基于单片机的高空作业防坠落安全辅助设备的设计

院冬珠 郭磊 王宏

摘 要：该防坠空安全带以STC12C5A60SA单片机为核心，采用zigbee无线网络技术进行无线连接，具有抗干扰能力强、自身低复杂度、低能耗、低价格等特点。该产品的STC12C5A60SA单片机完成数据采集、处理，并通过Zigbee无线网络技术传输到主控室，并报警。主控室根据报警信号可以迅速找到被困人员，节约了搜救时间。

关键词：STC12C5A60SA单片机；Zigbee无线网络技术

1 引言

该产品通过重力加速度传感器对人的运动状态实时采集并分析，当检测到人为自由落体状态时，驱动电磁装置，控制多条保护绳发散弹出，在建筑工地等复杂的场合，保护绳极易挂在施工架上，可有效避免坠空事故发生。

2 研究内容及工作原理

研究的主要内容包括以下几个方面（1）采用定制的特殊弹簧作为动力，通过单片机控制系统释放出安全绳与磁性钩子。（2）通过Zigbee网络通信技术将单片机发出的信号传送到主控室，然后工作人员根据报警信号找到被困人员。（3）传感器方面使用了重力加速度传感器，实时反映人的运动状态，响应速度快，实用性强，可靠性高。在安全带控制器方面本系统以STC12C5A60S2 单片机为核心，采用精密型六轴传感器MPU6050，RF24L01检测到坠落状态后启动弹射装置弹出保护绳。在特殊电源模块方面采用具有太阳能电池最大功率点跟踪功能的 5A多类型电池充电管理集成电路CN3722 的充电。在恒压充电模式，输出很小的功率，也能对电池充电。在智能反应控制系统方面，在众多的51系列单片机中，要算国内STC 公司的1T增强系列更具有竞争力，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。当工人坠落时，坠落时间超过0.5秒时，系统将自动判断并弹出安全绳以勾住脚手架实现救生功能。在多轴加速度计模块上采用重力传感器是根据压电效应的原理来工作的。由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。

3救生绳弹出与组网互救部分

系统采用STC12C5A60S2为主控制器，通过重力加速度传感器检测到人为自由落体状态时，驱动电磁装置弹出保护绳，在建筑工地等复杂的场合，保护绳极易挂在施工架上，可效避免坠空事故发生。当装置响应后通过无线传输NRF24L01传输到主控室，启动报警，主控室根据安全带编号找到被困人员。

（1）救生绳弹出

采用定制的特殊弹簧作为动力，通过单片机控制系统释放出安全绳与磁性钩子。

（2）组网互救

Zigbee是部署无线传感器网络的新技术。它是一种短距离、低速率无线网络技术，是一种介于无线标记技术和BlueTooth之间的技术提案。Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。

该系统通过Zigbee网络通信技术将单片机发出的信号传送到主控室，然后工作人员根据报警信号找到被困人员。

（3）监控控制器

当装置响应后通过无线传输NRF24L01傳输到主控室，启动报警，主控室根据安全带编号找到被困人员，可有效的减少搜救时间。

4系统设计

4.1系统硬件设计

本系统以STC12C5A60S2 单片机为核心，采用精密型三轴传感器629A61，将信息传输到单片机中，在通信方面采用Zigbee技术，Zigbee是低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。方便组网，空旷地带通信距离可达200m。单片机通过采集信息后将数据传送到主控室，然后工作人员根据信息找到被困人员，减少了搜救时间，硬件总体框图如图1所示：

4.2系统软件设计

主函数开始先进行各模块初始化，之后通过加速度检测，判断坠落时间是否超过0.5S，如果超过0.5S则弹出救生绳同时通过ZigBee网络技术传送给主控室；同时向附近工友发出求救信号，然后主控室根据报警信号搜救被困人员。

5实验结果

如下图为我们所制作的实物图，5个磁性钩子均衡分布，当检测到人为自由落体状态时，单片机驱动弹射装置，控制多条保护绳发散出，可以从各个方向勾住脚手架。

参考文献：

[1] 林立. 单片机原理及应用——基于Proteus和Keil C. 北京：电子工业出版社， 2010

[2] 刘炳文.Visual Basic 程序设计教程（第四版）. 北京：清华大学出版社，2009

[3] 孙传友 孙晓斌. 测感技术基础（第二版）. 北京：电子工业出版社，2007

[4] 张义和 王敏男 许宏昌. 例说51单片机（C语言版）（第三版）. 北京：人民邮电出版社，2008