CN103569884A - 一种北斗定位塔式起重机安全记录装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种北斗定位塔式起重机安全记录装置，包括电源模块、主控板、第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板、定位模块、通信模块和起重机状态采集模块，所述的电源模块分别与主控板、第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板、定位模块和通信模块连接，所述的主控板分别与第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板、定位模块和通信模块连接，所述的起重机状态采集模块分别与第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板连接。与现有技术相比，本发明具有定位准确、安全性高、适用与可扩展性强、能有效地完成远程监控与本地记录、告警和防碰撞等优点。

Description

一种北斗定位塔式起重机安全记录装置

技术领域

本发明涉及一种塔式起重机监测技术，尤其是涉及一种北斗定位塔式起重机安全记录装置。

背景技术

随着塔式起重机市场的规范发展，为了监管建筑工地施工现场的塔式起重机，因此塔式起重机市场出现了一款类似飞机上“黑匣子”的记录装置，能忠实、可靠地将塔式起重机负载运行中的有关数据如实记录下来，同时能显示有关数据的最大值并超载报警，给塔式起重机驾驶员起到“提醒操作、安全警示”的作用，并在塔式起重机操作安全事故分析、设计制造及使用寿命评估时提供实测数据记录。

为了在远程实时监控施工现场的塔机运行状态，最近也开始在塔式起重机记录装置上增加无线通信方式，这样通过公用数据网，在监控中心可以实时监控塔机状态。

鉴于塔式起重机随着工程结束需要转场，为了在监控中心及时观测塔机使用与安装位置，也开始在塔式起重机安全记录装置上安装GPS接收机，通过GPS接收机获取位置，然后通过无线通信方式将位置与工作状态同时送到监控中心。

现有的产品技术状态如下：

1)通过产品多数只记录塔机工作状态，标准的“黑匣子”，仅仅记录作业工作状态，没有实时记录塔机的工作状态；

2)没有使用北斗定位系统作为塔机位置和时间标准；

3)无塔式起重机晃动告警；

4)产品内部电源简单，内部电路与外部传感器隔离不足；

5)通常的安全记录装置使用GPS和GPRS数据传输，定位与通信手段单一；

6)塔机记录仪之间使用外置无线通信模块进行通信，很难实现各塔机安全记录装置间通信组网。

7)没有使用CAN总线采集设备状态。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种定位准确、安全性高、适用与可扩展性强、能有效地完成远程监控与本地记录、告警和防碰撞的北斗定位塔式起重机安全记录装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种北斗定位塔式起重机安全记录装置，其特征在于，包括电源模块、主控板、第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板、定位模块、通信模块和起重机状态采集模块，所述的电源模块分别与主控板、第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板、定位模块和通信模块连接，所述的主控板分别与第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板、定位模块和通信模块连接，所述的起重机状态采集模块分别与第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板连接。

所述的电源模块包括交流电源、电源滤波器、第一AD/DC转换器、第二AD/DC转换器和电源管理单元，所述的交流电源通过电源滤波器分别与第一AD/DC转换器、第二AD/DC转换器连接，所述的第一AD/DC转换器通过电源管理单元分别与主控板、定位模块和通信模块连接，所述的第二AD/DC转换器分别与第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板连接。

所述的电源管理单元包括DC/DC转换器、充电管理器、电池、电源切换器、第一LDO和第二LDO，所述的第一AD/DC转换器、DC/DC转换器、电源切换器依次连接，所述的DC/DC转换器、充电管理器、电池、电源切换器依次连接，所述的电源切换器通过第一LDO与主控板连接，所述的电源切换器通过第二LDO分别与定位模块、通信模块连接。

所述的主控板包括主CPU、辅CPU和复用RS232接口，所述的主CPU通过复用RS232接口与辅CPU连接，所述的主CPU与第一扩展信号接口板连接，所述的辅CPU与第二扩展信号接口板连接。

所述的起重机状态采集模块包括臂幅编码器、电子罗盘、风速传感器、重力传感器、高度编码器和加速度传感器，所述的臂幅编码器、电子罗盘、风速传感器、重力传感器均通过第一扩展信号接口板与主CPU连接，所述的高度编码器通过第二扩展信号接口板与辅CPU连接，所述的加速度传感器直接与主CPU连接，所述的加速度传感器为三轴加速度计；

所述的主CPU通过采集臂幅编码器信号，获取塔式起重机吊钩臂幅相对位置；通过采集电子罗盘信号，获取塔式起重机塔臂方向信号；通过采集重力传感器信号测量塔式起重机起重重量，通过采集风速传感器信号获取现场风速信号；通过采集加速度传感器信号获取塔式起重机晃动检测与报警；

所述的辅CPU通过采集高度编码器信号，获取塔式起重机塔臂相对高度。

所述的第一扩展信号接口板与主CPU之间设有CAN控制器、RS232接口、两路RS485接口、四路模拟输入接口、六路数字输入接口和六路数字输出接口，所述的第二扩展信号接口板与辅CPU之间设有四路RS485接口、四路模拟输入接口、六路数字输入接口和六路数字输出接口。

所述的主控板还设有存储器、电源状态采集单元、定位指示灯、通信指示灯、电源指示灯、第一组状态指示灯和第二组状态指示灯，所述的存储器、电源状态采集单元、定位指示灯、通信指示灯、电源指示灯、第一组状态指示灯分别与主CPU连接，所述的第二组状态指示灯与辅CPU连接。

所述的通信模块包括远程无线通信单元和短距离无线通信单元，所述的远程无线通信单元向指定域名或者IP地址及指定端口号的服务器发送塔式起重机位置数据、作业数据和现场告警状态数据，所述的短距离无线通信单元实现各塔式起重机安全记录装置之间的自组网，实现塔式起重机防碰撞。

所述的远程无线通信单元为GPRS、CDMA1X、EVDO或WCDMA通信单元，所述的短距离无线通信单元为2.4G短距离无线通信单元。

还包括分别与第一扩展信号接口板连接的外屏显示器和CAN总线，所述的定位模块为北斗GPS兼容定位模块。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)首次采用北斗与GPS兼容定位，增加了安全记录装置的定位与时间可靠性；

2)采用主辅双CPU架构，主CPU与辅CPU通过串行口实时交互；除了增加系统运算能力外，大大扩展了设备的串行通信口数量和提高了采集外部数据能力，包括AI、DI和智能设备的信息采集，增加了装置输出控制D0端口的数量；

3)记录数据安全性好，实时工作、作业循环数据不仅保留在安全记录装置主机中，而且可以同时备份至外接显示屏附件的SD卡中，利用远程数据通信，同时将实时工作、作业循环保留在系统服务器中；

4)采用铁电存储器中记录每秒的设备工作状态，工作状态实时记录长度可达10分钟，这样在塔式起重机发生安全事故时，即使不在正常作业状态时，也能全面有效记录塔式起重机设备状态，便于事故原因分析；

5)采用通信自组网方式，增强通信稳定性：为实现塔式起重机防碰撞功能，采用可编程2.4G短距离模块作为塔机安全记录装置之间通信手段，能实现塔机安全记录装置之间的自组网，各塔式起重机之间通信更加稳定；

6)利用短距离通信模块，实现安全监控装置在地面校准，从而方便监测人员工作；

7)采用CAN总线技术，通过CAN总线，有效采集电动机或者柴油机等动力工作状态，并予以有效记录与上传；

8)采用三轴加速度计测量提供塔式起重机晃动状况，同时告警指示；

9)采用两路独立的交流电源，主控板与接口板分开供电，在外部传感器和信号受到浪涌时，提高对主控板的保护能力；

10)采用统一通信接口方式兼容不同的通信模块与系统，对记录仪主CPU来说，可以采用不同方式的通信模块，包括GPRS、CDMA1X和EVDO、WCDMA等模块；对不同通信模式的通信模块，通过采用不同的通信定位接口板转化为本装置标准通信接口后，连接主CPU；定位模块与通信模块在同一通信定位接口板上；

11)除支持外部电子罗盘测量塔式起重机测量塔臂方向外，还支持卫星定位定向仪测量塔式起重机测量塔臂方向；

12)积木式产品设计：包括两个独立电源、主控板、通信定位接口板、两块外部信号接口板、短距离通信模块板，可以根据应用需求，进行优化组合，在满足性能的同时，节约产品成本；

13)内置备用电池，在设备外部供电损坏时，能及时报警。

附图说明

图1为本发明的总体框图；

图2为本发明主控板的框图；

图3为本发明接口板的框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1、图2、图3所示，一种北斗定位塔式起重机安全记录装置，包括电源模块、主控板2、第一扩展信号接口板3、第二扩展信号接口板4、定位模块5、通信模块6和起重机状态采集模块，所述的电源模块分别与主控板2、第一扩展信号接口板3、第二扩展信号接口板4、定位模块5和通信模块6连接，所述的主控板2分别与第一扩展信号接口板3、第二扩展信号接口板4、定位模块5和通信模块6连接，所述的起重机状态采集模块分别与第一扩展信号接口板3、第二扩展信号接口板4连接。

所述的电源模块包括交流电源、电源滤波器101、第一AD/DC转换器102、第二AD/DC转换器103和电源管理单元，所述的交流电源通过电源滤波器101分别与第一AD/DC转换器102、第二AD/DC转换器103连接，所述的第一AD/DC转换器102通过电源管理单元分别与主控板2、定位模块5和通信模块6连接，所述的第二AD/DC转换器103分别与第一扩展信号接口板3、第二扩展信号接口板4连接。

所述的电源管理单元包括DC/DC转换器103、充电管理器104、电池105、电源切换器106、第一LDO107和第二LDO108，所述的第一AD/DC转换器102、DC/DC转换器103、电源切换器104依次连接，所述的DC/DC转换器103、充电管理器104、电池105、电源切换器106依次连接，所述的电源切换器106通过第一LDO107与主控板2连接，所述的电源切换器通过第二LDO108分别与定位模块5、通信模块6连接。

外部交流供电(220V单相和380V三相)直接连接至装置内部电源滤波器101，电源滤波后通过电源板给两路交流电源供电；两路交流电源安装在电源板上，各自输出1路+12V电源，供主控板、外部信号接口板使用和外部传感器使用。DC/DC转换器103将+12V电源转化为内部5V电源，供主控板或者外部信号接口板等整机内部件使用，DC/DC转换器103之前使用自恢复保险丝、压敏电阻、稳压管、三级管和IRF公司场效应管完成电源前级保护电路；充电管理器104对备份供电的电池105进行充电管理，该充电管理器输出供连接通信模块VBAT输入。

所述的主控板包括主CPU201、辅CPU202和复用RS232接口203，所述的主CPU202通过复用RS232接口203与辅CPU202连接，所述的主CPU201与第一扩展信号接口板3连接，所述的辅CPU202与第二扩展信号接口板4连接。

主控板是产品核心，内置主辅两块CPU，运行装置应用程序；安装与电源板上方，主CPU201是信息采集与处理核心，通过串行口接收北斗和GPS定位数据；通过SPI接口接收CAN总线数据，并通过SPI接口在铁电存储器、Flash存储器记录作业数据和实时工况总线数据；通过串行口连接外部显示屏，通过串行口连接通信模块，实现和服务器的连接；通过串行口实现与辅CPU连接或者短距离通信模块的连接；通过串行口采集外部臂幅编码器信号，获取塔机吊钩臂幅相对位置；通过串行口采集电子罗盘信号，获取塔臂方向信号；通过模拟接口，通过外部重力传感器信号测量塔吊起重重量，通过风速传感器获取现场风速信号；除此之外主CPU支持其他3路模拟量采样、6路DI采样和6路DO控制输出，；主CPU采用CortexM3 32位MCU，型号EFM32G380；

辅CPU202电路扩展了主CPU外部通信接口与采集控制口；通过串行口与主CPU连接，并实现实时信息交互；辅CPU通过串口连接2.4G短距离通信模块，实现不同塔机安全记录记录装置之间通信自组网；通过串口连接高度编码器信号，获取塔臂相对高度；保留3路扩展串口在今后扩展应用中，保留串口将用于通过卫星定位定向仪获取塔臂方位，通过垂直度测量装置获取塔机垂直度信息等；除此之外辅CPU还支持4路模拟量采样、6路DI采样和6路DO控制输出；辅CPU采用Cortex M3 32位MCU，型号EFM32G280。

所述的起重机状态采集模块包括臂幅编码器71、电子罗盘72、风速传感器74、重力传感器73、高度编码器76和加速度传感器75，所述的臂幅编码器71、电子罗盘72、风速传感器74、重力传感器73均通过第一扩展信号接口板3与主CPU201连接，所述的高度编码器76通过第二扩展信号接口板4与辅CPU202连接，所述的加速度传感器75直接与主CPU202连接，所述的加速度传感器为三轴加速度计，通过I2C连接与主CPU，实现塔机晃动检测与报警；

所述的主CPU通过采集臂幅编码器信号，获取塔式起重机吊钩臂幅相对位置；通过采集电子罗盘信号，获取塔式起重机塔臂方向信号；通过采集重力传感器信号测量塔式起重机起重重量，通过采集风速传感器信号获取现场风速信号；通过采集加速度传感器信号获取塔式起重机晃动检测与报警；所述的辅CPU通过采集高度编码器信号，获取塔式起重机塔臂相对高度。

所述的第一扩展信号接口板与主CPU之间设有CAN控制器、RS232接口、两路RS485接口、四路模拟输入接口、六路数字输入接口和六路数字输出接口，所述的第二扩展信号接口板与辅CPU之间设有四路RS485/232复用接口、四路模拟输入接口、六路数字输入接口和六路数字输出接口。

开关量与数据通信采用逻辑电路7414进行整形、滤波和驱动；通信接口电路采用航空接口连接器连接外部传感器\变送器、显示器或者PC，采用RS232或者RS485收发器实现；通信接口保护电路，采用TVS管、压敏电阻等实现；隔离电路采用TP181光耦组实现；CAN接口电路，采用NXP公司TJA1051T/3接口芯片实现，连接动力装置CAN总线，符合ISO11898-2协议；数字控制信号输出采用继电器实现。

所述的主控板还设有存储器、电源状态采集单元、定位指示灯、通信指示灯、电源指示灯、第一组状态指示灯和第二组状态指示灯，所述的存储器、电源状态采集单元、定位指示灯、通信指示灯、电源指示灯、第一组状态指示灯分别与主CPU连接，所述的第二组状态指示灯与辅CPU连接。所述的存储器包括Ramtron公司铁电存储器和Atmel公司Flash存储器，所述的Ramtron铁电存储器作为快速采样数据保存，每秒采集一次，保留塔机运行状态10分钟以上；所述的Flash存储器记录容量大于塔机100万次作业循环记录。

所述的通信模块包括远程无线通信单元61和短距离无线通信单元62，所述的远程无线通信单元61向指定IP地址和端口号的服务器发送塔式起重机位置数据、作业数据和现场告警状态数据，所述的短距离无线通信单元62实现各塔式起重机安全记录装置之间的自组网，实现塔式起重机防碰撞；所述的远程无线通信单元61采用GPRS方式作为数据通信手段，GPRS模块内含Si4904GSM单芯片，TCP/IP、UDP协议和短信；所述的短距离无线通信单元62采用2.4G Zigbee通信模块实现短距离通信和自组网，通信模块的核心为Freescale公司ZigBee平台MC1321x。

本发明还包括分别与第一扩展信号接口板连接的外屏显示器和CAN总线，所述的定位模块为北斗GPS兼容定位模块。

本发明留有镀金SMA射频插座，连接外接GPS/BD2天线；留有镀镍SMA射频插座，连接外接GSM天线；智能设备信号、传感器\变送器信号通过航空插座接入本装置。

本发明可实现以下功能：

1)北斗与GPS定位，准确记录塔式起重机工作地点和时间；

2)支持GPRS通信方式与监控中心连接；

3)支持2.4G短距离通信及组网，实现相邻各塔机安全记录装置相互通信；

4)采集塔机的运行状态数据，现场测量精度：重力5％，幅度：3％

5)测量各塔式起重机吊臂位置与高度，实现塔机防碰撞；

6)宽电源供电：交流220V与380V自适应

7)作业记录数据大于98万条，工作状态实时记录超过10分钟。记录数据安全性好，作业数据不仅保留在记录装置主机内，于此同时也在备份至选配外部显示屏附件的SD卡中保留；

8)记录数据可以通过显示屏SD卡导出，也可以通过连接电脑导出；

9)具有通过CAN总线采集动力装置信息功能；

10)具有塔式起重机晃动测量与告警指示功能；

11)内置备用电池，在设备外部供电中断时，能及时报警；

12)分体式结构，由可以独立使用的主机和显示屏两部分组成，在显示屏上可以直接显示作业状态和查看记录数据；

Claims (10)

1.一种北斗定位塔式起重机安全记录装置，其特征在于，包括电源模块、主控板、第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板、定位模块、通信模块和起重机状态采集模块，所述的电源模块分别与主控板、第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板、定位模块和通信模块连接，所述的主控板分别与第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板、定位模块和通信模块连接，所述的起重机状态采集模块分别与第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板连接。

2.根据权利要求1所述的一种北斗定位塔式起重机安全记录装置，其特征在于，所述的电源模块包括交流电源、电源滤波器、第一AD/DC转换器、第二AD/DC转换器和电源管理单元，所述的交流电源通过电源滤波器分别与第一AD/DC转换器、第二AD/DC转换器连接，所述的第一AD/DC转换器通过电源管理单元分别与主控板、定位模块和通信模块连接，所述的第二AD/DC转换器分别与第一扩展信号接口板、第二扩展信号接口板连接。

3.根据权利要求2所述的一种北斗定位塔式起重机安全记录装置，其特征在于，所述的电源管理单元包括DC/DC转换器、充电管理器、电池、电源切换器、第一LDO和第二LDO，所述的第一AD/DC转换器、DC/DC转换器、电源切换器依次连接，所述的DC/DC转换器、充电管理器、电池、电源切换器依次连接，所述的电源切换器通过第一LDO与主控板连接，所述的电源切换器通过第二LDO分别与定位模块、通信模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种北斗定位塔式起重机安全记录装置，其特征在于，所述的主控板包括主CPU、辅CPU和复用RS232接口，所述的主CPU通过复用RS232接口与辅CPU连接，所述的主CPU与第一扩展信号接口板连接，所述的辅CPU与第二扩展信号接口板连接。

5.根据权利要求4所述的一种北斗定位塔式起重机安全记录装置，其特征在于，所述的起重机状态采集模块包括臂幅编码器、电子罗盘、风速传感器、重力传感器、高度编码器和加速度传感器，所述的臂幅编码器、电子罗盘、风速传感器、重力传感器均通过第一扩展信号接口板与主CPU连接，所述的高度编码器通过第二扩展信号接口板与辅CPU连接，所述的加速度传感器直接与主CPU连接，所述的加速度传感器为三轴加速度计；

所述的主CPU通过采集臂幅编码器信号，获取塔式起重机吊钩臂幅相对位置；通过采集电子罗盘信号，获取塔式起重机塔臂方向信号；通过采集重力传感器信号测量塔式起重机起重重量，通过采集风速传感器信号获取现场风速信号；通过采集加速度传感器信号获取塔式起重机晃动检测与报警；

所述的辅CPU通过采集高度编码器信号，获取塔式起重机塔臂相对高度。

6.根据权利要求5所述的一种北斗定位塔式起重机安全记录装置，其特征在于，所述的第一扩展信号接口板与主CPU之间设有CAN控制器、RS232接口、两路RS485接口、四路模拟输入接口、六路数字输入接口和六路数字输出接口，所述的第二扩展信号接口板与辅CPU之间设有四路RS485接口、四路模拟输入接口、六路数字输入接口和六路数字输出接口。

7.根据权利要求5所述的一种北斗定位塔式起重机安全记录装置，其特征在于，所述的主控板还设有存储器、电源状态采集单元、定位指示灯、通信指示灯、电源指示灯、第一组状态指示灯和第二组状态指示灯，所述的存储器、电源状态采集单元、定位指示灯、通信指示灯、电源指示灯、第一组状态指示灯分别与主CPU连接，所述的第二组状态指示灯与辅CPU连接。

8.根据权利要求4所述的一种北斗定位塔式起重机安全记录装置，其特征在于，所述的通信模块包括远程无线通信单元和短距离无线通信单元，所述的远程无线通信单元向指定域名或IP地址及指定端口号的服务器发送塔式起重机位置数据、实时工作状况、作业数据和现场告警状态数据，所述的短距离无线通信单元实现各塔式起重机安全记录装置之间的自组网，实现塔式起重机防碰撞。

9.根据权利要求8所述的一种北斗定位塔式起重机安全记录装置，其特征在于，所述的远程无线通信单元为GPRS、CDMA1X、EVDO或WCDMA通信单元，所述的短距离无线通信单元为2.4G短距离无线通信单元。

10.根据权利要求1所述的一种北斗定位塔式起重机安全记录装置，其特征在于，还包括分别与第一扩展信号接口板连接的外屏显示器和CAN总线，所述的定位模块为北斗GPS兼容定位模块。

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