基於ZigBee無線技術的塔式起重機傾塌監測裝置製造方法
2023-12-06 03:15:46 5
基於ZigBee無線技術的塔式起重機傾塌監測裝置製造方法
【專利摘要】一種基於ZigBee無線技術的塔式起重機傾塌監測裝置，包含數據採集終端、數據遠程傳輸設備和雲監控中心，數據採集終端包括電阻應變式應力傳感器、重力加速度傳感器和ZigBee無線路由器模塊；數據遠程傳輸設備包括ZigBee無線協調器模塊、ARM控制處理模塊、3G/4G無線通信模塊；雲監控中心是部署在雲平臺上的數據分析處理預警系統，及時準確地找出基架已發生形變和傾斜，存在傾塌隱患的塔式起重機，並給出預警。本實用新型將物聯網無線傳感器網絡技術應用到了建築施工領域的安全生產監測管理中，構建了一種低成本、低功耗、自組網、模塊化設計的監控系統，系統有利於及早的發現塔式起重機基架形°變和傾斜可能引發的傾塌風險。
【專利說明】基於ZigBee無線技術的塔式起重機傾塌監測裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於建築工程安全監測和物聯網無線傳感器網絡相結合的領域，具體涉及一種基於ZigBee無線技術的塔式起重機基架傾塌監測系統。
【背景技術】
[0002]隨著無線通信技術的不斷進步，近年來物聯網無線傳感器網絡得到了長足的發展。當前，物聯網無線傳感器網絡從數據採集檢測，到數據傳輸存儲，以及之後的數據綜合分析處理已經實現了全程智能化，因此用於建築施工安全監測所關心的物理變量進行連續長期的檢測，捕捉變化的特徵信息，通過無線方式將監測數據及時發送到遠程安全監控中心，可及早發現施工工程中存在的安全隱患，減少安全生產事故。塔式起重機屬於起重機械設備，多用於建築過程中，是建築工程垂直運輸不可缺少的施工設備。塔式起重機採用模塊結構，是因為它使用於建築過程中，起重機要隨著施工工程而不停地轉移，因此其結構必須便於拆卸和組裝。比如在這個工地使用結束後，把起重機解體，運輸到另外一個工地進行重新組裝繼續使用。塔式起重機在建築工程中發揮著重要作用，那麼怎樣安全使用塔式起重機來進行相關作業，是需要用心關注的問題。通過分析塔式起重機墜落原因，發現存在的問題大體有以下幾點:(I)安裝塔式起重機時不照說明書要求打基礎，由工地負責人說了算。
[2]基礎太靠近邊坡，或立在沉陷不均的地方。(3)基礎混凝土沒凝結好，就急於使用。又不採取保護加固措施。(4)底座壓重不到份量。(5)纜風繩太松，或地錨不可靠，起不了保護作用。(6)基架標準節在搬運中碰彎，又不及時修復或加強。(7)基架長細比太大，易於局部失穩，也易於摔碰彎曲。上述問題一般在新的施工工地剛安裝好起重機並投入使用時不會明顯的表現出來，但也正因為如此，更容易造成日後的使用過程中發生重大的人員傷亡事件。根據塔式起重機倒塌前，起重機基架一般都發生了一定程度的形變或傾斜，因此通過長期監測起重機承重梁上的應力變化，以及基架的傾斜情況，可以預先發現可能存在的起重機倒塌的安全隱患，避免人員傷亡的慘劇。
實用新型內容
[0003]本實用新型的目的是針對現有起重機安全監測手段不足，提供一種基於ZigBee無線技術的塔式起重機傾塌監測裝置，克服了現有人工監測難度大、成本高、監測的準確性和實效性差等弊病。
[0004]本實用新型為實現上述目的，採用如下技術方案:一種基於ZigBee無線技術的塔式起重機傾塌監測裝置，其特點是:它包括:
[0005]I)用於採集塔式起重機基架各階承重梁上的應力變化和傾斜角度並發送給數據遠程傳輸設備的數據採集終端，
[0006]2)用於接收終端採集的數據並傳輸至遠端雲監控中心存儲的數據遠程傳輸設備，
[0007]3)用於通過分析處理採集的數據及時準確地找出基架已發生傾塌隱患並給出預警的雲監控中心；
[0008]數據採集終端包括電阻應變式應力傳感器、重力加速度傳感器和ZigBee無線路由器模塊；數據遠程傳輸設備包括ZigBee無線協調器模塊、ARM控制處理模塊、3G/4G無線通信模塊；雲監控中心是部署在雲平臺上的數據分析處理預警系統；塔式起重機基架根據高度來安放多個數據採集終端，數據採集終端之間以及與數據遠程傳輸設備通過Zigbee無線網絡通訊，共同組成Zigbee網狀拓撲結構的監控網；數據採集終端的無線晶片工作在ZigBee無線路由器模式，數據遠程傳輸設備的無線晶片工作在ZigBee無線協調器模式，ZigBee無線協調器為ZigBee無線路由器分配網絡地址完成組網；數據採集終端自主向數據遠程傳輸設備發送採集數據，數據遠程傳輸設備命令指定的數據採集終端採集數據並傳送給自己。
[0009]本實用新型系統配置簡單，安裝靈活，使用方便，藉助Zigbee技術自組網、低成本、低功耗的特點，構建了一種適合塔式起重機使用的基架傾塌監測系統，避免了傳統電纜布線時採集點布置困難、系統成本高、安裝維護難度大的缺點，特別適合塔式起重機這種隨著施工工程而不停地轉移，經常拆卸和組裝，高度也時常變化的建築設備。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本實用新型的系統構架圖。
[0011]圖2為本實用新型的數據採集終端硬體結構。
[0012]圖3為本實用新型的數據遠程傳輸設備硬體結構圖。
[0013]圖4為雲監控中心功能結構圖。
【具體實施方式】
[0014]本實用新型包含數據採集終端、數據遠程傳輸設備和雲監控中心。數據採集終端包括電阻應變式應力傳感器、重力加速度傳感器和ZigBee無線路由器模塊，用於採集塔式起重機基架各階承重梁上的應力變化和傾斜角度並發送給數據遠程傳輸設備；數據遠程傳輸設備為ZigBee無線協調器模塊、ARM控制處理模塊、3G/4G無線通信模塊，用於接收終端採集的數據並傳輸至遠端雲監控中心存儲；雲監控中心是部署在雲平臺上的數據分析處理預警系統，用於通過分析處理採集的數據及時準確地找出基架已發生形變和傾斜，存在傾塌隱患的塔式起重機，並給出預警。塔式起重機基架根據高度來安放多個數據採集終端，數據採集終端之間以及與數據遠程傳輸設備通過Zigbee無線網絡通訊，共同組成Zigbee網狀拓撲結構的監控網；數據採集終端的無線晶片工作在ZigBee無線路由器模式，數據遠程傳輸設備的無線晶片工作在ZigBee無線協調器模式，ZigBee無線協調器為ZigBee無線路由器分配網絡地址完成組網；數據採集終端自主向數據遠程傳輸設備發送採集數據，數據遠程傳輸設備命令指定的數據採集終端採集數據並傳送給自己。當某個數據採集終端距離數據遠程傳輸設備太遠超出Zigbee的通訊距離時，或者當某條網絡中斷時，會自動經由其它數據採集終端與遠程傳輸設備通訊，數據採集終端能夠自由加入和退出無線監控網絡，從而實現整個無線監控網絡的自組織和自恢復。
[0015]所述數據採集終端由ZigBee無線路由器模塊、電阻應變式應力傳感器、重力加速度傳感器三部分組成。所述ZigBee無線路由器模塊採用了符合Zigbee協議具有USART接口、ADC接口、GP10通用引腳的CC2530無線晶片，CC2530無線晶片工作在無線路由器模式。所述電阻應變式應力傳感器通過導線與CC2530無線晶片的ADC接口連接，所述重力加速度傳感器的引腳與CC2530無線晶片的GP1引腳模擬的IIC接口連接。
[0016]所述數據遠程傳輸設備由ZigBee無線協調器模塊、ARM控制處理模塊、3G/4G無線通信模塊三部分組成。所述ZigBee無線協調器模塊採用符合Zigbee協議的CC2530無線晶片，CC2530無線晶片工作在無線協調器模式。所述ARM控制處理模塊採用基於ARM架構的三星S3C2440A晶片。所述3G/4G無線通信模塊是指各種網絡制式的USB無線上網卡。所述ARM控制處理模塊通過串口與所述ZigBee無線協調器模塊連接。所述ARM控制處理模塊通過USB 口與所述3G/4G無線通信模塊連接。
[0017]所述雲監控中心是部署在雲平臺上的數據分析處理預警系統，系統集合了統計學和物理學的相關算法，經過對終端採集的基礎數據進行分析運算能夠判斷出塔式起重機是否存在傾塌的安全隱患。
[0018]起重機上的數據採集終端之間以及與數據遠程傳輸設備通過2.4GHz的ISM頻段構建成基於IEEE 802.15.4技術標準和Zigbee網絡協議的Zigbee無線網絡，安裝在基架上的數據採集終端周期的採集塔式起重機各階承重梁上的應力變化和傾斜角度並發送給數據遠程傳輸設備，數據遠程傳輸設備對採集的數據進行簡單處理，剔除未發生變化的值，對明顯異常的值則會命令對應的數據採集終端再次採集傳輸，之後將多個數據採集終端採集的數據打包後通過3G/4G網絡上傳雲監控中心。雲監控中心對上傳的採集基礎數據結合歷史採集數據通過一系列統計學和物理學運算判斷出塔式起重機是否發生了有害形變和傾斜，對於發現的存在傾塌隱患的塔式起重機會及時通過預警系統告知監管、施工、監理等單位。
[0019]圖1為本實用新型基於ZigBee無線技術的塔式起重機基架傾塌監測系統構架圖。系統包含終端數據採集、數據遠程傳輸和雲監控中心三部分。圖1左下為第一部分，即由數據採集終端構成的Zigbee網絡；圖1右下為第二部分，即數據遠程傳輸部分；圖1右上為第三部分，即雲監控中心部分。塔式起重機上的數據採集終端之間以及與數據遠程傳輸設備通過2.4GHz的ISM頻段構建成基於IEEE 802.15.4技術標準和Zigbee網絡協議的Zigbee無線網絡，安裝在基架上的數據採集終端周期的採集塔式起重機各階承重梁上的應力變化和傾斜角度並發送給數據遠程傳輸設備，數據遠程傳輸設備對採集的數據進行簡單處理，剔除未發生變化的值，對明顯異常的值則會命令對應的數據採集終端再次採集傳輸，之後將多個數據採集終端採集的數據打包後通過3G/4G網絡上傳雲監控中心。雲監控中心對上傳的採集基礎數據結合歷史採集數據通過一系列統計學和物理學運算判斷出塔式起重機是否發生了有害形變和傾斜，對於發現的存在傾塌隱患的塔式起重機會及時通過預警系統告知監管、施工、監理等單位。為節省電能，數據採集終端只有下面三種情況會被喚醒，其它時間則進入休眠狀態，(I)用於周期性監測產生的定時器中斷；(2)加速度傳感器檢測到X、Y、Z軸上的加速度變化達到或超過設定閥值後產生的外部中斷；(3)遠程傳輸設備通過Zigbee網絡向指定數據採集終端下發指令產生的網絡喚醒中斷。數據採集終端的無線晶片工作在ZigBee無線路由器模式，在採集信息後向上傳輸時，數據採集終端之間通過多跳路由輔助它的子節點完成通訊，進行消息的轉發和數據傳送，通過連接鄰居節點來擴展網絡覆蓋範圍。數據遠程傳輸設備的無線晶片工作在ZigBee無線協調器模式，協調節點是整個Zigbee網絡的控制者，負責網絡的啟動或建立，協調器節點先選擇一個信道和網絡ID，然後建立一個網絡，並向臨近的節點以廣播的方式發送信標幀。數據遠程傳輸設備一方面採用Zigbee無線網絡方式同路由節點連接，另一方面採用3G/4G模塊通過無線通信運營商的手機網絡與雲監控中心連接，從而實現遠程監控預警。施工工地起重機採集現場整個Zigbee網絡具有較快的自修復能力，組網方便快捷、支援多種網絡拓撲，具有低複雜度、快速可靠等優點。保證了用於塔式起重機監控的無線網絡健壯性、系統穩定性和監控實時性，能夠避免多跳網絡中由於某個路由節點故障而導致大面積的網絡中斷。雲監控中心是部署在雲平臺上的數據分析處理預警系統，是基於WEB後臺的管理系統，包括採集信息的處理及顯示、遠程操作控制、採集設備遠程管理、預警發布、網絡拓撲結構顯示和用戶管理等。雲監控平臺能夠第一時間通過網際網路、API接口和手機信息將預警內容發送到相關部門和人員，真正實現了實時監控和預警發布。
[0020]圖2是數據採集終端硬體結構圖。它是以CC2530晶片為主器件的硬體模塊，包括CC2530無線射頻晶片、電阻應變式應力傳感器、重力加速度傳感器、復位電路、晶振電路、天線和電源|吳塊等。
[0021]圖3是數據遠程傳輸設備硬體結構圖。它是以S3C2440A晶片為核心的硬體模塊，包括S3C2440A處理器、CC2530晶片、3G/4G模塊和電源模塊，其中S3C2440A處理器和CC2530晶片通過USART通信，S3C2440A處理器和3G/4G模塊通過USB接口連接，通過USB仿真串口實現控制3G/4G模塊完成PPPoE撥號，從而實現網絡連接。
[0022]圖4是雲監控中心功能結構圖，雲監控中心是部署在雲平臺上的數據分析處理預警系統，是基於WEB後臺的管理系統，包括用戶管理子系統、設備管理子系統、數據存儲子系統、數據分析子系統和預警發布子系統。所述的數據分析子系統能夠對終端採集的基礎數據進行深層次數據挖掘和綜合判斷分析，從而對塔式起重機是否具有傾塌隱患進行診斷。
【權利要求】
1.一種基於ZigBee無線技術的塔式起重機傾塌監測裝置，其特徵在於:它包括: 1)用於採集塔式起重機基架各階承重梁上的應力變化和傾斜角度並發送給數據遠程傳輸設備的數據採集終端， 2)用於接收終端採集的數據並傳輸至遠端雲監控中心存儲的數據遠程傳輸設備， 3)用於通過分析處理採集的數據及時準確地找出基架已發生傾塌隱患並給出預警的雲監控中心； 數據採集終端包括電阻應變式應力傳感器、重力加速度傳感器和ZigBee無線路由器模塊；數據遠程傳輸設備包括ZigBee無線協調器模塊、ARM控制處理模塊、3G/4G無線通信模塊；雲監控中心是部署在雲平臺上的數據分析處理預警系統；塔式起重機基架根據高度來安放多個數據採集終端，數據採集終端之間以及與數據遠程傳輸設備通過Zigbee無線網絡通訊，共同組成Zigbee網狀拓撲結構的監控網；數據採集終端的無線晶片工作在ZigBee無線路由器模式，數據遠程傳輸設備的無線晶片工作在ZigBee無線協調器模式，ZigBee無線協調器為ZigBee無線路由器分配網絡地址完成組網；數據採集終端自主向數據遠程傳輸設備發送採集數據，數據遠程傳輸設備命令指定的數據採集終端採集數據並傳送給自己。
2.根據權利要求1所述的一種基於ZigBee無線技術的塔式起重機傾塌監測裝置，其特徵在於:所述ZigBee無線路由器模塊採用符合Zigbee協議具有USART接口、ADC接口、GP1通用引腳的CC2530無線晶片，CC2530無線晶片工作在無線路由器模式；所述電阻應變式應力傳感器通過導線與CC2530無線晶片的ADC接口連接；所述重力加速度傳感器的引腳與CC2530無線晶片的GP1引腳模擬的IIC接口連接。
3.根據權利要求1或2所述的一種基於ZigBee無線技術的塔式起重機傾塌監測裝置，其特徵在於:所述ZigBee無線協調器模塊採用符合Zigbee協議的CC2530無線晶片，CC2530無線晶片工作在無線協調器模式；所述ARM控制處理模塊採用基於ARM架構的三星S3C2440A晶片；所述3G/4G無線通信模塊為各種網絡制式的USB無線上網卡；所述ARM控制處理模塊通過串口與所述ZigBee無線協調器模塊連接；所述ARM控制處理模塊通過USB口與所述3G/4G無線通信模塊連接。
【文檔編號】H04W84/18GK204029140SQ201420466228
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月19日 優先權日:2014年8月19日
【發明者】王江濤 申請人:中國十七冶集團有限公司