基于ZigBee的塔式起重机无线监测系统设计

的监 控质量 及进 程 。
图１ Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 无 线 监 测 系统 结 构 图
研究塔 机 无 线 监 测 系 统 可 以提 高 我 国 塔 机 的
安全 监测 及 故 障诊 断技 术 水 平 ，对 提 高 我 国塔 机
系统 采用 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ星 型 网络 拓 扑 结 构 ，建 立 一
ｅ ｒ ｃ ｒ ａ ｎｅ ｉ ｓ ｐ ｕｔ ｆ ｏ ｒ ｗａ ｒ ｄ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｓ ｅ ｎｓ ｏ ｒ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎｄ ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｃ ｏ ｍｍ ｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈｎ ｏ ｌ ｏ ｙ ．Ｗ ｉ ｇ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ＣＣ ２ ４３ ０ ａ ｓ ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ— ｔ ｒ ｏ ｌ ｃ ｈ ｉ ｐ，ｔ ｈ ｅ ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｎ ｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｉ ｓ ｂｕ ｉ ｌ ｔ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈｅ Ｚｉ ｇ Ｂｅ ｅ ｐｒ ｏ ｔ ｏ ｃ ｏ ｌ ，ｔ ｏ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄａ ｔ ａ ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ
Ｏ 引 言
一
器 实 时采 集 运 行 中的 参 数 ，将 数 据 无 线 传 输 至 施 工 现场 监 测 端 进 行 处 理 ， 由计 算 机 统 一 管 理 ，实
塔 式起 重 机 （ 以下 简 称 塔 机 ）是 高空 作 业 的
特 种设 备 ，起 升 高 度 大 ，覆 盖 面积 广 ，一 旦 发 生 事 故就 可能 造成设 备 损 毁 和人 员 伤亡 的重 大 损失 。 传 统 塔 机 上 仅 配 置 了 高 度 限 位 器 、 回转 限 位 器 、 力 矩 限制 器 、起 重量 限制 器 等 安 全 保 护 装 置 ，其 原理是当被检测 参数超 过某 限制值时 断电 ａ ｖ ｅ ｎ ｏ ｄ ｅ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ Ｌ ａ ｂ ＶＩ Ｅ Ｗ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｔ ｏ ｏ ｌ ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｕ ｐ ｐ ｅ ｒ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ ｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｉ ｒ ｎ ｇ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ
时采集 ，传 感 器 安 装 在 导 向滑 轮 的 轴 销 中 ，可 避 免钢丝 绳 绕 绳 摆 动 造 成 的 磨 损 ，能 实 时 、高 精 度 地 采集 吊重 。其 输 出 信 号 是 电压 模 拟 信 号 ，经 过
放 大器 与从 节点 的 Ａ Ｄ转换 接 口连接 。 检 测小 车变 幅 和起 升 高 度 这 ２个 物 理 量 的 传
关 键 词 ：塔 式 起 重 机 ；无 线 监 测 ；系 统 ；设 计 中 图分 类 号 ：Ｔ Ｈ ２ １ ３ ． ３ 文 献标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ０ ０ １ — ０ ７ ８ ５（ ２ ０ １ ３ ）叭 一 ０ ０ １ ８— ０ ３
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ａ ｉ ｍｉ ｎ ｇ ａ ｔ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｃ ｏ ｍｉ ｎ ｇ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ｐ ｒ ｏ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｏ ｗｅ ｒ ｃ ｒ ａ ｎ ｅ ｓ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｌ ｙ，ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｅ ｄ ｏ ｆ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｆ ａ ｕ ｌ ｔ ｄ ｉ ａ ｇ ｎ ｏ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｏ ｆ ｔ ｏ ｗｅ ｒ ｃ ｒ ａ ｎ ｅ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ｆ ｏ ｒ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ ｔ ｏ ｗ—
方 案，集 成 了 一 个 ８ ０ ５ １ ＭＣ Ｕ 内 核 且 符 合
Ｉ Ｅ Ｅ Ｅ ８ ０ ２ ． １ ５ ． ４规范 的 ２ ． ４ Ｇ Ｈ ｚ的无线 收 发器 。芯 片 内有 ８ ｋ Ｂ的 Ｒ Ａ Ｍ，可选 ３ ２ ／ ６ ４ ／ １ ２ ８ ｋ Ｂ的 Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ存储
基于 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ的塔 式 起重 机 无 线监 测系 统 设 计
雷 纯
武汉 市特种设 备监 督检验 所
摘
武汉
４ ３ ０ ０ １ ９
要 ：针对 目前 塔式 起 重 机 安 全 保 护 装 置 的 缺 点 ，考 虑 到 塔 机 运 行 状 态 的 识 别 以及 故 障 诊 断 的 需 要 ，提
各 种领域 ¨ 。
《 起 重 运 输 机械 》 ２ ０ １ ３（ １ ）
１ 系统 整 体 概 述
该 系统 的设 计 思 路 是 在 塔 机 上 安 装 各 种 传 感
一
１ ８ 一
为 了实现 塔 机 运 行 的 安 全 监 控 ，需 要 实 时 监 测 多个 关 键 参 数 ，而 这 些 参 数 涉 及 到 不 同 的 物 理
ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｖ ａ ｉｏ ｒ ｕ ｓ ｆ ｕｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｒ ｅ ａ ｌ — ｔ ｉ ｍｅ ｄｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｙ，ａ ｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｇ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｏ ｗｅ ｒ ｃ ｒ ａ ｎ ｅ ｓ ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄ ｓ： ｔ ｏ ｗｅ ｒ ｃ ｒ ａ ｎ ｅ；ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｉｎ ｒ ｇ；ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ；ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
时显示 塔 机 的 运 行 状 态 信 息 ，并 可 预 报 警 和 数 据
备 份 。该塔 机 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ无线 监测 系统结 构 见 图 １ 。
缺点是 监 测 数 据 单 一 ，不 能 实 时 显 示 ，长 期 使 用
后 装 置 的可 靠 性 降低 。因此 ，对 塔 机 的各 项 重 要
口 ，选用 ＭＡ Ｘ ３ ２ ３ ２芯 片实 现 Ｔ Ｔ Ｌ与 Ｒ Ｓ ２ ３ ２电平 转 换 。Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ主节 点 的硬件 电路 如 图 ２所 示 。
塔机回转角度 的检测采用高精度平 面数 字式 罗盘 ，通过 磁 传 感 器感 应 地 球 磁 场 的磁 分 量 ，精 确 测 出塔 机 吊臂 在 地 理 坐 标 系 下 的方 位 角 度 ，并 能够 直 接 输 出 Ｒ Ｓ ２ ３ ２电平 数 字 信 号 ，与 从 节 点 的
２ ． ２ 从 节点硬 件设 计
从 节点 主 要 负 责 数 据 采 集 和 数 据 无 线 传 输 ， 可作 为 简 化 功 能 设 备 （ Ｒ Ｆ Ｄ） ，以 降 低 功 耗 和 成
本 。芯 片采用 Ｃ Ｃ ２ ４ ３ ０一Ｆ ３ ２（ ３ ２ ｋ Ｂ Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ ） ，其 硬
及相 关工 程 机 械 的生 产 效 率 、优化 资 源 配 置 具 有
重要 意 义。
个 主节 点 ，多 个 从 节 点 的无 线 传 感 网络 ，实 现 数
据 的无 线 传 输 。Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ作 为 一 种 新 兴 的 短 距 离 、 低 功耗 、低 成 本 的无 线 通 信 技 术 ，能 广 泛 应 用 于 工业控制 、消 费 电子 、智 能 家 居 、 自动 化 监 控 等
备 （ Ｆ Ｆ Ｄ ） ，负责 网络 组 建 和 维 护 、各 从 节点 传 感 器采 集 数据无 线 接 收 、与上 位 Ｐ Ｃ机 串 口通 信 。 因 此 ，采 用 Ｃ Ｃ ２ ４ ３ ０一 Ｆ １ ２ ８（ １ ２ ８ ｋ Ｂ Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ ） 芯 片 ，并
在Ｃ Ｃ ２ ４ ３ ０典 型应 用 电路 的基 础 上扩 展 串行 通信 接
感 器均 为 旋 转 编 码 器 ，分 别 安 装 在 小 车 牵 引卷 筒 和起 升机 构 电机 卷 筒 上 。编 码 器 能 把 角位 移 或 直 线 位移 转换 成脉 冲 电信 号 ，经放 大后转 换 为 Ｒ Ｓ ２ ３ ２ 电平数 字信 号输 出 ，与从节 点 的串 口连 接 。
由于塔机各传感器采集 的参数信息各不相 同， 传感器输 出的信号可为 电流 、电压等模拟信号 或 二 进制 码 的数 字 信 号 ，故 与 从 节 点 相 连 的接 口也 不 相 同 。该 系统 需要 采集 的塔 机参 数 包 括 起 重量 、 起 升高 度 、小 车 幅度 、 回转 角 度 等 ，起 重 力 矩 信 息 可 由起重量 和小 车 幅度计算 得 出 Ｊ 。 塔 机 的起 重 量 信 息 采 用 轴 销 式 称 重 传 感 器 实
单元 ，包含模 拟 数字 转 换器 、定 时器 、看 门狗 定 时
器 、Ａ Ｅ Ｓ １ ２ ８协处理器 等 ，还 提供 ２个 Ｕ Ａ Ｒ Ｔ接 口及 ２ １ 个可 编程 Ｉ ／ Ｏ引脚 。该 芯片具 有 高度集 成 性和 丰 富 的硬件 资源 ，可简 化外 围 电路 的设计 。
主 节点 是 整 个 网络 的协 调 器 ，作 为 全 功 能 设
出了一种基于传感器技术和无线通信技术 的塔式起重机安全监测 系统 的设计方案 。以 Ｃ Ｃ ２ ４ ３ ０为 主控 芯片 ，基于 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 协议栈 构建无线 网络 ，实现 了主从节点之间数据 的采集 与传输 。使用 Ｌ ａ ｂ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ 开发 工具设计上位机 监测 软件系统 ，实现了塔式起重机参 数的实时显示 、分析和存储等功能 。
参 数 进行数 据采集 和 实时监 测 十分必要 。
由于建 筑 工 地 施 工 现 场 环 境 复 杂 ，塔 机 作 业 过程 中处 于 运 动 状 态 ，增 加 了传 感 器 与 监 测 终 端 连接 布线 的难 度 。此 外 ，机 电设 备 运 行 会 产 生 电
磁噪 声 ，对有 线 信 号 的传 输 产 生 干 扰 ，影 响 系 统
量 ，故 需 要 各 种 传 感 器 协 同工 作 。系 统 中 的 每 个 从 节 点分 别 连 接 不 同 的传 感 器 ，实 时接 收 采 集 数 据 ，并 通 过 无 线 传 感 网 络 将 数 据 向 主 节 点 发 送 。 主节 点 收到数 据后 通 过 串 口传 给 上 位 Ｐ Ｃ机 ，上 位 机 软 件能 够 对 塔 机 当前 状 态 实 时 监 测 ，并 能 存 储 各 参 数 的 历 史 数 据 ，分 析 塔 机 工 作 状 态 和 强 度 ， 便 于 掌握 塔机 在 某 时 间段 的运 行情 况 和故 障信 息 ，
有 效 地 消除潜 在 的安全 隐患 。
件 电路 和 主 节 点 大 致 相 同 ，只 是 在 从 节 点 芯 片 的 Ｉ ／ Ｏ 口上 接入 各种类 型 的传感 器 ，以实现 对塔 机 重
要 参数 信息 的采集 。
２ 系统 硬 件 设 计
２ ． １ 主节 点硬 件 设计
选择 Ｃ Ｃ ２ ４ ３ ０作 为 主 节 点 的 处 理 器 ，该 芯 片是 全球首 款支持 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 协议 的片上 系统 （ Ｓ Ｏ Ｃ）解决