基于ZigBee的塔機自動安全監控系統及方法

專利名稱：基于ZigBee的塔機自動安全監控系統及方法
基于ZigBee的塔機自動安全監控系統及方法技術領域本技術涉及一種塔機監控系統，尤其涉及一種基于ZigBee技術的塔式起重 機監控系統及方法。
技術背景目前市面上所出現的各種塔機監控系統，主要是采用面向單機工作的運行 模式，僅僅針對單臺塔機進行運行狀態的監控，而隨著我國經濟的發展以及對 基礎設施要求的不斷增長，現在的塔機使用常常是處于多機化的工作模式之下， 即在一個基建工地現場并存著多臺塔機同時或者分時工作以提高工作效率、及 工程進度，但其施工難度大、危險性高，這就要求多臺塔機都能夠進行對其運 行狀態的實時監控，而且，為了更好的掌握以及控制這些信息，還要求具備多 臺塔機之間能夠進行組網聯系、多臺塔機和上位機之間能夠進行組網聯系等功 能，所以僅僅面向單機的塔機監控系統便難以適應這種新變化。也有一些塔機監控系統嘗試采用一些簡單的組網方式，使各臺塔機之間可 以進行信息的交流，比如說采用點對點的數傳電臺組成環形網絡等，但是環狀 網絡拓補的通信可靠性較低、 一般的數傳電臺其數據傳輸速率不高，而且其可 以組成的網絡拓補較少，不便于網絡的擴展，不便于大量數據的實時傳輸，例 如傳輸實時監控視頻等。這樣，既不便于根據需要改變網絡拓補的形狀，也不 便于增強塔機監控的其他手段，限制了塔機監控系統的應用及其進一步增強功 能的演進。ZigBee是一種嶄新的，專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程 無線網絡通信技術。和其他無線傳輸技術相比較，ZigBee網絡在功耗以及成本 方面都有優勢，特別地ZigBee技術還免去了協議專利費，并且ZigBee運行在 國際上免執照的ISM頻段，有利于終端應用。ZigBee網絡具有星型、網狀型等 多種網絡拓補，用戶可以自行選擇組建，其網絡容量最多可達65000個節點， 在增強了 RF的發射功率后，覆蓋范圍能達到lkm左右，ZigBee傳輸時延較短， 接入網絡時延相較于Bluetooth的3 10秒、WiFi的3s， ZigBee只需要30ms，間，同時ZigBee還具有三級安全模式，用戶可以根據需要選擇，有利于防止非法獲取無線傳輸的數據。發明內容本發明針對以上問題的提出，而研制一種使用和擴展方便，組網方式靈活， 具數據信息安全性高的基于ZigBee的塔機自動安全監控系統。本發明所使用的 技術手段如下一種基于ZigBee的塔機自動安全監控系統，包括塔機側控制臺，通過各種傳感單元對塔機的工作信息及狀態信息進行采集， 并對這些信息進行分析、存儲處理，還可對塔機的工作狀態進行控制； 其特征在于在所述塔機側控制臺上還設有ZigBee通信單元，用于塔機側控制臺與塔機 側控制臺之間的塔機工作狀態信息的傳送，或塔機側控制臺與控制室側控制臺 之間的塔機工作狀態信息及控制信息的傳送；所述控制室側控制臺包括ZigBee通信單元和上位機，通過ZigBee通信單 元對塔機側控制臺發出的實時信息進行接收，并將實時信息傳送到上位機上進 行處理，完成數據備份和塔機工作狀態信息的實時監控；控制室側控制臺還可 通過ZigBee通信單元將上位機的控制指令發送到所述塔機側控制臺。所述塔機側控制臺包括環境監測單元、起重信息監測單元、塔身基礎監 測單元、小車信息監測單元、信息采集隔離整理單元、主控單元、存儲單元、 輸出控制單元、顯示單元和ZigBee通信單元；其中環境監測單元、起重信息監 測單元、塔身基礎監測單元和小車信息監測單元中所包含的傳感器采集塔機的 各種工作信息，并通過信息采集隔離整理單元進行數據采集，然后送到主控單 元中處理，后將數據存儲到存儲單元中，并通過輸出控制單元輸出控制量對塔 機進行反控制；主控單元可將處理后的數據通過ZigBee通信單元傳送到控制室 側控制臺；塔機側控制臺還可通過顯示單元可擴展的鍵盤顯示接口實現采集數 據的實時顯示以及各種數據的錄入；所述主控單元使用RS232/485接口將數據 送到ZigBee通信單元上。一種基于ZigBee的塔機自動安全監控方法，其特征在于包括如下步驟a、 塔機側控制臺和控制室側控制臺開機初始化；b、 塔機側與控制室分別獨立運作，塔機側的塔機側控制臺通過安裝在塔機上的各種信息采集裝置對塔機的工作狀態信息進行采集；同時控制室通過控制 室側控制臺中的ZigBee通信單元處于開啟等待狀態，等待塔機工作狀態信息的 傳入；c、 塔機側控制臺對采集的信息進行處理后，同塔機側控制臺內存儲單元存 儲的塔機設定參數進行比對分析，并根據情況發出相應的控制指令對塔機進行 反控制；同時通過ZigBee通信單元將采集的塔機工作狀態信息實時向控制室傳 送；d、 控制室接收到塔機工狀態信息后，由上位機進行備份和通過顯示裝置進 行塔機工作狀態信息實時顯示。包括控制室側控制臺向塔機發送塔機控制指令，對塔機實行遠程控制的步 驟，塔機側控制臺和控制室側控制臺通過ZigBee通信單元形成信令交互，各種 初始化數據也可以經由ZigBee網絡上傳到塔機側控制臺。本發明的基于ZigBee無線傳輸單元的塔機安全自動監控系統，具有省電、 可靠(采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙， 避免了發送數據時的競爭和沖突，節點模塊之間具有自動動態組網的功能，信 息在整個Zigbee網絡中通過自動路由的方式進行傳輸，從而保證了信息傳輸的 可靠性)、時延短、網絡容量大和高保密性的特點，完全可以滿足塔機安全監控 系統可靠、穩定的組網要求。


圖l為本發明的單機監控框圖；圖2為本發明的多機聯控框圖；圖3為本發明的塔機側控制臺組成框圖；圖4為本發明的控制室側控制臺組成框圖；圖5為本發明的塔機自動安全監控系統描述框圖；圖6為本發明的塔機側工作流程；圖7為本發明的控制室側工作流程；圖8為本發明的塔機側平臺處理流程；圖9為本發明的ZigBee無線傳輸單元框圖。
具體實施方式
如圖1 圖8所示，本發明中的塔機自動安全監測系統由塔機側控制臺和控制室側功能控制臺組成，系統可以是單塔機與控制室組成單機監控系統(簡稱 單機監控)，或者是多塔機組網與控制室進行多機聯合監控系統(多機聯控)。單機監控如圖l所示，包括塔機側控制臺、ZigBee無線網絡及控制室側控制臺， 其中塔機側控制臺與控制室側控制臺之間通過基于ZigBee無線傳輸技術的無線 網絡進行數據傳輸。多機聯控如圖2所示，系統中有N個塔機側控制臺，通過 ZigBee無線網絡同控制室側控制臺進行數據傳輸或多個塔機側之間進行數據傳 輸(其中各塔機之間的信息交互，可以根據塔機側控制臺的系統設定而選擇和 自己通信的塔機，比如說在多塔機作業中，兩個物理距離上相隔較近的塔機之 間可以相互交流，從而避免發生互碰危險，其它在物理上距離較遠的塔機，則 可能不需要進行相互間的聯系，只是保持了相互之間的路由信息，待需要時進 行通信即可)。塔機的各種工作信息是通過塔機側控制臺進行采集、分析、存儲，并通過 ZigBee無線網絡傳輸到控制室側控制臺，進行數據的備份存儲，以及后續的各 種處理。如圖3、圖5、圖6和圖8所示塔機側控制臺由環境監測單元4、起重 信息監測單元5、塔身基礎監測單元6、小車信息監測單元7、信息采集隔離整 理單元8、主控單元9、存儲單元IO、輸出控制單元ll、顯示單元12和ZigBee 通信單元13組成。塔機通過環境監測單元4、起重信息監測單元5、塔身基礎 監測單元6和小車信息監測單元7這四個單元中所包含的傳感器采集塔機的各 種工作信息，通過信息采集隔離整理單元8進行數據采集，然后送到主控單元9 中處理，并且將數據存儲到存儲單元10中，根據需要可以通過輸出控制單元ll 輸出控制量對塔機進行反控制，使塔機工作在本監控系統之下，保障其安全性， 顯示單元12可以通過可擴展的鍵盤顯示接口實現采集數據的實時顯示以及各種 數據的錄入，為了保證歷史數據的可靠性以及滿足數據的各種后續處理，為日 后提供有力的數據保障，塔機側控制臺通過主控單元9，使用RS232/485接口將 數據送到ZigBee通信單元13中，通過無線傳輸單元13進行基于ZigBee無線 網絡的數據傳輸，再通過控制室側控制臺的ZigBee通信單元14進行接收，使 得數據同時在控制室側備份，這樣大大提高了歷史數據的可靠性與安全性，并 且，通過控制室側的上位機15可以對數據進行各種設定的處理，提高數據的利 用效能。如圖4所示控制室側控制臺由ZigBee通信單元14和上位機15組成，ZigBee通信單元14實現數據通過ZigBee無線網絡進行傳輸的目的，通過無線網絡傳 輸來的數據在ZigBee通信單元14中被接收，并且通過RS232/485接口傳輸到 上位機15中，完成數據的備份以及后續處理功能；相反地，各種控制信息也可 以從控制室側控制臺通過ZigBee通信單元發送，在塔機側控制臺的ZigBee通 信單元13進行接收，并將所接收的信息傳送到主控單元9中進行處理，以便實 現從控制室側對塔機側的遠程控制。其中的ZigBee無線網絡，是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一 個無線數傳網絡平臺，十分類似現有的移動通信的CDMA網或GSM網，每一個 Zigbee網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間 可以進行相互通信；每個網絡節點間的距離可以從標準的75米，到擴展后的幾 百米，甚至幾公里；另外整個Zigbee網絡還可以與現有的其它的各種網絡連接。 例如，你可以通過互聯網在北京監控云南某地的一個Zigbee控制網絡。不同的是，Zigbee網絡主要是為自動化控制數據傳輸而建立，而移動通信 網主要是為語音通信而建立；每個移動基站價值一般都在百萬元人民幣以上， 而每個Zigbee "基站"卻非常低廉；每個Zigbee網絡節點不僅本身可以與監控 對象，例如傳感器、人員連接直接進行數據采集和監控，它還可以自動中轉別 的網絡節點傳過來的數據資料；除此之外，每一個Zigbee網絡節點(FFD)還 可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點 (RFD)無線連接。每個Zigbee網絡節點(FFD和RFD)可以可支持多到31個 的傳感器和受控設備，每一個傳感器和受控設備終可以有8種不同的接口方式， 可以采集和傳輸數字量和模擬量。如圖9所示它們均由RS232/485接口單元、ZigBee (S0C)芯片以及電源單 元組成，其中所采用的ZigBee (S0C)芯片大致是由CPU core、時鐘單元、看 門狗、電源單元、接口模塊、DMA控制器、RAM、 FLASH、基帶數據處理單元、RF 處理傳輸單元等子單元組成。基于ZigBee的通信單元的發送是通過RS232/485接口從塔機側或控制室側 獲取所傳輸的數據，在CPU core的控制下，進入數據存儲單元RAM或FLASH, 并進入基帶處理單元中逐步進行基帶處理，處理過后的數據送入RF處理傳輸動 員進行射頻處理，以提供適合無線傳輸的RF信號，RF處理傳輸單元中并且將該 RF信號通過RF天線發送出去；基于ZigBee的通信單元13接收過程就是上述的反過程。WDT看門狗是為了保證程序不會跑飛而設置的；電源單元、時鐘單元分 別提供所需的電源以及時鐘時序；為了減輕CPU的負擔，所采用的ZigBee (S0C) 芯片內置了DMA控制器，可以不經過CPU，而直接進行芯片內外數據的交互，提 高了系統的性能。
結合圖6、圖7和圖8將系統的工作情況描述如下，不管是單機監控還是多 機聯控，系統操作總是從塔機側、控制室臺側開機初始化開始，然后，塔機側 與控制室分別獨立運作，塔機側控制臺控制安裝在塔機上的各種信息采集裝置， 當需要時，兩者之間通過ZigBee進行數據交互。安裝在塔機上的各種信息采集 裝置自動或者在塔機側的控制下對塔機各種數據進行采集，采集到的數據送入 塔機側控制臺進行存儲、以及各種數據處理，并且可以在程序、或控制室側控 制臺控制下向控制室側發送塔機運行的實時數據，或者交互信令；控制室側控 制臺工作時，運行本系統所設計的控制臺軟件，根據塔機側所傳過來的數據， 顯示各種軟件功能，為控制室人員提供塔機實時工作的各種狀態信息，控制室 側亦可以通過ZigBee向塔機側傳輸數據，或者進行信令交互。
本系統利用Zigbee主要考慮其在工業無線傳輸中的能力，其網絡拓補可以 是對等型(即無中心網絡)也可是非對等型(存在網絡中心)。對等型網絡適用 于塔機之間的信息交互，也就是說各個塔機之間的關系是對等的，它們之間的 信息交互，可以根據塔機側控制臺的系統設定而選擇和自己通信的塔機，比如 說在多塔機作業中，兩個物理距離上相隔較近的塔機之間可以相互交流，從而 避免發生互碰危險，其它在物理上距離較遠的塔機，則可能不需要進行相互間 的聯系，只是保持了相互之間的路由信息，待需要時進行通信即可。非對等型 網絡則是存在網絡中心的時候，這個網絡中心可以是工作現場地面上設置的控 制室，也可以是整個城市內由塔機監管部門設立的統一監管中心，這時，監管 中心作為中心，和各個塔機進行聯系，可以進行數據交互，也可傳輸控制信令， 以實現塔機的遠程監控目標，在邏輯上，各個塔機和控制室是星形的網絡，然 而由于Zigbee組網靈活的特點，各個塔機之間的網絡型狀卻可以有許多選擇， 比如說環型、總線型、網狀等，由于網狀多跳網絡最能體現Zigbee組網靈活的 特點，在應用中使用較多，還可以和Wimax配合使用。
實際應用中，塔機側控制臺安裝于塔機上控制室內，各種信息采集裝置安 裝在塔機各個測量位置，信息采集裝置采集回來的數據通過塔機側控制室的ZigBee收發裝置，向控制室側控制臺發送，控制室側收到這些信號后，在所編 制的軟件程序中，監控這些數據；控制室一般安裝在工地地面的管理室內，由 現場操作員操作，平時一般接收來自塔機側控制臺的各種塔機實時狀態信息， 在需要時發出控制命令，通過ZigBee收發裝置與;t荅機側進行信令交互，各種初 始化數據也可以經由無線局域網上傳到塔機側控帝U臺中。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局 限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本 發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護 范圍之內。
權利要求
1. 一種基于ZigBee的塔機自動安全監控系統，包括塔機側控制臺，通過各種傳感單元對塔機的工作信息及狀態信息進行采集，并對這些信息進行分析、存儲處理，還可對塔機的工作狀態進行控制；其特征在于在所述塔機側控制臺上還設有ZigBee通信單元，用于塔機側控制臺與塔機側控制臺之間的塔機工作狀態信息的傳送，或塔機側控制臺與控制室側控制臺之間的塔機工作狀態信息及控制信息的傳送；所述控制室側控制臺包括ZigBee通信單元和上位機，通過ZigBee通信單元對塔機側控制臺發出的實時信息進行接收，并將實時信息傳送到上位機上進行處理，完成數據備份和塔機工作狀態信息的實時監控；控制室側控制臺還可通過ZigBee通信單元將上位機的控制指令發送到所述塔機側控制臺。
2、 根據權利要求1所述的基于ZigBee的塔機自動安全監控系統，其特征 在于所述塔機側控制臺包括環境監測單元(4)、起重信息監測單元(5)、塔 身基礎監測單元(6)、小車信息監測單元(7)、信息采集隔離整理單元(8)、 主控單元(9)、存儲單元(10)、輸出控制單元(11)、顯示單元(12)和ZigBee 通信單元(13);其中環境監測單元(4)、起重信息監測單元(5)、塔身基礎監 測單元(6)和小車信息監測單元(7)中所包含的傳感器采集塔機的各種工作 信息，并通過信息采集隔離整理單元(8)進行數據采集，然后送到主控單元(9) 中處理，后將數據存儲到存儲單元(10)屮，并通過輸出控制單元(11)輸出 控制量對塔機進行反控制；主控單元(9)可將處理后的數據通過ZigBee通信 單元(13)傳送到控制室側控制臺；塔機側控制臺還可通過顯示單元(12)可 擴展的鍵盤顯示接口實現采集數據的實時顯示以及各種數據的錄入。
3、 根據權利要求2所述的基于ZigBee的塔機自動安全監控系統，其特征 在于所述主控單元(9)使用RS232/485接口將數據送到ZigBee通信單元(13) 上。
4、 一種基于ZigBee的塔機自動安全監控方法，其特征在于包括如下步驟a、 塔機側控制臺和控制室側控制臺開機初始化；b、 塔機側與控制室分別獨立運作，塔機側的塔機側控制臺通過安裝在塔機上的各種信息采集裝置對塔機的工作狀態信息進行采集；同時控制室通過控制 室側控制臺中的ZigBee通信單元處于開啟等待狀態，等待塔機工作狀態信息的 傳入；c、 塔機側控制臺對采集的信息進行處理后，同塔機側控制臺內存儲單元 (10)存儲的塔機設定參數進行比對分析，并根據情況發出相應的控制指令對塔機進行反控制；同時通過ZigBee通信單元將采集的塔機工作狀態信息實時向 控制室傳送；d、 控制室接收到塔機工狀態信息后，由上位機進行備份和通過顯示裝置進 行塔機工作狀態信息實時顯示。
5、根據權利要求4所述的基于ZigBee的塔機自動安全監控方法，其特征 在于還包括控制室側控制臺向塔機發送塔機控制指令，對塔機實行遠程控制的 步驟，塔機側控制臺和控制室側控制臺通過ZigBee通信單元形成信令交互，各 種初始化數據也可以經由ZigBee網絡上傳到塔機側控制臺。
全文摘要
本發明公開了一種基于ZigBee的塔機自動安全監控系統及方法，在傳統塔機側控制臺上還設置ZigBee通信單元，用于塔機側控制臺與塔機側控制臺之或控制室側控制臺之間的信息傳送；控制室側控制臺包括ZigBee通信單元和上位機，對塔機側控制臺發出的實時信息進行接收和處理；經過開機初始化；塔機側與控制室分別獨立工作，塔機側對塔機的工作狀態信息進行采集，控制室處于開啟等待接收；塔機側控制臺對采集的信息進行處理后，可對塔機進行反控制；控制室進行備份和信息實時顯示。本發明具有組網靈活、多網絡拓補等優點，滿足塔機安全監控系統可靠、穩定的組網要求，安全生產以及監督生產的設計目標，較適用于多塔機聯合工作場合。
文檔編號H04L12/28GK101281405SQ200810011368
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月9日 優先權日2008年5月9日
發明者爽 吳, 宋利民, 浩 李, 陽 李, 王旭東, 王立軍, 魏玉玲 申請人:大連海事大學