CN101281405A - 基于ZigBee的塔机自动安全监控系统及方法 - Google Patents

基于ZigBee的塔机自动安全监控系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee的塔机自动安全监控系统及方法，在传统塔机侧控制台上还设置ZigBee通信单元，用于塔机侧控制台与塔机侧控制台之或控制室侧控制台之间的信息传送；控制室侧控制台包括ZigBee通信单元和上位机，对塔机侧控制台发出的实时信息进行接收和处理；经过开机初始化；塔机侧与控制室分别独立工作，塔机侧对塔机的工作状态信息进行采集，控制室处于开启等待接收；塔机侧控制台对采集的信息进行处理后，可对塔机进行反控制；控制室进行备份和信息实时显示。本发明具有组网灵活、多网络拓补等优点，满足塔机安全监控系统可靠、稳定的组网要求，安全生产以及监督生产的设计目标，较适用于多塔机联合工作场合。

Description

基于ZigBee的塔机自动安全监控系统及方法
技术领域
本技术涉及一种塔机监控系统，尤其涉及一种基于ZigBee技术的塔式起重机监控系统及方法。
背景技术
目前市面上所出现的各种塔机监控系统，主要是采用面向单机工作的运行模式，仅仅针对单台塔机进行运行状态的监控，而随着我国经济的发展以及对基础设施要求的不断增长，现在的塔机使用常常是处于多机化的工作模式之下，即在一个基建工地现场并存着多台塔机同时或者分时工作以提高工作效率、及工程进度，但其施工难度大、危险性高，这就要求多台塔机都能够进行对其运行状态的实时监控，而且，为了更好的掌握以及控制这些信息，还要求具备多台塔机之间能够进行组网联系、多台塔机和上位机之间能够进行组网联系等功能，所以仅仅面向单机的塔机监控系统便难以适应这种新变化。
也有一些塔机监控系统尝试采用一些简单的组网方式，使各台塔机之间可以进行信息的交流，比如说采用点对点的数传电台组成环形网络等，但是环状网络拓补的通信可靠性较低、一般的数传电台其数据传输速率不高，而且其可以组成的网络拓补较少，不便于网络的扩展，不便于大量数据的实时传输，例如传输实时监控视频等。这样，既不便于根据需要改变网络拓补的形状，也不便于增强塔机监控的其他手段，限制了塔机监控系统的应用及其进一步增强功能的演进。
ZigBee是一种崭新的，专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。和其他无线传输技术相比较，ZigBee网络在功耗以及成本方面都有优势，特别地ZigBee技术还免去了协议专利费，并且ZigBee运行在国际上免执照的ISM频段，有利于终端应用。ZigBee网络具有星型、网状型等多种网络拓补，用户可以自行选择组建，其网络容量最多可达65000个节点，在增强了RF的发射功率后，覆盖范围能达到1km左右，ZigBee传输时延较短，接入网络时延相较于Bluetooth的3~10秒、WiFi的3s，ZigBee只需要30ms，大大缩减了接入时间，同时ZigBee还具有三级安全模式，用户可以根据需要选择，有利于防止非法获取无线传输的数据。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研制一种使用和扩展方便，组网方式灵活，具数据信息安全性高的基于ZigBee的塔机自动安全监控系统。本发明所使用的技术手段如下：
一种基于ZigBee的塔机自动安全监控系统，包括：
塔机侧控制台，通过各种传感单元对塔机的工作信息及状态信息进行采集，并对这些信息进行分析、存储处理，还可对塔机的工作状态进行控制；
其特征在于：
在所述塔机侧控制台上还设有ZigBee通信单元，用于塔机侧控制台与塔机侧控制台之间的塔机工作状态信息的传送，或塔机侧控制台与控制室侧控制台之间的塔机工作状态信息及控制信息的传送；
所述控制室侧控制台包括ZigBee通信单元和上位机，通过ZigBee通信单元对塔机侧控制台发出的实时信息进行接收，并将实时信息传送到上位机上进行处理，完成数据备份和塔机工作状态信息的实时监控；控制室侧控制台还可通过ZigBee通信单元将上位机的控制指令发送到所述塔机侧控制台。
所述塔机侧控制台包括：环境监测单元、起重信息监测单元、塔身基础监测单元、小车信息监测单元、信息采集隔离整理单元、主控单元、存储单元、输出控制单元、显示单元和ZigBee通信单元；其中环境监测单元、起重信息监测单元、塔身基础监测单元和小车信息监测单元中所包含的传感器采集塔机的各种工作信息，并通过信息采集隔离整理单元进行数据采集，然后送到主控单元中处理，后将数据存储到存储单元中，并通过输出控制单元输出控制量对塔机进行反控制；主控单元可将处理后的数据通过ZigBee通信单元传送到控制室侧控制台；塔机侧控制台还可通过显示单元可扩展的键盘显示接口实现采集数据的实时显示以及各种数据的录入；所述主控单元使用RS232/485接口将数据送到ZigBee通信单元上。
一种基于ZigBee的塔机自动安全监控方法，其特征在于包括如下步骤：
a、塔机侧控制台和控制室侧控制台开机初始化；
b、塔机侧与控制室分别独立运作，塔机侧的塔机侧控制台通过安装在塔机上的各种信息采集装置对塔机的工作状态信息进行采集；同时控制室通过控制室侧控制台中的ZigBee通信单元处于开启等待状态，等待塔机工作状态信息的传入；
c、塔机侧控制台对采集的信息进行处理后，同塔机侧控制台内存储单元存储的塔机设定参数进行比对分析，并根据情况发出相应的控制指令对塔机进行反控制；同时通过ZigBee通信单元将采集的塔机工作状态信息实时向控制室传送；
d、控制室接收到塔机工状态信息后，由上位机进行备份和通过显示装置进行塔机工作状态信息实时显示。
包括控制室侧控制台向塔机发送塔机控制指令，对塔机实行远程控制的步骤，塔机侧控制台和控制室侧控制台通过ZigBee通信单元形成信令交互，各种初始化数据也可以经由ZigBee网络上传到塔机侧控制台。
本发明的基于ZigBee无线传输单元的塔机安全自动监控系统，具有省电、可靠(采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突，节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个Zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性)、时延短、网络容量大和高保密性的特点，完全可以满足塔机安全监控系统可靠、稳定的组网要求。
附图说明
图1为本发明的单机监控框图；
图2为本发明的多机联控框图；
图3为本发明的塔机侧控制台组成框图；
图4为本发明的控制室侧控制台组成框图；
图5为本发明的塔机自动安全监控系统描述框图；
图6为本发明的塔机侧工作流程；
图7为本发明的控制室侧工作流程；
图8为本发明的塔机侧平台处理流程；
图9为本发明的ZigBee无线传输单元框图。
具体实施方式
如图1~图8所示，本发明中的塔机自动安全监测系统由塔机侧控制台和控制室侧功能控制台组成，系统可以是单塔机与控制室组成单机监控系统(简称单机监控)，或者是多塔机组网与控制室进行多机联合监控系统(多机联控)。单机监控如图1所示，包括塔机侧控制台、ZigBee无线网络及控制室侧控制台，其中塔机侧控制台与控制室侧控制台之间通过基于ZigBee无线传输技术的无线网络进行数据传输。多机联控如图2所示，系统中有N个塔机侧控制台，通过ZigBee无线网络同控制室侧控制台进行数据传输或多个塔机侧之间进行数据传输(其中各塔机之间的信息交互，可以根据塔机侧控制台的系统设定而选择和自己通信的塔机，比如说在多塔机作业中，两个物理距离上相隔较近的塔机之间可以相互交流，从而避免发生互碰危险，其它在物理上距离较远的塔机，则可能不需要进行相互间的联系，只是保持了相互之间的路由信息，待需要时进行通信即可)。
塔机的各种工作信息是通过塔机侧控制台进行采集、分析、存储，并通过ZigBee无线网络传输到控制室侧控制台，进行数据的备份存储，以及后续的各种处理。如图3、图5、图6和图8所示塔机侧控制台由环境监测单元4、起重信息监测单元5、塔身基础监测单元6、小车信息监测单元7、信息采集隔离整理单元8、主控单元9、存储单元10、输出控制单元11、显示单元12和ZigBee通信单元13组成。塔机通过环境监测单元4、起重信息监测单元5、塔身基础监测单元6和小车信息监测单元7这四个单元中所包含的传感器采集塔机的各种工作信息，通过信息采集隔离整理单元8进行数据采集，然后送到主控单元9中处理，并且将数据存储到存储单元10中，根据需要可以通过输出控制单元11输出控制量对塔机进行反控制，使塔机工作在本监控系统之下，保障其安全性，显示单元12可以通过可扩展的键盘显示接口实现采集数据的实时显示以及各种数据的录入，为了保证历史数据的可靠性以及满足数据的各种后续处理，为日后提供有力的数据保障，塔机侧控制台通过主控单元9，使用RS232/485接口将数据送到ZigBee通信单元13中，通过无线传输单元13进行基于ZigBee无线网络的数据传输，再通过控制室侧控制台的ZigBee通信单元14进行接收，使得数据同时在控制室侧备份，这样大大提高了历史数据的可靠性与安全性，并且，通过控制室侧的上位机15可以对数据进行各种设定的处理，提高数据的利用效能。
如图4所示控制室侧控制台由ZigBee通信单元14和上位机15组成，ZigBee通信单元14实现数据通过ZigBee无线网络进行传输的目的，通过无线网络传输来的数据在ZigBee通信单元14中被接收，并且通过RS232/485接口传输到上位机15中，完成数据的备份以及后续处理功能；相反地，各种控制信息也可以从控制室侧控制台通过ZigBee通信单元发送，在塔机侧控制台的ZigBee通信单元13进行接收，并将所接收的信息传送到主控单元9中进行处理，以便实现从控制室侧对塔机侧的远程控制。
其中的ZigBee无线网络，是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。例如，你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个Zigbee控制网络。
不同的是，Zigbee网络主要是为自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要是为语音通信而建立；每个移动基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却非常低廉；每个Zigbee网络节点不仅本身可以与监控对象，例如传感器、人员连接直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料；除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。每个Zigbee网络节点(FFD和RFD)可以可支持多到31个的传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备终可以有8种不同的接口方式，可以采集和传输数字量和模拟量。
如图9所示它们均由RS232/485接口单元、ZigBee(SOC)芯片以及电源单元组成，其中所采用的ZigBee(SOC)芯片大致是由CPU core、时钟单元、看门狗、电源单元、接口模块、DMA控制器、RAM、FLASH、基带数据处理单元、RF处理传输单元等子单元组成。
基于ZigBee的通信单元的发送是通过RS232/485接口从塔机侧或控制室侧获取所传输的数据，在CPU core的控制下，进入数据存储单元RAM或FLASH，并进入基带处理单元中逐步进行基带处理，处理过后的数据送入RF处理传输动员进行射频处理，以提供适合无线传输的RF信号，RF处理传输单元中并且将该RF信号通过RF天线发送出去；基于ZigBee的通信单元13接收过程就是上述的反过程。WDT看门狗是为了保证程序不会跑飞而设置的；电源单元、时钟单元分别提供所需的电源以及时钟时序；为了减轻CPU的负担，所采用的ZigBee(SOC)芯片内置了DMA控制器，可以不经过CPU，而直接进行芯片内外数据的交互，提高了系统的性能。
结合图6、图7和图8将系统的工作情况描述如下，不管是单机监控还是多机联控，系统操作总是从塔机侧、控制室台侧开机初始化开始，然后，塔机侧与控制室分别独立运作，塔机侧控制台控制安装在塔机上的各种信息采集装置，当需要时，两者之间通过ZigBee进行数据交互。安装在塔机上的各种信息采集装置自动或者在塔机侧的控制下对塔机各种数据进行采集，采集到的数据送入塔机侧控制台进行存储、以及各种数据处理，并且可以在程序、或控制室侧控制台控制下向控制室侧发送塔机运行的实时数据，或者交互信令；控制室侧控制台工作时，运行本系统所设计的控制台软件，根据塔机侧所传过来的数据，显示各种软件功能，为控制室人员提供塔机实时工作的各种状态信息，控制室侧亦可以通过ZigBee向塔机侧传输数据，或者进行信令交互。
本系统利用Zigbee主要考虑其在工业无线传输中的能力，其网络拓补可以是对等型(即无中心网络)也可是非对等型(存在网络中心)。对等型网络适用于塔机之间的信息交互，也就是说各个塔机之间的关系是对等的，它们之间的信息交互，可以根据塔机侧控制台的系统设定而选择和自己通信的塔机，比如说在多塔机作业中，两个物理距离上相隔较近的塔机之间可以相互交流，从而避免发生互碰危险，其它在物理上距离较远的塔机，则可能不需要进行相互间的联系，只是保持了相互之间的路由信息，待需要时进行通信即可。非对等型网络则是存在网络中心的时候，这个网络中心可以是工作现场地面上设置的控制室，也可以是整个城市内由塔机监管部门设立的统一监管中心，这时，监管中心作为中心，和各个塔机进行联系，可以进行数据交互，也可传输控制信令，以实现塔机的远程监控目标，在逻辑上，各个塔机和控制室是星形的网络，然而由于Zigbee组网灵活的特点，各个塔机之间的网络型状却可以有许多选择，比如说环型、总线型、网状等，由于网状多跳网络最能体现Zigbee组网灵活的特点，在应用中使用较多，还可以和Wimax配合使用。
实际应用中，塔机侧控制台安装于塔机上控制室内，各种信息采集装置安装在塔机各个测量位置，信息采集装置采集回来的数据通过塔机侧控制室的ZigBee收发装置，向控制室侧控制台发送，控制室侧收到这些信号后，在所编制的软件程序中，监控这些数据；控制室一般安装在工地地面的管理室内，由现场操作员操作，平时一般接收来自塔机侧控制台的各种塔机实时状态信息，在需要时发出控制命令，通过ZigBee收发装置与塔机侧进行信令交互，各种初始化数据也可以经由无线局域网上传到塔机侧控制台中。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种基于ZigBee的塔机自动安全监控系统，包括：
塔机侧控制台，通过各种传感单元对塔机的工作信息及状态信息进行采集，并对这些信息进行分析、存储处理，还可对塔机的工作状态进行控制；
其特征在于：
在所述塔机侧控制台上还设有ZigBee通信单元，用于塔机侧控制台与塔机侧控制台之间的塔机工作状态信息的传送，或塔机侧控制台与控制室侧控制台之间的塔机工作状态信息及控制信息的传送；
所述控制室侧控制台包括ZigBee通信单元和上位机，通过ZigBee通信单元对塔机侧控制台发出的实时信息进行接收，并将实时信息传送到上位机上进行处理，完成数据备份和塔机工作状态信息的实时监控；控制室侧控制台还可通过ZigBee通信单元将上位机的控制指令发送到所述塔机侧控制台。
2、根据权利要求1所述的基于ZigBee的塔机自动安全监控系统，其特征在于所述塔机侧控制台包括：环境监测单元(4)、起重信息监测单元(5)、塔身基础监测单元(6)、小车信息监测单元(7)、信息采集隔离整理单元(8)、主控单元(9)、存储单元(10)、输出控制单元(11)、显示单元(12)和ZigBee通信单元(13)；其中环境监测单元(4)、起重信息监测单元(5)、塔身基础监测单元(6)和小车信息监测单元(7)中所包含的传感器采集塔机的各种工作信息，并通过信息采集隔离整理单元(8)进行数据采集，然后送到主控单元(9)中处理，后将数据存储到存储单元(10)中，并通过输出控制单元(11)输出控制量对塔机进行反控制；主控单元(9)可将处理后的数据通过ZigBee通信单元(13)传送到控制室侧控制台；塔机侧控制台还可通过显示单元(12)可扩展的键盘显示接口实现采集数据的实时显示以及各种数据的录入。
3、根据权利要求2所述的基于ZigBee的塔机自动安全监控系统，其特征在于所述主控单元(9)使用RS232/485接口将数据送到ZigBee通信单元(13)上。
4、一种基于ZigBee的塔机自动安全监控方法，其特征在于包括如下步骤：
a、塔机侧控制台和控制室侧控制台开机初始化；
b、塔机侧与控制室分别独立运作，塔机侧的塔机侧控制台通过安装在塔机上的各种信息采集装置对塔机的工作状态信息进行采集；同时控制室通过控制室侧控制台中的ZigBee通信单元处于开启等待状态，等待塔机工作状态信息的传入；
c、塔机侧控制台对采集的信息进行处理后，同塔机侧控制台内存储单元(10)存储的塔机设定参数进行比对分析，并根据情况发出相应的控制指令对塔机进行反控制；同时通过ZigBee通信单元将采集的塔机工作状态信息实时向控制室传送；
d、控制室接收到塔机工状态信息后，由上位机进行备份和通过显示装置进行塔机工作状态信息实时显示。
5、根据权利要求4所述的基于ZigBee的塔机自动安全监控方法，其特征在于还包括控制室侧控制台向塔机发送塔机控制指令，对塔机实行远程控制的步骤，塔机侧控制台和控制室侧控制台通过ZigBee通信单元形成信令交互，各种初始化数据也可以经由ZigBee网络上传到塔机侧控制台。
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