技術文獻：無線傳感器網絡在塔式起重機監控系統中的研究與及應用

該篇文章主要講述的是基于無線傳感網絡的塔式起重機監控系統結構。對ZigBee技術和GPRS技術在當前塔機監控系統中的應用研究現狀以及存在的問題做出具體分析，指出將ZigBee技術和GPRS技術相結合應用在塔機無線監控系統中的優勢，為塔機無線監控指出發展趨勢和研究方向。

同一施工現場往往同時布置多臺近距離交叉作業的塔機，塔機與塔機之間、塔機與建筑物之間互相碰撞的事故時有發生。同時，由于塔機結構的特殊性，重心高、臂架長，啟動和制動頻繁，是一種極易發生事故的設備，國內外每年都會發生塔倒人亡的重大安全事故。塔機事故主要是使用和維護方面的原因引發的，約占70%，主要是安全管理不嚴格，違章或錯誤操作，安全裝置失效，不合理的維修保養等，此種事故的隨機性大、種類多、情況復雜，較難控制。完善安全監控系統能夠及時發現塔機關鍵部件的故障，防止重大事故的發生，提高塔機的工作效率和安全性能。

傳統的塔機監控系統采用有線通信方式，傳感器與塔機控制臺、塔機控制臺與施工現場控制中心采用有線連接，施工周期長、連接困難，一旦塔機移動或增減塔機，需花費較多時間和費用進行網絡改造，無法滿足復雜環境下實時性、可靠性的通信要求。而無線傳感器網絡具有動態拓撲、自組織網絡、多路由等特點，可以克服特殊地理和氣候環境的障礙，且易于擴展，具有傳統有線監控系統無法比擬的靈活性。基于以上優點，將無線傳感器網絡技術應用到塔機群監控系統中，具有良好的應用前景。

一、基于無線傳感器網絡的塔機監控系統的結構

塔機無線監控系統主要組成部分如圖1所示。為管理大量無線網絡節點，需創建一個樹形結構，將來自終端節點、路由節點和網關節點的信息回傳到中央控制點。借助個人局域網(PAN)協調器，用戶可通過中央控制點對系統實施監測和控制。首先網關節點作為個人局域網協調器建立一個無線傳感網絡，然后由多個路由器加入這個無線傳感網絡;其次放置在塔機關鍵部位、專門獲取塔機工作過程中故障信息的多個傳感器終端節點，通過路由器或作為網關的子節點加入網絡。傳感器終端節點采集各個塔機的工作參數，通過A/D轉換器將模擬信號轉換成數字信號，將處理后的數據通過RS232串口發送給無線模塊，同時也可以由無線模塊接收主控系統發送的控制信號，進行設備監控。加入無線傳感器網絡的終端節點通過父節點的路由器或者直接把預警系統所需的數據信息發送給網關節點，再由網關節點通過USB等傳送給上位機。

圖1 塔機無線監控系統網絡結構示意圖
 

二、無線通信技術在塔機監控系統中的研究與應用現狀

無線通信技術作為無線傳感器網路的關鍵技術，在塔機監控系統中發揮重要作用，其中Zig-Bee技術和GPRS技術是塔機無線監控系統的研究重點。

1、ZigBee技術

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議，是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術。主要用于傳輸距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間的數據傳輸，以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。國內ZigBee技術的研究起步比較晚，隨著無線通信技術大趨勢的發展，很多高校和研究機構已經開始無線通信技術在塔機監控系統的研究和應用。將ZigBee技術應用到單個塔機的監控系統中，用于傳輸布置于塔機上的超聲傳感器節點信息的無線傳感網絡的設計，ZigBee無線通信模

塊硬件使用TI公司生產的CC2530芯片，在軟件方面對TI公司最新的Z-Stack-CC2530-2.2.2版本的協議棧進行二次開發。實驗樣本為QTZ630系列塔機，根據塔機的真實高度在地面上水平布置網絡節點獲取數據。結果表明在沒有大干擾源的室外工況，100～200m范圍內數據能準確達到，信號傳輸距離滿足塔機預警系統的數據傳輸要求。而且CC2530與Z-Stack協議棧的結合，給節點提供了更加智能化的工作模式，自適應與自愈合的網絡特性和安全與鑒權功能更加適合塔機的工作環境和塔機預警系統對網絡的各項要求。對基于ZigBee技術的塔機群控無線通信系統進行研究，從塔機無線通信模塊的實際工作參數要求入手，通過通信性能測試，獲得在模擬建筑物干擾環境下的遠距離通信速率為37236.36b/s，大于塔機群通信速率要求的16000b/s，置信度95%下誤碼率為零。選用中國建筑科學院研發的TSCMS系列塔機安全監控管理系統進行無線通信實驗，當發送周期為15ms時出現丟包，仍可以滿足塔機群無線通信周期小于等于25ms的要求。完成監控系統與ZigBee模塊接口通信，證明ZigBee模塊完全能夠滿足塔機無線通信的需求。

2、GPRS技術

GPRS是通用分組無線服務技術的簡稱，它以封包式傳輸，因此使用者所負擔的費用按其傳輸資料單位計算，并非使用整個頻道，理論上較為便宜。GPRS通信充分利用現有的網絡資源，可以實現數據高速、大容量傳輸，高速數據傳輸最大可達160Kbps。借助GPRS網絡與Internet無縫連接，通過塔機工作現場的GPRS模塊可將采集的參數信息傳輸到遠端置于Internet上的監控端，只要是GPRS網絡覆蓋的地方，都在可監控的范圍之內。塔機工作狀態數據由GPRS無線通信模塊發送到GPRS無線通信網絡上，GPRS網絡根據相應的協議在智能終端和接入Internet的監控中心之間建立一條支持TCP /IP協議的數據通道，監控中心把通過這條通道傳送來的塔機位置數據和工作參數信息存儲到數據庫中，后臺服務軟件讀取并顯示這些數據，實時監視塔機的工作情況。

目前國內很多高校和研究機構已經對基于GPRS技術的塔機無線監控系統進行了深入的研究并已投入應用。采用了通用分組無線業務(GPRS)無線通訊方式，結合動態服務器主頁(ASP)開發技術，設計了一種基于Web和GPRS的塔機遠程監控系統，用戶可以通過瀏覽器訪問數據庫，對數據進行實時的監控和分析。濟南微控科技發展有限公司研發的塔機安全監控管理系統系統-GPRS遠程監控可廣泛應用于各類起重機，實現對其工作狀況的實時安全保護監測和數據的GPRS傳輸。

三、塔機無線監控系統所面臨的問題及解決方案

1、面臨的問題

(1)ZigBee網絡考慮了網絡中的節點數量變化，所以每個節點相隔一段時間都需要通過無線信號交流的方式重新組網，且每一次將信息從一個節點發送到另一個節點時，需要掃描各種可能的路徑，而這些需要占用大量的帶寬，并增加數據傳輸時延。隨著施工現場塔機數量的增多，需要的節點數目也隨之增加，可用速率將大大降低，數據傳輸時延也將大大增加，會對塔機監控系統的實時性產生影響。

(2)ZigBee技術通過網絡節點之間信息的互傳，理論上每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展，但是將一個信息從一個節點傳輸到遠處的另一個節點，需要較多的節點進行數據中轉，這會造成ZigBee網絡占用帶寬和傳輸時延的增加。雖可用放大器來增加ZigBee網絡節點的傳輸距離，但這必然會增加網絡節點的功耗和成本，失去了ZigBee低成本、低功耗的優勢。

(3)GPRS受GSM網絡信號質量的影響，在傳輸數據的過程中存在一定的延時。若采用這種方式同時進行多個點的數據采集，各個采集點接受采集命令的時間有誤差，因此無法完成多個采集點的數據同步采集。

2、解決方案

在塔機無線監控系統中加入GPRS模塊，可解決遠程數據傳輸問題，同時大大減少ZigBee網絡節點數量，不會影響ZigBee網絡的傳輸時延，解決了上述前(2)個問題。采用ZigBee網絡組網方便，其網絡信號質量基本不受外界影響，當其向各個ZigBee終端發送采集命令時，各個終端能同時收到采集命令，從而實現多點的同步數據采集，解決第(3)個問題。綜上，將GPRS技術和ZigBee技術相結合，進行塔機遠程無線監控，既能實現遠程無線數據傳輸，又可解決多點的同步數據采集問題，而且通過GPRS模塊實時將數據上傳至網絡，也可以將報警信號發送至手機終端上。

四、結語

本文分析了無線傳感器網絡技術在塔機上的應用，結合了ZigBee和GPRS技術的特點，分析了目前塔機監控系統的研究現狀和發展趨勢。得出結論：基于ZigBee技術的塔機監控系統適用于單臺塔機和小范圍塔機群的無線監控;而將GPRS技術和ZigBee技術相結合便可以滿足在不同區域大范圍內的塔機在計算機的統一管理下，對諸多參數實施同步監測、協調處理和綜合判斷。由此可見，采用GPRS和ZigBee技術共用的方案設計塔機監控系統，具有良好的推廣價值和廣闊的應用前景。隨著3C網絡的普及3G網絡費用的降低，可以嘗試把本系統中的GPRS模塊換成3G模塊，以加快網絡的傳輸速度，提高系統實時性。