無線通訊的工作模式中,需要考慮的主要為主從模式和廣播模式。在單節(jié)點小數(shù)據(jù)模式時,宜采用主從模式,該模式對節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的負擔(dān)較小,可靠性較高;在多節(jié)點大數(shù)據(jù)模式中,宜采用廣播模式,該模式對節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的負擔(dān)較大,由于每個節(jié)點都需要進行數(shù)據(jù)收發(fā),所以不可避免地會出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞,并且隨著設(shè)備的增加,數(shù)據(jù)碰撞的概率也越大,所以在用廣播模式時,需要注意到這一問題。

2 現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)對比

綜合對比各類型無線網(wǎng)絡(luò),可適用于防碰撞系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)為Zigbee網(wǎng)絡(luò)和LORA網(wǎng)絡(luò),其對比如表1所示。

表1 現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)對比

3 現(xiàn)有防碰撞系統(tǒng)方案對比

3.1 使用RS485/RS232的Zigbee模塊

RS485/RS232的Zigbee模塊見圖2。此系統(tǒng)采用RS485/RS232的Zigbee模塊與控制器進行串口通訊。Zigbee模塊采用了市場上通用的產(chǎn)品模塊,并采用透明傳輸方式。但此系統(tǒng)存在RS485/RS232速度較慢的缺點,并且由于采用透明傳輸?shù)姆绞?無法及時處理防碰撞的大數(shù)據(jù)量問題,因而造成大量數(shù)據(jù)沖突導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率高。因此,該方案適用于防碰撞設(shè)備較少的情況,并且由于價格便宜,廣泛使用于小型防碰撞系統(tǒng)。

圖2 RS485/RS232的Zigbee模塊

3.2 使用定制CAN接口的Zigbee模塊

定制CAN接口的Zigbee模塊見圖3。此系統(tǒng)采用定制的CAN接口Zigbee模塊與控制器進行數(shù)據(jù)通訊,Zigbee模塊是基于防碰撞大數(shù)據(jù)量問題進行定制化開發(fā),優(yōu)化了Zigbee模塊之間、控制器與Zigbee模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸效率。此方式相比RS485/RS232的Zigbee模塊性能提升了60%以上,數(shù)據(jù)交互速率和正確率大幅提高,但是由于存在Zigbee網(wǎng)絡(luò)的低功率、高丟包率的問題,導(dǎo)致其實際穩(wěn)定的空中速率較低,此方案適用于中型防碰撞系統(tǒng)中。

圖3 定制CAN接口的Zigbee模塊

3.3 使用定制CAN接口的LORA模塊

定制CAN接口的LORA模塊見圖4。此系統(tǒng)采用定制的CAN接口LORA模塊與控制器進行數(shù)據(jù)通訊,優(yōu)化了LORA模塊之間、控制器與LORA模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸效率。 LORA無線網(wǎng)絡(luò)以其遠距離、高速度、高信號強度的特點,適用于大型防碰撞系統(tǒng),其相比CAN接口的Zigbee模塊,性能提升30%以上。

圖4 定制CAN接口的LORA無線網(wǎng)絡(luò)

4 結(jié)論

在防碰撞系統(tǒng)的研究中,我們通常會將大部分精力集中在起重機的數(shù)學(xué)模型和算法的研究上,忽視了防碰撞通訊模塊對于整個防碰撞系統(tǒng)的重要性。本文通過對現(xiàn)有防碰撞系統(tǒng)及影響無線模塊數(shù)據(jù)傳輸因素的探討,總結(jié)了無線模塊在現(xiàn)場使用中需要注意的事項和現(xiàn)有防碰撞系統(tǒng)方案的特點,對于防碰撞系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

經(jīng)過大量的現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)分析表明,在工業(yè)現(xiàn)場宜采用基于CAN接口的LORA無線模塊作為起重機防碰撞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備,可以保障數(shù)據(jù)的實時性、正確性。