基于物联网的安全绳佩戴状态远程监测新方法

摘要：针对现有安全绳仅注重加强产品自身安全性，无法实时监控作业人员安全绳佩戴状态的不足，本文提供一种基于物联网的高空作业人员安全绳佩戴监测新方法。该方法采用微动开关监测挂钩状态、陀螺仪重力加速度传感器检测安全绳晃动状态，通过无线网络实时将检测数据传递给专家系统进行智能判断，辅以智能报警装置，监测人员可通过网络集中监测不同施工地点高空作业人员安全绳佩戴情况，提升高空作业人员工作安全性。

关键词：物联网；安全绳；佩戴状态；远程监控

中图分类号：TP393 文献标识码：A

Abstract: The current lifeline focuses on enhancing product security but fails to report the wearing state in real time. This thesis proposes the new method of remote monitor of lifeline wearing state based on Internet of Things. Jiggle switch monitors pothook state. Gyroscope acceleration of gravity sensor examines motion state of lifeline. Wireless network transfer the data in real time to expert system to be judged. With the help of intelligent alarm system, supervisory personnel can monitor the wearing state of lifeline of steeplejack at different building sites, thus improving the security of them.

Key Words: Internet of Things; Lifeline; Wearing State; Remote Monitor;

中图分类号: U215.8文献标识码：A文章编号：

1 引言

一直以来，高空作业安全问题是困扰施工企业和人员的一大难题。为保障安全，企业要求施工人员在实施高空作业时必须佩戴安全绳。但由于某些工人安全意识淡薄、存在怕麻烦和侥幸心理，往往不按要求做，施工单位难以监控。国内外现有安全绳安全解决方案主要集中在加强产品自身安全性方面，而没有考虑在安全绳上加入对高空施工人员佩戴状态监测。中国专利申请号01211529.0、98206606.6、200720189833.2的专利公开了对安全绳索的改进，它是在现有安全绳索的基础上加入能自动咬紧安全绳的夹紧装置，施工坠落时用于降低冲击的自动减速器，保证任何时候都有一个挂钩处于扣锁状态的双挂钩扣锁结构以及坠落报警装置，以提升安全绳自身的安全性和对高空作业人员施工过程中的人身安全保护，但是，对于施工人员因安全意识淡薄，未佩戴安全绳及进行高空做作业的情况则没有保护作用，施工人员在不慎坠落后会造成严重的安全事故。

为此，本文结合建筑业的实际情况，提供一种基于物联网的高空作业人员安全绳佩戴监测系统，以解决长期困扰高空作业人员的安全隐患。

2 系统原理

充分利用物联网无线传输的技术优势，结合建筑行业高空作业多的特点设计安全绳佩戴状态远程监测方案[1-3]。在方案的感知层，采用金属弹片和微动开关，利用金属挂钩自身较重的特性实现挂钩状态监测；同时使用陀螺仪重力加速度传感器检测安全绳晃动可监测安全绳真实佩戴状态，即在安全绳被真正佩戴后，必然会因为施工操作以及高空的阵风产生一定的晃动，而如果只是为了骗过挂钩挂扣监测而将安全绳随意挂扣在任意场所，陀螺仪重力加速度传感器长时间检测不到连续晃动后即认为安全绳并为真正佩戴。图1为基于物联网的安全绳佩戴状态远程监测系统网络拓扑图。

图1远程监测系统网络拓扑图

安全绳佩戴监测模块将检测数据送到远程传输控制模块，再通过传输层将本地数据远传到监控室，监控室的无线收发装置通过调制、解调、编码／解码等一系列数据处理，将检测数据送至应用层进行数据处理，通过专家系统的智能判断，上位监控机将检测到的信号显示成图形界面，可形象的显示作业人员安全绳佩戴情况。监测人员在远端计算机图形界面查看工地高空作业人员的安全绳佩戴情况，系统可自动触发声光报警系统及时提醒未正确佩戴安全绳人员。

3 系统设计

3.1安全绳佩戴情况感应检测

基于物联网的安全绳佩戴状态远程监测系统，包括安全绳佩戴监测模块和远程传输控制模块两部分组成[4,5]，方案的总体框图如图2所示。系统从功能上可以分为电源模块、中心控制模块、无线收发模块、GPRS传输模块等四个部分[6,7]，图中箭头指向表明信号的走向。

图2 远程监测系统模块构成示意图

3.1.1系统硬件结构

系统硬件连接状态的结构示意图如图3所示。根据安全绳挂钩采用金属制作具有一定重量的特点，挂钩扣锁状态选用微动开关1的拨动状态检测。微动开关固定在安全绳挂钩侧面，用一段已弯成半圆形的高强度金属片接续在微动开关的拨动片上，当挂钩已挂在安全固定处，由于挂钩自身重量半圆形金属片将会被牢牢压在挂钩顶部，通过读取微动开关状态即可得知挂钩是否已挂置。金属弹片1与微动开关2的开关键高强度连接，保证当金属弹片被压向安全绳挂钩顶部的时候足以触发微动开关的开关状态。陀螺仪加速度传感器6安置在安全绳挂钩下方的安全绳上，用于检测安全绳是否有摆动或晃动，防止施工人员不愿佩带挂钩又想要骗过检测而简单的将挂钩挂在某固定位置。采用无线收发芯片4和天线5与远程传输控制模块无线通信，将采集到的安全绳佩戴状态数据实时远传到应用层进行处理。

图3 系统硬件连接状态的结构示意图

安全绳挂钩监测模块包含金属弹片1、微动开关2、单片机电路板3、nRF905无线收发芯片4、无线收发芯片的天线5、陀螺仪重力加速度传感器6，安全绳挂钩7、安全绳绳缆8。微动开关2高强度的固定在安全绳挂钩7的侧壁，不允许产生位移或脱离，金属弹片1和微动开关2利用金属挂钩7自身较重的特性实现挂钩挂扣状态监测；单片机电路板3通过高粘度胶带牢固的裹覆在安全绳绳缆8上；陀螺仪重力加速度传感器6被嵌附在安全绳绳缆8内；微动开关2的开关状态引脚与单片机电路板3直接连接；nRF905无线收发芯片4的SPI传输接口引脚与单片机电路板3的SPI传输接口对连；天线5与nRF905无线收发芯片4的ANT1和ANT2引脚连接；陀螺仪重力加速度传感器6数据引脚与单片机电路板3直接连接。

3.1.2主控模块设计

系统选择AVR ATMEGA16L单片机进行安全绳佩戴监测模块主控模块的设计。主控模块电路内含8通道10位AD转换器，最高采样率为15kSPS，可满足数据运算速度要求。考虑到系统采用电池供电，主控电路的工作电压范围为2.7-5.5 V，工作状态耗电在1-2.5mA之间，具有休眠省电功能，满足系统对功耗的要求。主控电路内含一个标准的SPI接口，与远程传输控制模块进行高速同步数据传输。主控电路与外围器件的连接电路见图4所示。

图4 基于ATMEGA16L的主控模块电路设计

3.1.3 远程数据传输模块设计

远程数据传输模块的各子模块连接如图5所示，包含单片机电路板9、nRF905无线收发芯片10、天线11、GPRS模块12、天线13。无线收发芯片10的SPI传输接口引脚与单片机电路板9的SPI传输接口对连；天线11与芯片10的ANT1和ANT2引脚连接；GPRS模块12的RS232传输接口与单片机电路板9的RS232传输接口对连；天线13与GPRS模块12连接。远程传输控制模块通过无线收发芯片10和天线11与安全绳佩戴监测模块通信，再通过 GPRS模块12和天线13利用运营商通信网络实现远程数据传输。

图5 远程数据传输模块的各子模块连接示意图

（1）无线收发子模块设计

无线收发模块采用nRF905无线收发芯片与外围器件构成的电路组成，其主体部分的天线是一个特定形状的导体，可以将电流转化为射频能量并以电波形式发射出去，也可将无线电波接收进来。图6所示是用nRF905芯片差分连接的环形天线图。

图6 nRF905差分连接的环形天线图

（2） GPRS远程传输子模块设计

每个安全绳安装一个安全绳挂钩检测模块，采用无线远程传输方式，使用MODBUS协议对该工地所有安全绳扣锁状态不断进行极短周期巡检，然后通过GPRS模块的 DTU传输模式将检测数据发送至监控室的接收装置，上位监控机对采集的数据智能判断处理后形成直观的图形界面，监管人员在计算机上就可以实时监督安全绳的佩戴情况。

GPRS远程传输子模块电路设计如图7所示，采用明基M22 GSM/GPRS模块，下行速度42.8Kbps，上行速度21.4Kbps。该模块支持嵌入式的TCP/IP 协议，解决了从命令模式连接到数据传输模式的一个比较复杂的过程。M22 适合应用于施工工地这样环境比较恶劣的场合的无线数据采集，通过M22嵌入式的TCP/IP协议可以实现DTU方式传输，满足安全绳佩戴状态监测这种实时数据量相对较大的“透明”传输需求。

图7 GPRS远程传输模块电路设计图

远程传输控制模块中，单片机ATmega16L与nRF905收发器间通过SPI口进行通信，单片机ATmega16L与明基M22间通过串口进行通信，单片机ATmega16L的PA引脚和部分PC引脚用于驱动数码管显示获取的状态；安全绳挂钩检测模块中，单片机Atmega8L与nRF905收发器间通过SPI口进行通信，单片机Atmega8L通过设置一个引脚为输入状态并启用引脚上拉电阻检测微动开关的开关状态并记录保存，单片机Atmega8L通过TWI口与陀螺仪加速度传感器间通信获取安全绳挂钩是否有摆动。

3.2 基于物联网的远程数据融合传输

安全绳佩戴状态监测系统无线数据传输的发送过程如图8所示。当MCU有遥控数据节点时，接收点的地址(TX-address)和有效数据(Tx-payload)将通过SPI接口传送给nRF905。

图8 发送数据流程图

用MCU设置TRX-CE，并使TX-EN为高电平来激活nRF905的ShockBurst传输。通过nRF905的ShockBurst可使无线装置自动上电，并完成数据包的数据码发送。如果AUTO-RETRAN被设置为高电平，那么，nRF905将连续地发送数据包，直到TRX-CE被设置为低电平为止；而当TRX-CE被设置为低电平时，nRF905则结束数据传输，并将自己设置为standby模式。

安全绳佩戴状态监测系统无线数据传输的接收过程如图9所示，工作过程如下：

图9 接收数据流程图

在650μs以后，nRF905芯片不断监测空中的信息；当nRF905发现有和接收频率相同的载波时，其载波检测(CD)被置为高电平；当nRF905接收到有效地址时，地址匹配(AM)被置为高电平；在这之后，当nRF905接收到有效的地址包(CRC校验正确)时，nRF905将去掉前导码、地址和CRC位，同时将数据准备就绪位(DR)置为高电平，并用MCU设置TRX-CN为低电平，以进入standby模式，从而使MCU能够以合适的速率通过SPI接口读出有效的数据；当所有的数据读出后，nRF905将AM和DR设置为低电平，以便使nRF905准备进入ShockBurst RX、ShockBurst TX或Powerdown模式。无线射频收发芯片内置有天线，同时内部集成有调制，解调、编码／解码等功能，故在通信过程中能自动生成前导码和CRC校验。

3.3 远程监测及报警

通过专家系统的智能判断，上位监控机将检测到的安全绳状态信号显示成图形界面。图10为安全绳佩戴情况计算机监控界面，可形象的显示作业人员安全绳佩戴情况。监测人员在远端计算机图形界面查看工地高空作业人员的安全绳佩戴情况，系统可自动触发声光报警系统及时提醒未正确佩戴安全绳人员。

图10 安全绳佩戴情况计算机监控界面

此系统通过人机界面及自动报警功能的最终整合，起到了以下效果：一是解决实时监控施工人员安全绳佩戴情况问题；二是解决仅凭肉眼检测安全绳佩戴情况效果差的问题，该方式检测准确度高、及时性好。三是解决去施工现场检查安全绳佩戴情况出行成本高、检查周期长的问题。

4 结语

建筑行业高空作业人员安全保障的物联网应用全国还没有一项成熟的应用和产品，通过本项目的研发完成，拓展了物联网应用领域。文章采用微动开关监测挂钩状态、陀螺仪重力加速度传感器检测安全绳晃动状态，通过专家系统的智能判断，基于物联网模式实时监测安全绳真实佩戴情况，并通过智能报警装置，提升高空作业人员工作安全性。监测人员可通过网络集中监测不同施工地点高空作业人员安全绳佩戴情况，节约了实地检查成本且操作方便。

参考文献

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作者简介:

王江涛：王江涛(1978- )，男，安徽马鞍山人，高级工程师，博士，研究方向为物联网技术、计算机网络。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。