基于ZigBee的架桥机安全监控管理系统

宋梁君 尉文峰 王天晨 陈卫

（绍兴市特种设备检测院，浙江绍兴 312071）

架桥机作为预制梁片的架设设备，广泛应用于高速铁路及公路建设中，在大基建建设中发挥着重要的作用。架桥机具有起重量大、跨度大、过孔、工况复杂等特点，若使用管理不当，将会造成严重的安全事故，架桥机的可靠性和安全性一直受到高度重视。架桥机也被列为首批须安装安全监控管理系统的试点型号，且参数不限[1]。

传统的安全监控管理系统需要进行长距离的电缆铺设，线缆多且复杂，并且强弱电之间容易造成电磁干扰，系统可靠性较差。随着现代物联网技术的发展，特别是随着ZigBee等无线通信技术的成熟，架桥机安全监控管理系统无线化已成为行业趋势。

鉴于此，本文设计开发一种基于ZigBee的架桥机安全监控管理系统，通过ZigBee技术完成系统中各节点自组网以及实时数据传输功能，实现对架桥机各种参数的安全监控，保障架桥机安全运行。

1.系统总体结构设计

本系统按照GB/T28264-2017《起重机械安全监控管理系统》的要求进行设计开发，主要由显示主机、采集盒和控制盒3个部分构成[2]。

采集盒分布在架桥机靠近传感器的位置，搭载有数据采集模块和无线传输模块，主要用于采集传感器信号并将其进行模数转换，最终通过无线传输模块发送。

控制盒则搭载有控制模块和无线传输模块，主要是接收控制数据并输出各种控制信号。

显示主机通过RS485总线连接ZigBee模块，是整个系统的核心，主要用于接收采集盒传输的数据，并进行相应的处理，最终将实时参数进行显示、存储和比较，另外在有控制需求时发出控制指令切断回路。操作人员可实时观察起重机各机构的运行状况，达到安全监控的目的。

2.硬件设计

2.1 采集盒电路设计

根据GB/T 28264-2012《起重机械安全监控管理系统》要求，架桥机现场需采集重量、角度、行程、风速等信号，其中重量、角度、风速传感器一般采用电流型传感器，信号接入采集盒后通过滤波、放大和AD转换后才可使用，行程传感器则采用编码器，信号通过RS485通信接入采集盒后直接读取使用。因此，采集盒电路以STM32f103系列微处理器为核心，加上外部供电模块、信号调理模块和无线通信模块完成信号采集、转换和传输功能。

微处理器采用STM32f103RCT6单片机，该芯片具有72MHz主频，256KB的Flash和48KB的RAM，51个通用I/O口，16路12位ADC通道以及USART和SPI等接口。

供电模块负责提供各传感器节点电源，接入起重机上的24V电压，采用DC/DC模块降压滤波，提供5V及3.3V的工作电压驱动电路。

信号调理单元采用LM258双运算放大器，接入的重量、角度、风速等信号经过滤波放大处理后输入微处理器的ADC通道经过AD转换，最终转换为数字信号供后续使用。

无线通信模块采用中鼎泰克的DRF1609H，板载Zig-Bee模块，可焊接在PCB板上直接使用。内部主芯片为双核ARM-32位CPU：CC2630，该芯片的双内核架构可提高性能降低功耗，具有128KB Flash和20KB SRAM存储，可有效解决ZigBee应用方案。DRF1609H模块信号放大部分为双通道PA，在复杂的架桥机使用环境可切换到外接天线的信号通道进行使用，最大传输距离达1600m。此外该模块可通过按键自动加入网络，在现场使用简单方便，最大发送数据包为269个字节，完全满足各类信号传输需求。

2.2 控制盒电路设计

控制盒由微处理器、供电模块、控制模块和无线通信模块组成，主要用于接收主机发送的控制信号并负责各控制回路的通断。微处理器、供电模块和无线通信模块均采用和采集盒相同的型号，控制模块共使用24路继电器，可满足绝大部分施工现场的控制需求。

2.3 主机设计

主机采用昆仑通泰触摸屏TPC1021Nt和中鼎泰克的DRF2659C。触摸屏采用了10.1英寸的液晶显示屏，预装了MCGS嵌入式组态软件，具有强大的图像显示和数据处理功能，因此可提供良好的人机交互体验。同时，内置了数据内存以及USB接口，可以将运行数据在主机上存储30d并且可下载至U盘。另外，触摸屏还提供RS232和RS485串行口可供通信。因此，无线模块选用了RS485 转ZigBee模块DRF2659C。模块使用外接天线，最大传输距离为1600m，接收灵敏度为-98dBm，可完全覆盖一般架桥机施工现场[3]。

ZigBee模块把接收到的传感器信号通过RS485总线传给触摸屏，信号进行计算、对比后，最终在触摸屏上进行显示和存储，每隔100ms刷新一次。如遇危险状况，触摸屏通过RS485传输控制信号至ZigBee模块，ZigBee模块发送该信号到控制盒进行后续操作。

3.软件设计

软件设计包括采集盒、控制盒和主机3个节点的设计。通信程序都是基于ZigBee协议栈ZStack设计的。对于本系统的开发应用来说，根据所选ZigBee模块的接口提供的服务，调用相应的接口函数，可完成应用程序的开发。

3.1 采集盒软件

采集盒主要负责传感器信号采集及传输。当采集盒通电以后，程序初始化，由于ZigBee模块默认为路由器，因此自动向当前区域的网络发出入网请求，当入网成功后即可收发数据。采集盒运行时不断循环采集各传感器的数据，当接收到协调器的读取指令时，中断信号采集程序，将当前的信号通过ZigBee模块发送至协调器，发送完毕后恢复到原来的采集过程。

3.2 控制盒软件

控制盒主要用于接收控制信号并做出相应的控制操作。当控制盒上电后，和采集盒完成同样的入网工作，当通信建立后，接收来自主机协调器的指令，根据不同的指令对继电器完成通断控制。

3.3 主机软件

在出厂时需将DRF2659C模块配置为协调器。因此在系统上电后，模块自动进入组网阶段，开始扫描信道并建立网络，在收到该网络范围内的路由器请求加入网络的数据帧后，发出响应允许加入，在建立了协调器与路由器的通信之后就可以进行收发数据。触摸屏每一个运行周期都通过RS485串口向协调器发送一次读取信息的指令，路由器在收到指令后将采集的重量、角度、高度、行程和风速等参数发送到协调器，协调器上传数据至触摸屏。

系统软件中包含以下几种功能模块：

（1）实时显示：主机能够动态实时监控起重机的运行状况，显示当前的重量、高度、行程、风速等参数，以及根据各参数所得出的起重机各部件的运行状态，如起钩落钩、抬臂趴臂、小车前进后退等。

（2）标定功能：根据传感器的信号值和现场参数的实际值进行标定，减小误差值。

（3）预警报警：当起重机即将处于危险状态时会进行预警提示，在危险状态下运行时进行报警提示，解除危险警报消除。

（4）历史查询：可随时查看起重机设备的历史运行状态参数、运行指令和报警信息等，并可通过U盘进行拷贝，方便后续保存分析。

4.现场测试

应用设计开发的系统对架桥机进行监控管理等测试，经过现场测试，各参数显示值与实际值的误差在±5%以内，且具有限值报警控制，人机界面友好，操作方面，较好满足了各种复杂工况的使用要求。

5.结语

本文结合传感器、无线通信等技术，设计了基于ZigBee技术的架桥机安全监控管理系统。本系统设计布局合理、安装操作方便、人机界面良好、数据采集及传输稳定可靠，很好地解决了传统安全监控管理系统需长距离的电缆铺设，系统可靠性较差等缺陷，同时也能很好地克服架桥机跨度大、过孔、工况复杂等不利因素，提高了架桥机工作的安全性。