CN204111105U - 基于ZigBee无线技术的施工升降机导轨架倾塌监测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于ZigBee无线技术的施工升降机导轨架倾塌监测装置，包含数据采集终端、数据远程传输设备和云监控中心；数据采集终端包括电阻应变式应力传感器、重力加速度传感器和ZigBee无线路由器模块；数据远程传输设备为ZigBee无线协调器模块、ARM控制处理模块、3G/4G无线通信模块；云监控中心是部署在云平台上的数据分析处理预警系统。本实用新型将物联网无线传感器网络技术应用到了建筑施工领域的安全生产监测管理中，构建了一种低成本、低功耗、自组网、模块化设计的监控系统，系统有利于及早的发现施工升降机导轨架形变和倾斜可能引发的倾塌风险。

Description

基于ZigBee无线技术的施工升降机导轨架倾塌监测装置

技术领域

本实用新型属于建筑工程安全监测和物联网无线传感器网络相结合的领域，具体涉及一种基于ZigBee无线技术的施工升降机导轨架倾塌监测装置。

背景技术

随着无线通信技术的不断进步，近年来物联网无线传感器网络得到了长足的发展。当前，物联网无线传感器网络从数据采集检测，到数据传输存储，以及之后的数据综合分析处理都已经实现了全程智能化，因此用于建筑施工安全监测所关心的物理变量进行连续长期的检测，捕捉变化的特征信息，通过无线方式将监测数据及时发送到远程安全监控中心，可及早发现施工工程中存在的安全隐患，减少安全生产事故。施工升降机属于起重机械设备，多用于建筑过程中，是建筑工程垂直运输不可缺少的施工设备。施工升降机采用模块结构，是因为它使用于建筑过程中，升降机要随着施工工程而不停地转移，因此其结构必须便于拆卸和组装。比如在这个工地使用结束后，把升降机解体，运输到另外一个工地进行重新组装继续使用。施工升降机的承载结构自成体系，对建筑的依赖低，多采用强制驱动，在吊笼上安装有驱动装置，通过齿轮和齿条传动系统，二者相互配合，从而实现升降机在导轨架的轨道上的上升和下降。施工升降机在建筑工程中发挥着重要作用，那么怎样安全使用施工升降机来进行相关作业，是需要用心关注的问题，特别是近年来不断的发生施工升降机的恶性事故，比如武汉施工升降机坠落致19人死亡事故，已经引发的相关部门对安全使用升降机的进一步高度重视。通过分析施工升降机坠落原因，发现存在的问题大体有以下几点：(1)安装施工升降机时不照说明书要求打基础，由工地负责人说了算。(2)基础太靠近边坡，或立在沉陷不均的地方。(3)基础混凝土没凝结好，就急于使用。又不采取保护加固措施。(4)底座压重不到份量。(5)缆风绳太松，或地锚不可靠，起不了保护作用。(6)附墙架安装得不可靠，起不到应有的作用。(7)立柱导轨标准节在搬运中碰弯，又不及时修复或加强。(8) 导轨架主弦杆长细比太大，易于局部失稳，也易于摔碰弯曲。上述问题一般在新的施工工地刚安装好升降机并投入使用时不会明显的表现出来，但也正因为如此，更容易造成日后的使用过程中发生重大的人员伤亡事件。根据施工升降机倒塌前，升降机导轨架一般都发生了一定程度的形变或倾斜，因此通过长期监测升降机承重梁上的应力变化，以及导轨架的倾斜情况，可以预先发现可能存在的升降机倒塌的安全隐患，避免人员伤亡的惨剧。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有升降机安全监测手段不足，提出了一种基于ZigBee无线技术的施工升降机导轨架倾塌监测装置，可克服现有人工监测难度大、成本高、监测的准确性和实效性差等弊病。

本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：一种基于ZigBee无线技术的施工升降机导轨架倾塌监测装置，其特点是：它包括：

1）用于采集施工升降机导轨架各阶承重梁上的应力变化和倾斜角度并发送给数据远程传输设备的数据采集终端，

2）用于接收终端采集的数据并传输至远端云监控中心存储的数据远程传输设备，

3）用于通过分析处理采集的数据及时准确地找出导轨架已发生形变和倾斜并给出预警的云监控中心；

数据采集终端包括电阻应变式应力传感器、重力加速度传感器和ZigBee无线路由器模块；数据远程传输设备包括ZigBee无线协调器模块、ARM控制处理模块、3G/4G无线通信模块；云监控中心是部署在云平台上的数据分析处理预警系统。

本实用新型系统配置简单，安装灵活，使用方便，借助Zigbee技术自组网、低成本、低功耗的特点，构建了一种适合施工升降机使用的导轨架倾塌监测系统，避免了传统电缆布线时采集点布置困难、系统成本高、安装维护难度大的缺点，特别适合施工升降机这种随着施工工程而不停地转移，经常拆卸和组装，高度也时常变化的建筑设备。

下面结合附图对本实用新型的监测系统作进一步描述。

附图说明

图1为本实用新型的构架图。

图2为本实用新型的数据采集终端硬件结构图。

图3为本实用新型的数据远程传输设备硬件结构图。

图4为云监控中心功能结构图。

具体实施方式

 本实用新型包含数据采集终端、数据远程传输设备和云监控中心；数据采集终端包括电阻应变式应力传感器、重力加速度传感器和ZigBee无线路由器模块，用于采集施工升降机导轨架各阶承重梁上的应力变化和倾斜角度并发送给数据远程传输设备；数据远程传输设备包括ZigBee无线协调器模块、ARM控制处理模块、3G/4G无线通信模块，用于接收终端采集的数据并传输至远端云监控中心存储；云监控中心是部署在云平台上的数据分析处理预警系统，用于通过分析处理采集的数据及时准确地找出导轨架已发生形变和倾斜，存在倾塌隐患的施工升降机，并给出预警。施工升降机导轨架根据高度来安放多个数据采集终端，数据采集终端之间以及与数据远程传输设备通过Zigbee无线网络通讯，共同组成Zigbee网状拓扑结构的监控网；数据采集终端的无线芯片工作在ZigBee无线路由器模式，数据远程传输设备的无线芯片工作在ZigBee无线协调器模式，ZigBee无线协调器为ZigBee无线路由器分配网络地址完成组网；数据采集终端可自主向数据远程传输设备发送采集数据，数据远程传输设备可命令指定的数据采集终端采集数据并传送给自己。

所述数据采集终端由ZigBee无线路由器模块、电阻应变式应力传感器、重力加速度传感器三部分组成。所述ZigBee无线路由器模块采用了符合Zigbee协议具有USART接口、ADC接口、GPIO通用引脚的 CC2530无线芯片，CC2530无线芯片工作在无线路由器模式。所述电阻应变式应力传感器通过导线与CC2530无线芯片的ADC接口连接，所述重力加速度传感器的引脚与CC2530无线芯片的GPIO引脚模拟的I IC接口连接。

所述数据远程传输设备由ZigBee无线协调器模块、ARM控制处理模块、3G/4G无线通信模块三部分组成。所述ZigBee无线协调器模块采用符合Zigbee协议的CC2530无线芯片，CC2530无线芯片工作在无线协调器模式。所述ARM控制处理模块采用基于ARM架构的三星S3C2440A芯片。所述3G/4G无线通信模块是指各种网络制式的USB无线上网卡。所述ARM控制处理模块通过串口与所述ZigBee无线协调器模块连接。所述ARM控制处理模块通过USB口与所述3G/4G无线通信模块连接。当某个数据采集终端距离数据远程传输设备太远超出Zigbee的通讯距离时，或者当某条网络中断时，会自动经由其它数据采集终端与远程传输设备通讯，数据采集终端能够自由加入和退出无线监控网络，从而实现整个无线监控网络的自组织和自恢复。

所述云监控中心是部署在云平台上的数据分析处理预警系统，系统集合了统计学和物理学的相关算法，经过对终端采集的基础数据进行分析运算能够判断出施工升降机是否存在倾塌的安全隐患。

升降机上的数据采集终端之间以及与数据远程传输设备通过2.4GHz的ISM频段构建成基于IEEE 802.15.4技术标准和Zigbee网络协议的Zigbee无线网络，安装在导轨架上的数据采集终端周期的采集施工升降机各阶承重梁上的应力变化和倾斜角度并发送给数据远程传输设备，数据远程传输设备对采集的数据进行简单处理，剔除未发生变化的值，对明显异常的值则会命令对应的数据采集终端再次采集传输，之后将多个数据采集终端采集的数据打包后通过3G/4G网络上传云监控中心。云监控中心对上传的采集基础数据结合历史采集数据通过一系列统计学和物理学运算判断出施工升降机是否发生了有害形变和倾斜，对于发现的存在倾塌隐患的施工升降机会及时通过预警系统告知监管、施工、监理等单位。

图1为本实用新型的构架图。系统包含终端数据采集、数据远程传输和云监控中心三部分。图1左下为第一部分，即由数据采集终端构成的Zigbee网络；图1右下为第二部分，即数据远程传输部分；图1右上为第三部分，即云监控中心部分。施工升降机上的数据采集终端之间以及与数据远程传输设备通过2.4GHz的ISM频段构建成基于IEEE 802.15.4技术标准和Zigbee网络协议的Zigbee无线网络，安装在导轨架上的数据采集终端周期的采集施工升降机各阶承重梁上的应力变化和倾斜角度并发送给数据远程传输设备，数据远程传输设备对采集的数据进行简单处理，剔除未发生变化的值，对明显异常的值则会命令对应的数据采集终端再次采集传输，之后将多个数据采集终端采集的数据打包后通过3G/4G网络上传云监控中心。云监控中心对上传的采集基础数据结合历史采集数据通过一系列统计学和物理学运算判断出施工升降机是否发生了有害形变和倾斜，对于发现的存在倾塌隐患的施工升降机会及时通过预警系统告知监管、施工、监理等单位。为节省电能，数据采集终端只有下面三种情况会被唤醒，其它时间则进入休眠状态，(1)用于周期性监测产生的定时器中断；(2)加速度传感器检测到X、Y、Z轴上的加速度变化达到或超过设定阀值后产生的外部中断；(3)远程传输设备通过Zigbee网络向指定数据采集终端下发指令产生的网络唤醒中断。数据采集终端的无线芯片工作在ZigBee无线路由器模式，在采集信息后向上传输时，数据采集终端之间通过多跳路由辅助它的子节点完成通讯，进行消息的转发和数据传送，通过连接邻居节点来扩展网络覆盖范围。数据远程传输设备的无线芯片工作在ZigBee无线协调器模式，协调节点是整个Zigbee网络的控制者，负责网络的启动或建立，协调器节点先选择一个信道和网络ID，然后建立一个网络，并向临近的节点以广播的方式发送信标帧。数据远程传输设备一方面采用Zigbee无线网络方式同路由节点连接，另一方面采用3G/4G模块通过无线通信运营商的手机网络与云监控中心连接，从而实现远程监控预警。施工工地升降机采集现场整个Zigbee网络具有较快的自修复能力，组网方便快捷、支援多种网络拓扑，具有低复杂度、快速可靠等优点。保证了用于施工升降机监控的无线网络健壮性、系统稳定性和监控实时性，能够避免多跳网络中由于某个路由节点故障而导致大面积的网络中断。云监控中心是部署在云平台上的数据分析处理预警系统，是基于WEB后台的管理系统，包括采集信息的处理及显示、远程操作控制、采集设备远程管理、预警发布、网络拓扑结构显示和用户管理等。云监控平台能够第一时间通过因特网、API接口和手机信息将预警内容发送到相关部门和人员，真正实现了实时监控和预警发布。

图2是数据采集终端硬件结构图。它是以CC2530芯片为主器件的硬件模块，包括CC2530无线射频芯片、电阻应变式应力传感器、重力加速度传感器、复位电路、晶振电路、天线和电源模块等。

图3是数据远程传输设备硬件结构图。它是以S3C2440A芯片为核心的硬件模块，包括S3C2440A处理器、CC2530芯片、3G/4G模块和电源模块，其中S3C2440A处理器和CC2530芯片通过USART通信，S3C2440A处理器和3G/4G模块通过USB接口连接，通过USB仿真串口实现控制3G/4G模块完成PPPoE拨号，从而实现网络连接。

图4是云监控中心功能结构图，云监控中心是部署在云平台上的数据分析处理预警系统，是基于WEB后台的管理系统，包括用户管理子系统、设备管理子系统、数据存储子系统、数据分析子系统和预警发布子系统。所述的数据分析子系统能够对终端采集的基础数据进行深层次数据挖掘和综合判断分析，从而对施工升降机是否具有倾塌隐患进行诊断。

Claims (3)

1.一种基于ZigBee无线技术的施工升降机导轨架倾塌监测装置，其特征在于：它包括：

1）用于采集施工升降机导轨架各阶承重梁上的应力变化和倾斜角度并发送给数据远程传输设备的数据采集终端，

2）用于接收终端采集的数据并传输至远端云监控中心存储的数据远程传输设备，

3）用于通过分析处理采集的数据及时准确地找出导轨架已发生形变和倾斜并给出预警的云监控中心；

数据采集终端包括电阻应变式应力传感器、重力加速度传感器和ZigBee无线路由器模块；数据远程传输设备包括ZigBee无线协调器模块、ARM控制处理模块、3G/4G无线通信模块；云监控中心是部署在云平台上的数据分析处理预警系统。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的施工升降机导轨架倾塌监测装置，其特征在于：所述ZigBee无线路由器模块采用符合Zigbee协议具有USART接口、ADC接口、GPIO通用引脚的 CC2530无线芯片，CC2530无线芯片工作在无线路由器模式；所述电阻应变式应力传感器通过导线与CC2530无线芯片的ADC接口连接，所述重力加速度传感器的引脚与CC2530无线芯片的GPIO引脚模拟的IIC接口连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于ZigBee无线技术的施工升降机导轨架倾塌监测装置，其特征在于：所述ZigBee无线协调器模块采用符合Zigbee协议的CC2530无线芯片，CC2530无线芯片工作在无线协调器模式；所述ARM控制处理模块采用基于ARM架构的三星S3C2440A芯片；所述3G/4G无线通信模块为各种网络制式的USB无线上网卡；所述ARM控制处理模块通过串口与所述ZigBee无线协调器模块连接；所述ARM控制处理模块通过USB口与所述3G/4G无线通信模块连接。