基于數(shù)字傳感器的高處作業(yè)吊籃安全測控系統(tǒng)的設(shè)計

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(山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

隨著城市化建設(shè)的飛速發(fā)展，高層、超高層建筑在城市建設(shè)中愈加普遍，具有工作效率高、使用靈活等優(yōu)點的電動吊籃在施工中的應(yīng)用越來越廣泛。作為高空作業(yè)的平臺，除實用性之外，安全性是施工吊籃最值得關(guān)注的方面。傳統(tǒng)的吊籃安全保障多依靠定時的人工檢查，以及一些純機(jī)械方式的安全裝置，如安全鎖、限位器等產(chǎn)品。在戶外施工現(xiàn)場高空、多塵和多沙的環(huán)境下，此類產(chǎn)品的可靠性令人擔(dān)憂，不達(dá)標(biāo)的人工安裝及違章操作也會使這些裝置失去效用。并且這類裝置不具備信息的采集和反饋功能。

在此，基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計一種新型的吊籃安全監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控模塊實時采集吊籃的載荷和姿態(tài)信息，經(jīng)微處理器統(tǒng)一處理后，對吊籃的運行狀況作出判斷。對于輕微的異常作出預(yù)警和適當(dāng)調(diào)整，如果數(shù)據(jù)超出故障閾值，則在現(xiàn)場發(fā)出聲光報警，并立即切斷吊籃的驅(qū)動電源，保護(hù)施工人員的安全?，F(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)和報警信息，同時通過ZigBee模塊無線發(fā)送至值班監(jiān)控的上位機(jī)。一方面在發(fā)生故障時，告知現(xiàn)場安全人員采取相應(yīng)措施；另一方面可使用上位機(jī)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)和報警記錄的分析，以此制定合理的安檢計劃，預(yù)防突發(fā)事故的發(fā)生，防患于未然。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由現(xiàn)場測控模塊和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成。

現(xiàn)場測控模塊安裝于吊籃中部專用的電器控制箱內(nèi)，完成對吊籃運行監(jiān)控的主要功能，同時依據(jù)上位機(jī)的需求向上位機(jī)發(fā)送吊籃運行的實時數(shù)據(jù)，供上位機(jī)記錄、分析及在出現(xiàn)異常時同步向其發(fā)送報警信息?，F(xiàn)場模塊具有相對獨立的功能，即使沒有上位機(jī)的參與，仍能執(zhí)行對吊籃的安全保障功能。系統(tǒng)的整體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

2 現(xiàn)場監(jiān)控模塊的設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場監(jiān)控模塊的硬件原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)控模塊硬件結(jié)構(gòu)

該模塊以STM32微處理器為核心，輸入部分集合了銷軸式測重傳感器、風(fēng)速傳感器和加速度傳感器。分別感知當(dāng)前的風(fēng)速、吊籃載重和運行姿態(tài)等信息，由微處理器讀取后進(jìn)行綜合處理判斷。數(shù)據(jù)存儲器起到暫存現(xiàn)場數(shù)據(jù)的作用，在與主機(jī)的通信中斷的情況下，保護(hù)一定時間段內(nèi)的現(xiàn)場信息。輸出部分執(zhí)行微處理器對輸入數(shù)據(jù)解算、處理，以及邏輯推演、判斷之后發(fā)出的控制命令，主要控制提升機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停止，發(fā)出語音提示信息，以及在出現(xiàn)故障現(xiàn)象時，對系統(tǒng)的保護(hù)性斷電和聲光報警。ZigBee模塊連接在主處理器的串行通信口上，負(fù)責(zé)現(xiàn)場模塊與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。通過對該模塊的設(shè)置，在數(shù)據(jù)信息串的末尾會附加自身的短地址，以對不同的模塊做出區(qū)分。

2.2 安全載荷的監(jiān)測

安裝在吊籃兩側(cè)的2個測重傳感器分別輸出吊籃兩端的懸吊重力。這2個數(shù)據(jù)被微處理器讀取后，進(jìn)行比較分析，可以確定吊籃的總體載荷情況和載荷的平衡狀況。據(jù)此可發(fā)出相應(yīng)的控制和報警指令，確保吊籃運行中的載荷安全。

其中，將這2個數(shù)據(jù)相疊加后即得吊籃的總載重量，將其與額定載重量進(jìn)行比較，可作出是否超載的判斷。如果測得的總載荷大于額定值即判定為超載，則由程序發(fā)出提升機(jī)斷電指令和超載報警指令。由于施工人員的某些操作，可能在實際載荷不變的情況下造成傳感器采集數(shù)值的瞬間波動，因此應(yīng)依據(jù)有一定時間間隔的多次采樣值作出綜合判斷，這一點同樣適用于對吊籃是否偏載的判斷。

在吊籃的實際載荷小于額定載荷的情況下，對吊籃兩端的重力數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可了解吊籃載荷的平衡狀況。將2個數(shù)值中大者與小者作比值并作為反映偏載情況的系數(shù)，如果此值大于1.25，則可作出偏載判斷，由程序發(fā)出相應(yīng)指令。由于上述同樣的原因，也應(yīng)對多次采樣作綜合判斷。

如果吊籃載荷和載荷分布均滿足要求，則不對吊籃的正常操作做出干預(yù)。

2.3 吊籃姿態(tài)平衡的檢測與控制

對吊籃運行姿態(tài)的檢測主要由加速度傳感器來完成，加速度計是一種慣性敏感元件，其對加速度的感應(yīng)由內(nèi)部懸浮狀態(tài)的慣性質(zhì)量塊完成。各個方向的加速度使質(zhì)量塊發(fā)生相應(yīng)的位移，帶動差分電容的極板移動，使差分電容容量變化，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路輸出與加速度成線性關(guān)系的電壓。再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波后得到加速度的數(shù)字量。該值暫存在輸出寄存器中，以中斷或直接讀取的方式輸入處理器[1]。

系統(tǒng)選用的是ADI公司的一款3軸、數(shù)字輸出的加速度傳感器ADXL345。該器件能測量不到 1.0°的傾斜角度變化，支持標(biāo)準(zhǔn)的 IIC或 SPI 數(shù)字接口，內(nèi)部集成有32級的FIFO(先入先出)存儲器，可有效減輕處理器的內(nèi)存負(fù)擔(dān)，并且可以自主產(chǎn)生檢測典型運動狀態(tài)的中斷信號[2]。

掌握了物體的瞬時加速度，就可確定多種物體的運動參數(shù)。

物體發(fā)生傾斜時，豎直方向的重力加速度在其余方向產(chǎn)生分量。反映在加速度傳感器上，是在其X，Y測量軸上的分量。依據(jù)3個測量軸上重力分量間的數(shù)值關(guān)系,結(jié)合三角函數(shù)，可以計算獲得物體的傾斜角度[3]。物體姿態(tài)與3個測量軸的偏轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 物體姿態(tài)與3個測量軸的偏轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系

繞自然坐標(biāo)系x軸的旋轉(zhuǎn)角度為：

(1)

繞自然坐標(biāo)系y軸的旋轉(zhuǎn)角度為：

(2)

ax，ay，az是重力加速度在加速度計X，Y，Z三軸的分量。

在吊籃上合理安置加速度傳感器，微處理器程序循環(huán)讀取其采樣的三軸加速度值，使用上面的公式即可計算得出反映吊籃橫向和縱向傾斜程度的角度值。

由于提升機(jī)速度差異、左右鋼絲繩規(guī)格不同、籃內(nèi)載荷不均勻等因素的影響，在吊籃運行過程中難免累積造成縱向傾斜。對于多數(shù)非故障原因?qū)е碌目v向傾斜，可以通過對懸吊平臺兩側(cè)提升機(jī)的合理控制予以即時消除，提高吊籃的使用效率。

當(dāng)啟動吊籃上升或下降時，系統(tǒng)以上述方法不斷檢測吊籃平衡狀態(tài)。在確定吊籃無超載和明顯偏載的情況下，如果檢測到吊籃縱向傾斜超出閾值，則啟動定時器，在設(shè)定的時間內(nèi)根據(jù)吊籃當(dāng)時的運行狀態(tài)作出調(diào)整。若超出設(shè)定時間吊籃仍不能恢復(fù)平衡，則發(fā)出故障指令和報警信號。

例如，在吊籃上升過程中，監(jiān)控模塊識別到吊籃已處于超過閾值的左低右高的狀態(tài)時，首先發(fā)出語音提示，提醒工作人員監(jiān)控程序進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)，同時開啟定時。在平衡過程中，首先暫停吊籃的上升狀態(tài)，然后啟動左側(cè)提升電機(jī)，使平臺左端上升，其間控制器以較高的速率不斷循環(huán)采樣加速度數(shù)據(jù)、解算縱向傾角值，當(dāng)傾角數(shù)值進(jìn)入合理范圍后，停止左側(cè)提升機(jī)，再作判斷確認(rèn)吊籃姿態(tài)。如果吊籃已經(jīng)達(dá)到平衡，則發(fā)出語音提示，結(jié)束調(diào)整程序，恢復(fù)吊籃的正常運行。若當(dāng)定時器溢出時，吊籃仍未平衡，則停止吊籃運行，并立即發(fā)出報警信息。在吊籃其他的運行狀態(tài)下，有相應(yīng)的類似控制程序。

2.4 現(xiàn)場模塊軟件流程

現(xiàn)場監(jiān)控模塊的軟件流程如圖4所示。

系統(tǒng)初始化后，首先采集、判斷現(xiàn)場的風(fēng)速，在國家標(biāo)準(zhǔn)GB 19155--2003中，要求吊籃工作處陣風(fēng)風(fēng)速不大于8.3 m/s(相當(dāng)于5級風(fēng)力)[4]。如果風(fēng)速超出規(guī)定，則發(fā)出語音提示報告當(dāng)時風(fēng)速值，提示工作人員當(dāng)前天氣條件不適合進(jìn)行吊籃施工作業(yè)。之后判斷吊籃的載重情況，在載重安全的前提下，再對吊籃運行姿態(tài)作出判斷和調(diào)整。最后查詢連接ZigBee通信模塊的串口是否收到上位機(jī)的查詢命令，依據(jù)命令發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)，在默認(rèn)的情況下會將上述采集到的數(shù)據(jù)全部依次發(fā)出。

圖4 現(xiàn)場模塊軟件流程

2.5 ZigBee傳輸模塊與組網(wǎng)

現(xiàn)場監(jiān)控模塊采用ZigBee技術(shù)與系統(tǒng)的上位機(jī)之間進(jìn)行通信，組網(wǎng)時以上位機(jī)的ZigBee模塊作為Coordinator(中心協(xié)調(diào)器)，現(xiàn)場各個吊籃監(jiān)控模塊的ZigBee通信模塊為Router(路由器)節(jié)點組成MESH網(wǎng)絡(luò)。這樣的組網(wǎng)方式，數(shù)據(jù)傳輸最為靈活。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可同時兼有終端與路由雙重功能。傳輸?shù)逆溌芬罁?jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況自主生成。因此，不論網(wǎng)絡(luò)狀況如何變化，2個正常工作的節(jié)點間都可進(jìn)行通訊，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜詷O強(qiáng)。任何一個加入MESH網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點都會分配到1個網(wǎng)內(nèi)唯一短地址，作為網(wǎng)內(nèi)的識別標(biāo)識[5]。在此方案中，網(wǎng)內(nèi)采用透明傳輸加短地址的方式傳輸數(shù)據(jù)。這種模式下，處理器交給中心協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)會以廣播的方式傳送給其余節(jié)點。其余每個節(jié)點得到的數(shù)據(jù)，也會即刻傳輸至中心協(xié)調(diào)器。在每個相互傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組的末尾附有2個單獨的字節(jié)，即為發(fā)出該數(shù)據(jù)的節(jié)點的短地址，以作相互識別之用[6]。上位機(jī)可以據(jù)此判斷是哪一個吊籃的監(jiān)控模塊傳來的數(shù)據(jù)，由此上位機(jī)就可以對整個施工現(xiàn)場的所有吊籃實施監(jiān)控。

3 上位機(jī)系統(tǒng)

在施工現(xiàn)場通常有多臺吊籃同時施工，并且正在使用的吊籃往往與地面有相當(dāng)?shù)木嚯x，地面人員不可能及時了解每臺吊籃的運行情況。同時盡管每個吊籃上相對獨立的監(jiān)控模塊，可以對吊籃的安全起到相當(dāng)?shù)谋Ｕ献饔?，但是如果吊籃發(fā)生異常，地面人員不可能在第一時間了解到故障信息。因此在現(xiàn)場設(shè)置上位機(jī)系統(tǒng)就顯得十分必要。

上位機(jī)系統(tǒng)實時接收各個監(jiān)控模塊發(fā)送的檢測數(shù)據(jù)，通過可視化圖形界面展示給地面安全人員。同時對一定時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，提供查詢和數(shù)據(jù)分析功能。更重要的是，一旦吊籃出現(xiàn)異常，詳細(xì)的故障信息會立刻發(fā)送給上位機(jī)，通知地面人員及時采取相應(yīng)措施。

4 結(jié)束語

基于現(xiàn)場調(diào)查和對現(xiàn)有技術(shù)的分析，提出了一種高處作業(yè)吊籃的安全監(jiān)控系統(tǒng)，對影響施工吊籃安全的主要方面進(jìn)行實時監(jiān)控，不需要人工干預(yù)，可以實現(xiàn)長時間不間斷在線運行，克服了傳統(tǒng)純機(jī)械安全裝置多種不足之處?？捎行岣吒咛幾鳂I(yè)吊籃的安全性、便利性。目前，本系統(tǒng)已在中建八局的多處施工現(xiàn)場進(jìn)行了試用，取得了良好的效果，并在實踐中獲得了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、優(yōu)化，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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