基于ZigBee通信的一字梯安全監(jiān)測研究

賴青嵐

(國網(wǎng)泉州供電公司，福建 泉州 362000)

1 引言

供電企業(yè)負(fù)責(zé)變電站、配電室、開閉所和所有線路的運(yùn)維檢修工作，作業(yè)量大、作業(yè)時(shí)間長、作業(yè)人員缺乏，因此作業(yè)工程中經(jīng)常存在安全隱患，特別是登高作業(yè)安全問題尤為突出。

運(yùn)維和檢修作業(yè)過程中，經(jīng)常需要使用一字梯進(jìn)行高處巡視和檢修工作。電網(wǎng)檢修作業(yè)過程中，明確規(guī)定在變電站或配電室內(nèi)一字梯搬運(yùn)應(yīng)采用兩人放倒搬運(yùn)；使用一字梯過程中，嚴(yán)禁傾斜角度超過60度；且要求每個(gè)梯子要有限高標(biāo)識(shí)，嚴(yán)禁作業(yè)過程中人員超過限高標(biāo)識(shí)作業(yè)；同時(shí)要求，一字梯應(yīng)能夠承受作業(yè)人員和所攜帶工具、材料的總重量。

然而，實(shí)際工作過程中，經(jīng)常出現(xiàn)違反《安規(guī)》的現(xiàn)象，有人立著搬運(yùn)梯子，有的超重上梯作業(yè)，有的梯子傾斜角度偏離太多，這些現(xiàn)象都給人身、設(shè)備和電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的威脅。可見，研制一款一字梯安全監(jiān)測裝置，對(duì)加強(qiáng)登高巡視和檢修等工作的安全管控至關(guān)重要。

2 概念介紹

2.1 傳感器

傳感器是一種信息或數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置，它通過對(duì)所測量或感應(yīng)的對(duì)象進(jìn)行信息或數(shù)據(jù)采集，然后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)等其他方式的數(shù)據(jù)輸出，以滿足信息或數(shù)據(jù)的采集、傳輸和儲(chǔ)存等功能。

2.2 ZigBee通信

ZigBee基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它可以適應(yīng)無線傳感器的低花費(fèi)、低能量、高容錯(cuò)性等的要求。

與傳統(tǒng)星型、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)采用最低成本節(jié)點(diǎn)為所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供覆蓋的架構(gòu)不同，ZigBee采用動(dòng)態(tài)、自主的路由協(xié)議，基于AODV的路由技術(shù)。

這種獨(dú)特的架構(gòu)使ZigBee擁有近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)。

2.3 閾值比較法

閾值比較法的原理：前端感應(yīng)器將采集到的傾斜度、重量等數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波等，然后以ZigBee通信方式，傳輸?shù)娇刂茊卧K?？刂茊卧K將信號(hào)轉(zhuǎn)化為具體數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)超過預(yù)先設(shè)定的參數(shù)時(shí)，輸出“違章作業(yè)”、“禁止攀登”或“停止作業(yè)”等報(bào)警信號(hào)。

閾值比較法作為一字梯安全監(jiān)測算法，對(duì)于傾斜度、承重、觸摸情況的監(jiān)測精確，實(shí)施簡單，編程方便。

3 功能設(shè)計(jì)

研制一款監(jiān)測裝置，通過各種傳感器監(jiān)測傾斜角、重量和人員數(shù)量，通過報(bào)警器提示現(xiàn)場作業(yè)人員違章行為，從而遏制現(xiàn)場違章行為，實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場安全管控，提高現(xiàn)場作業(yè)人員的安全性。具體功能設(shè)計(jì)如下：

(1)監(jiān)測一字梯的傾斜度；

(2)監(jiān)測是否有人扶梯；

(3)監(jiān)測一字梯是否承載過重；

(4)監(jiān)測一字梯是否兩人放倒搬運(yùn)；

(5)監(jiān)測是否超過限高工作；

(6)報(bào)警提示；

(7)違章記錄。

4 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

一字梯安全監(jiān)測裝置的系統(tǒng)架構(gòu)主要由三部分組成：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)處理層，如圖1所示。

圖1 一字梯安全監(jiān)測通信結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集層采用多種傳感器相融合的方法對(duì)一字梯傾斜度、一字梯當(dāng)前承重、是否有人扶梯、是否超過限高作業(yè)、是否兩人放倒搬運(yùn)等情況進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)傳輸層采用ZigBee通信，對(duì)每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、傳輸至處理層；數(shù)據(jù)處理層負(fù)責(zé)對(duì)底層的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對(duì)比和處理運(yùn)算，對(duì)運(yùn)維檢修現(xiàn)場使用一字梯安全情況進(jìn)行研判，并提供良好的人機(jī)交互界面[1]。

5 裝置結(jié)構(gòu)

監(jiān)測裝置分解為四大模塊，硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中感應(yīng)模塊用于監(jiān)測作業(yè)人員數(shù)據(jù)；報(bào)警模塊用于提示作業(yè)人員違章行為；控制單元模塊用于數(shù)據(jù)采集及算法處理，并得出結(jié)果；外觀設(shè)計(jì)完成各模塊的組裝，使監(jiān)測裝置產(chǎn)品化。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

5.1 感應(yīng)模塊

一字梯安全監(jiān)測裝置配置傾斜度感應(yīng)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測一字梯的傾斜度，并將數(shù)值傳送給控制單元模塊；重量感應(yīng)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測一字梯的承重，并將數(shù)值傳送給控制單元模塊；扶手感應(yīng)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測一字梯是否在使用、是否有人扶梯，并將數(shù)值傳送給控制單元模塊；限高感應(yīng)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測是否有人超過限高作業(yè)，并將數(shù)值傳送給控制單元模塊。

5.2 報(bào)警模塊

一字梯安全監(jiān)測裝置優(yōu)選語音模塊和告警模塊相結(jié)合，語音模塊播報(bào)現(xiàn)場作業(yè)情況是否符合現(xiàn)在安全作業(yè)規(guī)范條例；告警模塊用于違章警示和聲光提醒。

5.3 控制單元模塊

控制單元模塊為一字梯安全監(jiān)測器的核心，主要包括CPU、存儲(chǔ)模塊、USB模塊、通信輸出模塊、信號(hào)復(fù)歸、手動(dòng)報(bào)警、電源電路、鍵盤控制、液晶顯示和聲光報(bào)警等。如圖3所示。它主要功能包括：

圖3 控制單元模塊結(jié)構(gòu)圖

(1)經(jīng)載波通信模塊接收數(shù)據(jù)和發(fā)送指令；

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示；

(3)通過鍵盤輸入每個(gè)采集模塊的最低和最高報(bào)警值，當(dāng)數(shù)值越限時(shí)聲光報(bào)警；

(4)可通過人工手動(dòng)報(bào)警和信號(hào)復(fù)歸。

5.4 外觀設(shè)計(jì)

外觀設(shè)計(jì)主要用于產(chǎn)品各模塊的組裝，使監(jiān)測裝置產(chǎn)品化，如圖4和圖5所示。

圖4 外觀設(shè)計(jì)正面結(jié)構(gòu)圖

圖5 外觀設(shè)計(jì)反面結(jié)構(gòu)圖

6 軟件架構(gòu)

一字梯安全監(jiān)測裝置的軟件程序框架如圖6所示。

圖6 軟件框架圖

程序中判斷部分是安全監(jiān)測程序的核心部位，使用閾值比較法作為一字梯安全監(jiān)測核心算法。

閾值比較法分為閾值點(diǎn)判斷和閾值區(qū)間判斷兩類[2]。

(1)閾值點(diǎn)判斷。以閾值比較法的傾斜度感應(yīng)模塊為例，假設(shè)傾斜度下限設(shè)定為45°，上限設(shè)定為65°。當(dāng)一字梯安全監(jiān)測裝置的傾斜度感應(yīng)模塊監(jiān)測到一字梯傾斜度大于65度或小于45°，則判斷可能違章作業(yè)，進(jìn)行違章作業(yè)進(jìn)一步研判。

(2)閾值區(qū)間判斷。以閾值比較法的重量感應(yīng)模塊為例，閾值區(qū)間判斷不同于閾值點(diǎn)判斷，作業(yè)人員的體重不確定，扶梯的人力度不確定，梯子的傾斜度不確定，但正常情況下，架設(shè)承重上限100kg，且波動(dòng)幅度平緩。當(dāng)發(fā)生超重違章作業(yè)時(shí)，承重將遠(yuǎn)大于100kg，且數(shù)據(jù)平穩(wěn)，波動(dòng)平緩，就判定可能發(fā)生違章作業(yè)，進(jìn)行違章作業(yè)進(jìn)一步研判。

采用閾值比較法作為一字梯安全監(jiān)測算法，把閾值點(diǎn)判斷和閾值區(qū)間判斷兩種方式結(jié)合起來，大大提提高安全研判的精度。

7 結(jié)束語

本文介紹了一種對(duì)作業(yè)現(xiàn)場使用一字梯安全情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)和處理，實(shí)現(xiàn)一字梯傾斜度、承重、是否有人扶梯、是否兩人放倒搬運(yùn)等情況監(jiān)測的一字梯安全監(jiān)測裝置。它能實(shí)現(xiàn)警示違章和違章提醒功能，實(shí)現(xiàn)一字梯使用過程中的在線安全管控。一字梯安全監(jiān)測裝置充分考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和可擴(kuò)展性，它監(jiān)測的范圍大，安裝方便、使用簡單、擴(kuò)展簡單。