（信息与通信工程专业论文）一种塔机安全监控与数据传输系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 塔式起重机( 简称塔机) 以其塔身高、吊臂长、抬吊重量大、覆盖范围广、工作 效率高等结构技术特点，在建筑领域中占有重要地位，得到了极其广泛的应用。 但由塔机引起的人员伤亡和设备损毁事故屡屡发生，重大事故发生率居高不下， 塔机的安全问题引起了社会的广泛重视。我国建筑安全监管部门正在制定塔机参 数安全监测的相关标准，将强制要求塔机设备安装安全保护系统。本课题针对此 方面展开研究，为塔机安全监测和数据传输提供了一种可行的解决方案并完成相 应的监控设备的软硬件系统建立。 本塔机远程安全监控和数据传输系统是在传统的机械和电子传感器的基础上 结合当前嵌入式处理技术、传感器技术、软件技术与移动通信技术而开发的一套 新型安全监测系统。本课题采用a t m e l 的a r m 7 芯片a t 9 1 s a m 7 $ 6 4 作为塔机 侧数据处理板的m c u ，整合监测系统、风力风向、g p s 以及g p r s 等模块；软件 部分采用u c o s i i 操作系统，首先完成操作系统在a t 9 1 s a m 7 s 6 4 硬件平台上的 移植，并开发各模块的驱动程序与数据接口协议，完成数据信息处理。上位机侧 使用v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 开发平台采用v i s u a lb a s i c 语言设计了人性化的人机交互界 面，结合s q l 数据库构建完备的信息记录查询体系，用户可通过软件实时了解塔 机的运行状态、工作环境及地理位置信息等，以塔机安全工作标准为依据，对违 规操作提出报警，查询塔机以往工作记录，并可通过动画仿真的直观方式模拟重 现塔机工作过程；同时，该记录也可作为塔机事故责任认定的重要依据。 本课题创新点在于将g p r s 数据通信方式引入塔机监测系统，使管理监测在 原有监测系统基础上增加远程管理监视终端系统，大大方便了工程监管人员对塔 机工作状态的监视。现场实验用户反馈表明，该塔机远程安全监控和数据传输系 统具有运行稳定，操作方便，功能全面，用户界面友好，信息显示直观准确等特 点，为加强塔机安全运行监管工作提供了有效的手段和措施。 关键词：塔式起重机；a r m 7 ；远程无线数据传输；安全监控系统 a b s t r a c t t o w e rc r a n ef e a t u r e sa d v a n c e ds t r u c t u r a la n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h 嬲t h e t o w e r h e i g h t ，t h el o n gb o o m ，t h eh e a v yl i f t i n gp o w e r , t h eb r o a ds c o p eo fw o r k s p a c ea n d l l i g he f f i c i e n c y w i t ht h e s ea d v a n t a g e s ，t o w e rc r a n ep l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h e i n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o nf i e l da n di se x t r e m e l yw i d e l ya p p l i e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h e c a s u a l t ya n de q u i p m e n t sd a m a g ea c c i d e n t sc a u s e db yt o w e rc r a n eh a p p e nf r e q u e n t l y t h e s a f e t yp r o b l e mc a u s e db yt o w e rc r a n ed r a w se x t e n s i v ea t t e n t i o no fo u rs o c i e t y o u r s u p e r v i s o r yd e p a r t m e n to fa r c h i t e c t u r ei sw o r k i n go nt h ef o u n d a t i o no f t h et o w e rc r a n e w o r k i n gs t a t u ss u r v e i l l a n c es t a n d a r d sa n dw i l l f o r c et o w e rc r a n ee q u i p p i n gt h e m o n i t o r i n gs y s t e m a c c o r d i n g l yt h i sp a p e rp r o v i d e sad o a b l es o l u t i o na n de s t a b l i s h e s t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e mo ft h em o n i t o r i n ge q u i p m e n t t h et o w e rc r a n es t a t u sm o n i t o r i n gs y s t e mi san e ws e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e m ， w h i c hi sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lm e c h a r i c a la n de l e c t r o n i cs e n s o r s ，i n v o l v e sm o d e r n e m b e d d e dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g y , s o f t w a r et e c h n o l o g ya n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h ea r m 7c h i pa t 9 ls a m 7 s 6 4o fa t m e li su s e da st h e m c uo ft h ed a t a - p r o c e s s i n gb o a r di nt h et o w e rc r a n es i d e , a n dt h ed e t e c t i o ns y s t e m m o d u l e ，w i n ds p e e da n dd i r e c t i o nm o d u l e ，g p sa n dg p r sm o d u l ea r ei n t e g r a t e df o rt h e h a r d w a r ep a r ta n dt h eu c o s i io p e r a t i n gs y s t e m ( o s ) i su s e d 嬲t h es o f t w a r ep a r t f i r s t ， t h et r a n s p l a n t a t i o no ft h eo p e r a t i n gs y s t e mi sf i n i s h e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m a t 91s a m t s 6 4 ；t h ed r i v e ra n dd a t ai n t e r f a c ep r o t o c o lo fe a c hm o d u l ea r ed e v e l o p e d , a n dt h ed a t ai n f o r m a t i o np r o c e s si sf i n i s h e d t h ev i s u a ls t u d i o2 0 0 5d e v e l o p m e n t p l a t f o r mi su s e di nt h ep cs i d e , a n dh u m a n i z e dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sd e s i g n e db y v i s u a lb a s i cl a n g u a g e ，a n dc o m p l e t e di n f o r m a t i o nr e c o r d si n q u i r ys y s t e mi sc o n s t r u c t e d c o m b i n e dw i t hs q ld a t a b a s e t h er u n n i n gs t a t u s ，w o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dl o c a t i o n i n f o r m a t i o no ft h et o w e rc r a n ec o u l db es h o w nt ou s e r so nt h ep cs i d e b a s i n go nt h e t o w e rc r a n es a f e t ys t a n d a r d s ，u s e rc o u l dr a i s ea l a r mo ni l l e g a lo p e r a t i o n sa n di n q u i r yt h e p a s tr e c o r d so ft o w e rc r a n ea n dr e p r o d u c et h ew o r kp r o c e s u r eo ft o w e rc r a n et h r o u g h 啊s u a la n i m a t e ds i m u l a t i o n m e a n w h i l e ，t h er e c o r d sc o u l db eu s e da sa ni m p o r t a n tb a s i s f o rr e s p o n s i b i l i t yo ft o w e rc r a n ea c c i d e n t s t h ei n n o v a t i v ep o i n t so ft h i ss u b j e c ti si n t r o d u c i n gg p r sd a t ac o m m u n i c a t i o n 英文摘要 m o d ei n t ot h et o w e rc r a n em o n i t o r i n gs y s t e m ；t h er e m o t em a n a g i n ga n dm o n i t o r i n g t e r m i n a ls y s t e mh a sb e e na d d e do nt h eb a s i so ft h eo r i g i n a lm o n i t o r i n gs y s t e m ，s ot h e p r o j e c ts u p e r v i s o rc a l lm o n i t o rt h ew o r k i n gs t a t u so ft o w e rc r a n em o r ec o n v e n i e n t l y t h ef i e l de x p e r i m e n t sr e v e a lt h a tt h et o w e rc r a n es t a t u sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g s y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t a b l er u n n i n g , c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，c o m p r e h e n s i v e f u n c t i o n s ，f r i e n d l yi n t e r f a c e , p r e c i s e l yd i s p l a y i n ga n de t c i ta l s op r o v i d e se f f e c t i v e m e t h o d sa n dm e a s u r e m e n t sf o re n h a n c i n gt h et o w e rc r a n em o n i t o r i n g k e yw o r d s ：t o w e rc r a n e ；a r m 7 ；r e m o t ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ；s a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 二弛搭扭塞全监控复数量笾猃丕统的逡让量塞现：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名羟数叼年彩月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 论文作者签名：瓷l 掌文导师签名：毛莽刎历 眺p 1 年。乡月叼旱 一种塔机安全监控与数据传输系统的设计与实现 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 塔式起重机简称塔机，亦称塔吊，起源于西欧。第一项有关建筑用塔机专利 颁发于1 9 0 0 年。欧洲于1 9 0 5 年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，1 9 2 3 年制 成了近代塔机的原型样机，同年出现第一台比较完整的近代塔机。1 9 3 0 年当时德 国已开始批量生产塔机，并用于建筑施工。1 9 4 1 年，有关塔机的德国工业标准 d i n 8 7 7 0 公布。该标准规定以吊载( t ) 和幅度( m ) 的乘积( 仃n ) 一起以重力矩表示塔机 的起重能力【1 1 - 2 1 。塔机的发展历程其实就是近代世界经济发展的一个缩影。自第一 台塔机诞生之日起，塔机作为建筑施工的主要运输机械，以其塔身高、吊臂长、抬 吊重量大、覆盖范围广、工作效率高等技术特点，在物料运输、装卸等建筑领域 中得到了极其广泛的应用。随着西方国家二战后各类高层、超高层建筑和大型建 设工程的兴起，大大刺激了以建筑机械设备为首的机械制造行业，西方国家塔机 生产与应用行业稳步发展，这一个时期，由于经济规模和人口规模较小，建筑物 需求高度不大，轨行式、下回转的塔机占据统治地位，到了上世纪6 0 年代，塔机 出现了显著性的增长，西方国家的塔机行业处于鼎盛状态，而随着8 0 年西方经济 的停滞，其塔机发展陷入了低谷，进入了资源整合的时代，到了9 0 年代，经过了 业内重组以及经济复苏的刺激，西方塔机行业才又重新焕发活力；上世纪7 0 年代 末8 0 年代初，随着亚洲、非洲、以及拉丁美洲发展中国家经济力量的日渐壮大， 所占世界经济中份额不断加大，亚、非、拉国家国内基础设施以及工业设施等愈 发跟不上时代发展的脚步，亚非拉国家的塔机生产与应用行业顺潮而上，进入塔 机行业发展的黄金年代，虽然期间遭受了阿根廷金融体系崩溃和亚洲金融危机等 诸多挑战，但以中国、印度、巴西为首的发展中国家经济增长势头勇猛，特别是 中国，自从改革开放以来年均经济增长幅度达到10 ，巨大的基础设施建设以及 工业建设的需求，大大刺激了本地区的塔机行业的发展。近年来，随着全球经济 持续发展，各国进出口贸易量的不断增长，新一轮改善国民生活状况的基础设施 以及工业建设需求不断，西方塔机行业的复苏，亚、非、拉国家塔机行业的崛起， 以及设施制造强国俄罗斯复苏，全球的塔机行业逐渐步入黄金时代【3 】删。 我国的塔机行业起步相对外国较晚，但发展迅速，经历从无到有、从d , n 大、 第1 章绪论 从仿制到自行开发具有自主知识产权的塔机产品的过程逐步形成了较为完备的 技术体系和比较完整的系列型谱。我国的各种塔机行业相关的技术规范和标准 1 5 - 7 也在不断发展和丰富，塔机行业也成为了我国发展最快的建筑机械设备行业 之。据文献【2 】数据显示( 见表格l1 ) ，我国2 0 0 1 年行业统计销量9 7 3 8 台；2 0 0 2 年成为了世界上首个塔机年产量突破1 0 0 0 0 台的国家；2 0 0 4 年由于宏观经济与塔 机行业的资源结构整合的双重影响，塔机的产量有所回调；2 0 0 5 年，特别是2 0 0 6 、 2 0 0 7 年，在我国经济强劲拉动之下，各地新一轮基础设施纷纷上马，我国塔机的 产销量迅速恢复高速运行，仅2 0 0 6 年销量已超过2 0 0 0 0 台。 p p 7 l 爵7 一。 蓑 熬蔓匿 1 1 警 星囊墩融 2 0 0 32 0 0 4 年口 日行n 统计铺莆* n 晕 图11 国产塔机销售及山口量统计表( 单位：台1 f i g1 1t h es t a t i s t i c s t a b l e f o rs a l ea n de x p o r to f c h i n a n n i bs e l l 然而，在塔机给人们带来效率提升同时，也存在很大的安全隐患。目前，我 国工伤事故已成为国民意外死亡= 的“头号杀手”，严重地影响了正常工作秩序、 生活秩序和社会的稳定。建筑业生产伤亡事故率排在矿山生产之后成为威胁产 业工人生命健康的危险行业。由于塔机自身结构特性、作业环境的多样性及应用 范围广泛，其安全性问题显得尤为突出，国内外生产管理及科研机构部门都高度 一种塔机安全监控与数据传输系统的设计与实现 重视塔机的安全生产，设置了各级监察管理机构对塔机进行管理与监督。为此， 我国相关职能部门也制定了较为完善的规范与标准，颁布了塔式起重机安全规 范等一系列重要文件，对塔机设计、生产、使用、维护等各个环节匀进行了强 制性规定。各种标准对塔机安全保护装置作了详细规定，强制要求塔机上必须装 置各类安全保护设备，但由于塔机自身架构的原因以及使用环境等诱因，塔机事 故依然屡屡发生【8 2 1 ，由于塔机是一种蕴含危险因素较多、事故发生机率较大的 机械设备，所以塔机一旦发生危险，很可能造成的结果就是机毁人亡的惨剧，给 国家和人民生命财产造成巨大损失。据不完全统计，从1 9 9 8 年至2 0 0 1 年，国内 一次性死亡3 人以上的塔机安全事故2 5 起，造成7 6 人死亡，1 8 人重伤旧；另据 国家安全生产监督管理总局调度统计司发布的安全简报进行统计，结果如下：2 0 0 5 年建筑业安全生产事故2 2 5 1 起，死亡2 5 8 7 人，同比减少3 3 1 起、2 0 2 人，分别下 降1 2 8 、7 2 ，其中特大事故情况发生3 起，死亡7 4 人，同比增加2 起、5 3 人， 分别上升2 0 0 、2 5 2 4 ，特别重大事故发生1 起，死亡4 4 人，同比增加l 起、 4 4 人；2 0 0 6 年建筑业重大事故起数和死亡人数同比分别上升2 0 o 和1 2 4 ；2 0 0 7 年，建筑施工事故数和死亡人数，同比分别上升2 2 和6 9 ，建筑业重特大事故 同比增加6 起，死亡人数增加1 4 3 人，建筑施工发生较大以上坍塌事故6 6 起，死 亡3 7 5 人，分别占建筑施工较大以上事故的6 4 1 和7 3 4 ，起重伤害发生较大以 上事故2 3 起，死亡9 0 人，分别占建筑施工较大以上事故的2 2 3 和1 7 6 ，其中 塔吊倒塌较大以上事故发生1 6 起事故，死亡6 5 人，分别占起重伤害较大以上事 故的6 9 6 和7 2 2 。 第1 章绪论 塔机事故原因统计图 违章操作 超载、斜吊5 5 幽12 塔机事故原困统计图 f i g12 t h es t a t i s t i c sc h a r t o f t h e a ea c c i d e n t 塔机事故原因可归纳为： ( 1 ) 塔机事故主要来自于塔机超载、斜吊。目前，由于监管力度不够、施工管 理人员过分追求效率、工程成本控制因素等多种原因，现役塔机中的相当数量未 安装塔机安全监测系统；或安装有监测系统，但操作人员屏蔽其监测功能。塔机 操作人员在进行塔机作业时仅凭目测经验对欲吊物料进行估算，实际情况上，估 算误差很大，存在极大的不确定因素；同时，塔机本身的疲劳损坏，缺乏有效维 护，由局部的结构破坏进而引发连锁反应，当塔机运行在超过其最大限额和最大 安全载荷限度时，甚至是正常工作情况下，导致塔机吊臂折断、塔身折断、塔机 倾覆等重大事故发生，以上塔机事故的主要原因，占总数的5 2 。 ( 2 ) 塔机司机违章操作。塔机的操作使用应严格遵照塔式起重机操作使用规 程执行，包括超负荷运行、小车与吊绳超速运行、违规安装与拆卸、无证上岗 等情况，此种情况占总数的1 2 ，仅次于超载、斜吊。 ( 3 ) 塔机自身设计质量、安装问题及维护问题。我国对塔机的生产设计均有 文件规定，对于塔机的安装和日常维护也有相应文件规定。 ( 4 ) 恶劣环境下强行作业。包括：强风、浓雾、大雨等环境。 ( 5 ) 其他，塔机工作环境往往十分复杂，存在许多安全隐患，如与周围建筑物、 高压输电线、同工程塔机或其他障碍物相撞等。 目前，塔机生产企业以及其他相关单位，在国家规程与标准的强制要求下， 一种塔机安全监控与数据传输系统的设计与实现 给塔机安装各类安全保护装置，比如：起升限制器、小车变幅限制器、力矩限制 器、回转限制器、吊绳卷筒限位器等。然而，在以上参数都满足的情况下，仍存 在危险区间；塔机运行的效率相对较低，无法发挥塔机的最佳作用；在施工过程 中，为了提高效率、方便及提高吊载重量等原因，经常使塔机工作在缺少某种限 制器甚至完全没有限制器的状态下；为了降低成本，提高塔机利用率，塔机通常 运行在满载荷的工作状态下，甚至于在一些恶劣天气环境下要仍然工作，这些情 形很容易导致塔机危险事故的发生。如果仅仅使用了各种被动单一式的安全保护 装置，在塔机到达设计极限状态时发出警报，安全保护装置便中断塔机的当前工 作，停机避险，这就大大降低了塔机的使用效能。因此，建筑监管部门希望能获 取更多准确的塔机运行状态信息，包括塔机起重重量信息、吊绳高度信息、小车 变幅信息、力矩信息等基础信息，同时也包括塔机转角信息、塔身倾斜度信息、 风速风向信息等非主要信息，以保证对塔机运行状态进行有效监控。综合考虑以 上各信息参数，找到塔机安全运行的最佳方式，即在保证安全的情况下尽量提高 工作效率，希望塔机有较强的自控能力及自动错误诊断能力，能够在塔机将要脱 离安全状态时，通过显示、声音等多种手段报警，使得操作人员避免错误操作， 避免被动停机；而自诊断能力，则是根据塔机的运行状态信息，自动判断塔机所 发生的故障，自动排除或为塔机使用人员提供问题查找依据，降低维护难度。 另一方面，在某些特定场合，我们希望在地面远程第三方能够对塔机的实时 运行状况进行监视，并对塔机运行过程中的重要参数记录，一方面可以让工程监 管人员了解塔机远行状况，促进提高操作人员的安全意识，同时，该终端记录信 息可作为塔机事故发生后，事故责任的认定依据；再者，建筑行业的发展趋势是 高层、密集、高速，这必然导致多塔机联合作业的场合越来越多，协调多塔机同 时工作既保障安全又兼顾效率，将成为塔机研究的重要课题和研究趋势。综上， 开发智能化、小型化、通用化、无线化、网络化的塔机状态远程监测系统对于塔 机安全、对于国家基础设施建设和经济建设而言，都具有十分重大的现实意义。 1 2 塔机及其监控系统研究现状 国内外对于塔机安全监测系统的研究重点主要包含两点： ( 1 ) 丰富传感器的种类，提高传感器数据采集精度和可靠性。早期产品一般仅 第1 章绪论 仅具有力矩限制和起重量限制功能，即起重力矩限制器和起重量限制器，当前很 多国内外安全监测产品具有更大容量的信息集成度，监测参数范围从过去的起重 力矩、起重量到塔机运行的位置、速度、加速度，甚至还包括风速、温度等信息， 全方面多方位的信息集成安全监测。 ( 2 ) 数据处理及人机交互，不断改善提高系统的人机界面、功能性、网络适用 性、工作环境的普适性、系统的智能性( 预判、反向保护) 与塔机监视系统的扩展性。 与塔机的发展历程一致，国外在塔机安全作业保护和相应监测等方面的研究 工作起步较早，技术发展较为成熟，其中以德国、法国、英国尤为突出。一些著 名塔机安全监测厂商有美国的c r a n e 公司、德国的l i e b h e r r 公司、w o l f f 公司、法国的p o t a i n 公司、意大利的s i m m a 公司、日本的石川岛等几十家制 造商，其产品占据国际塔式起重机市场的大部分份额，也代表着塔机生产及其安 全产品的最先进技术。作为塔机制造商，其塔机安全监测装置主要是针对各自的 塔机产品，这些制造商的安全监测产品基本反映了国外安全监测系统的发展历程、 现状和趋势。 美国的c r a n e 公司主要业务是为大型起重机设备工程提供监测系统方案。该 公司提出无线监视系统解决方案( w i r e l e s sm o n i t o r i n gs o l u t i o n ，w m s ) ，采用z i g b e e 技术做为系统传感器数据采集通讯手段，提供可选的e t h e m e t 、移动机站、卫星等 多种宽带接入技术方案，终端部分亦可采用数据中心、p c 主机或警报提示系统设 备。该系统具有完备的“端到端的智能监视、连续实时的数据信息、灵活、高 效等特点。德国作为装备制造业的强国，塔机制造公司l i e b h e r r ，则采用激光 装置查找出起吊物的重心位置，使用超声波传感器引导取物装置抓取货物，小车 运行采用编码轨系统测定路径，起升高度则采用恒定张紧的测量索和角度发生器 测定。起重机还采用磁场变化器或激光手段达到高精度定位，通过显示器还可以 显示塔机工作中的各种参数的数字量，和各参数变化的图形， 使司机能及时掌握塔机运行的实时工作状态，以及工作区域限制情况。为了 解决起重机吊重的防摇摆控制，还开发了模糊逻辑电路的控制技术，用神经信息 技术和模糊技术寻找开始加速的最佳时刻，将有经验的司机实际防摇摆操作的数 据输入系统，实现最优控制。英国的起重机也安装了近场感应系统，可以避免起 重机之间的相互碰撞。采用无线遥控时载荷称量也能在远程接收机上显示。起重 一种塔机安全监控与数据传输系统的殴计与实现 机上还装有微机自诊断监测系统该系统能提供例如钢丝绳状况、减速器油温油 位、车轮轴承温度、起重机载荷、应力和振动情况、制动器摩擦衬片的寿命及温 度状况等。法国p o t a i n 公司为其塔机装设了微机辅助保养系统以及微机辅助驾 驶系统。该系统能够记录5 3 种参数，对2 0 种故障与易损件耗损程度和使用寿命 直接相关的信息进行存储处理。还可以对有关电源供电条件、制动器和其他部件 一r ： 的技术状况相关的2 3 项信息进行处理，比如检测参数超出极限值，系统会向司机 发出警报，并在显示器上显示相应的故障部位或者项目。 随着安全监视系统技术水平、可靠性只臻成熟，其对于遏制重大事故，减少 一般事故的关键性作用，欧洲、美国等发达国家已颁布相关技术法规，在塔机生 产和施工环节强制安装塔机安全监测系统，并且已实现大面积普及。 与国外先进塔机相比，我国建筑安全科研投入严重不足，建筑安全生产监督 管理的手段落后，安全生产的技术含量低，施工现场安全防护技术陈旧等仍然是 制约我国建筑安全生产水平提高的重要因素，与发达国家相比，我国建筑安全防 护技术，防护用具和机械设备相当落后，标准化、定型化、工业化程度仍很低。 8 0 年代初，一些塔机生产厂家、科研院所和大专院校投入到塔机机械和电子力矩 限位器产品的研究，在一定程度上提高了塔机工作的安全系数。 于2 0 0 0 年1 2 通过建设部验收的“九五”科技攻关专题“大型塔机安全监测 保护系统的研究 实现了对塔机起吊力矩、起重量、小车幅度，吊钩高度等参数 进行实时测量。该系统具有系统故障自诊功能。系统通电后对各传感器、触摸屏 电路及连线进行自检。若力矩等各路信号电压不在正常范围内，p l c ( 可编程控制 技术) 将输出声光报警，触摸屏中文信息条将提示司机对应信号回路有故障需要检 修，防止因回路故障造成系统过载而不能继电报警保护。该系统的缺点是成本较 高，无远程监测功能，参数检测不完全且精度较低和系统结构复杂，不易于施工 实施，在施工现场的广泛应用比较困难。 江苏南通某有限公司把东南大学自动控制专利技术应用于上海某广场的整体 提升脚手架工程中。架体整体升步调通过测力传感器及位移监测器将信号输入 c p u ，激活程序将应变参数换算成力量值显示于屏，同时显示最大允许力量值及 最小值。当最大值超过设定界值范围时，系统发出警报自动停止升降，并显示负 荷变动最大的测点位置及原因。排除障碍后，返回正常工作状态，可防止人为不 第l 章绪论 可预见因素造成的损失。济南微控科技发展有限公司的t s c m s 系列塔式起重机监 测管理系统，通过对塔机工作载荷、位移信号的采集和额定工作参数的录入，利 用液晶显示屏实时向操作者显示塔机的当前工作参数及与额定参数的对比状况， 有效避免盲目操作，预防事故发生；实时记录并储存每一工作循环的工况参数， 为设备管理提供可靠数据；为安全生产监督提供管理数据。 山东某集团有限公司的塔机安全监测系统，该系统将塔式起重机的安全装置 ( 包括力矩限制器、起重量限制器、幅度限位器、回转限位器及高度限位器) 的各项 功能进行了有效集成，并且综合利用了微电子技术、信息传感技术及信息通讯技 术，是新一代高质量、高性能的塔式起重机安全监测管理系统。另外，该产品的 高度和幅度传感器信号采集处理电路采用可编程逻辑器件c p l d 构成4 倍频及辨 向电路，大大提高了检测分辨率，并消除了抖动误差；同时，该产品利用超大容 量存储器可以对机构运行数据进行连续记录，并且可以通过计算机回放所记录的 数据。 目前，国内塔机安全监视系统在可靠性与稳定性方面，已有很大提高，能够 适应复杂工作环境要求，然而，对于系统整体功能完善方面有待提高，塔机安全 监视无线传输方面，尚未推出成熟的产品与解决方案，本课题即填补了这方面的 空白，为工程管理人员和事故仲裁部门提供切实可行的手段和可靠的依据。国内 尚未颁布强制安装塔机安全保护系统的法规政策，但是，我们应该相信， 在不久 的将来，随着国内对施工安全问题重视程度的不断加强，政府必然会出台相关法 规政策，强制安装塔机安全保护系统。综上，本课题具有潜在的社会价值，为塔 机安全监视提供可行的解决方案。 1 3 课题的主要研究工作及成果 综上为了提高塔机生产运行的安全性，更好的地保护国家与人民生命财产安 全，提供一个塔机安全生产运行环境，提高塔机运行效率，丌发小型化、自动化、 智能化、无线化、网络化的塔机安全监测系统成为迫在眉睫的重大课题。利用塔 机监测系统，实时向操作人员、管理人员显示、发送并记录塔机实习工作状态信 息，对于塔机监测技术的现代化和数字化以及国家基础设施建设和经济建设而言， 都具有十分重大的现实意义。本项目研制的塔机安全无线监测管理系统，诈是迎 8 一种塔机安全监控与数据传输系统的设计与实现 合了这一社会需求，其具有的功能性，可以保证系统投入使用后在提高塔机生产 效率；避免误操作和超载；为管理者提供有效的科技管理手段；为处理事故提供 有效证据；为科学研究、制定规范提供依据；促进塔机监测走向现代化、数字化 等方面发挥其应有的作用，进而可以创造出较高的经济效益和良好的社会效益。 1 3 1 课题基本设计要求 课题基本设计要求是实现一种塔式起重机的安全监测管理系统，包括塔机驾 驶室和远程上位机两部分。塔机驾驶室侧能够完成电器控制，实时对起重力矩、 起重力、小车幅度、回转角度、起升高度、风力风向等状态参数进行监测，实时 将状态参数显示并存储，有预报警、超限报警和超限控制功能。远程上位机能够 记录并显示下位机显示状态信息，并能够显示塔机地理位置信息等，对超载违规 操作高亮显示，工程管理人员可在操作室内实现对塔机工作状态的实时监视，同 时，在塔机事故发生后，其工作记录可做为事故责任认定依据。 1 3 2 课题主要工作 第一章，国际国内的塔机及其安全保护产品发展状况进行了综述，论证了塔 机安全产品的前景和必要性。第二章，对公网数据传输方法与技术进行概述，重 点对其中的g p r s 技术的结构和特点进行了详细阐述。第三章，系统整体设计要 求说明，系统方案论证，从整体上介绍系统设计方向。第四章，从硬件的角度介 绍塔机侧的硬件各部分的实现。第五章，对i ic o s i i 操作系统进行说明，从软件 的角度介绍塔机侧系统软件的设计与实现。第六章，着重于上位机软件部分的设 计说明。 主要工作内容： 系统整体方案设计与论证 多传感器系统实现 a r m 7 主控板电路的设计、制板及功能调试 上位机软件的设计与实现 无线通信数据传输的实现 系统整体调试与现场实测 第1 章绪论 1 3 3 课题成果及创新点 本课题已完成以上工作，并于施工现场塔机实地试验半年，实验结果表明系 统工作稳定，数据准确，满足本课题所要求内容，同时已经申请了专利1 2 项，己 受理5 项。本文创新的提出了将g p r s 数据通信方式与塔机监测相结合，在传统 监测系统基础上增加了远程管理监测p c 终端系统，并设计了相应的软硬件予以实 现。经现场实测，该塔机远程安全监控和数据传输系统具有运行稳定，操作方便， 功能全面，用户界面友好，信息显示直观准确等特点，为加强塔机安全运行监管 工作提供了有效的手段和措施。 一种塔机安全监控与数据传输系统的设计与实现 第2 章公网数据传输方法与技术 2 1 移动通信网络发展和现状 移动通信技术的发展有三个阶段【1 5 】： 第l 代移动通信是模拟的无线网络，采用技术，这种技术存在频谱利用率低、 保密性差、容量小、与固定电话网的数字化不匹配等缺点，因而不能满足日益增 长的移动通信需求。 第2 代移动通信系统是数字通信系统，主要还是以语音服务为主。 g s m ( g l o b a ls y s t e m 缸m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) a p 全球移动通信系统的简称，是在 第一代移动通信系统的基础上发展起来的第二代移动通信系统。g s m 系统克服 了第一代移动通信系统难以满足大量用户的需求的缺陷，同时提供了一定的数据 业务功能。系统作为一种面向未来的移动通信系统，真正实现了个人移动性和终 端移动性，因此在全球范围内得到了广泛的应用。 第2 5 代移动通信系统主要特征是可提供移动宽带多媒体业务。作为第二代 移动通信技术向第三代移动通信的过渡技术，是由英国公司早在年提出的，是年 规范实现的内容之一，是一种基于的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组 的或者连接。无线网络技术是当前发展最迅速的领域之一，相应的新技术也层出 不穷，不同的网络技术应用于不同种类的网络。 第3 代移动通信系统与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的 提升，它能够在全球范围内更好地实现无缝漫游，并处理图像、音乐、视频流等 多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时 也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。为了提供这种服务，无线网络必须能 够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支 持至少2 m b p s 、3 8 4 k b p s 以及1 4 4 k b p s 的传输速度( 此数值根据网络环境会发生变 化) 。国际电信联盟( i t u ) 目前一共确定了全球四大3 g 标准，它们分别是 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 和w i 。日本移动通讯巨人n t t d o c o m o 已于2 0 0 1 年1 0 月1 日开通全球第一个3 g 服务，该服务基于w c d m a 标准。目前，亚洲成为3 g 发展最快的地区，欧洲紧随其次，美国由于不太热心 而在技术准备上远远落后。除了动作最快的日本和韩国，泰国、中国香港也已经 发出3 g 牌照。目前为止，台湾已经于各家电信运营商如中华电信，台湾大哥大， 第2 章公网数据传输方法与技术 远传电信，威宝电信等推出3 g 业务。 2 2 国内通信网络 目前，我国常见且发展成熟的无线广域通信网络主要有c d m a 、g p r s 、 c d p d 等网络制式类型，其中以g p r s 网络应用最为广泛【1 6 1 。 2 2 1c d m a 网络 c d m a 是码分多址的英文缩写( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，又称码分多 址。它是在数字技术上的分支一扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技 术。c d m a 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息 数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带 宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收 的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现 数据传输。 c d m a 技术的标准化经历了几个阶段。i s 9 5 是c d m ao n e 系列标准中最 先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个c d m a 标准是i s 9 5 a ，这一 标准支持8 k 编码话音服务。在i t u 向各国征求第三代移动通信无线候选技术时， i s 9 5 由于刚取得商用成功，美国t r 4 5 标准委员会没有将很多精力放在第三代标 准的研究上，而是正在努力完成i s 9 5 b 的标准。在i t u 的要求下，在当年提出 了c d m a 2 0 0 0 的第三代标准，即c d m a 2 0 0 0i x 和3 x ( 1 x 代表其载波一倍于 i s 9 5 a 的带宽，3 x 代表其载波三倍于t s 9 5 a 的带宽) ，3 x 又分为下行直接扩谱 和三载波两种方式，后来直接频谱扩展( d s s ) ，将c d m a 2 0 0 0 部分与w c d m a 进行了融合，所以实际上目前的c d m a 2 0 0 0 就只包括c d m a 2 0 0 0l x 和三载波 方式3 x 。c d m a1 x 是指c d m a2 0 0 0 的第一阶段( 速率高于i s 9 5 ，低于2 m b i t s ) ， 可支持3 0 8 k b i t s 的数据传输、网络部份引入分组交换，支持移动i p 业务。是在 现有c d m ai s 9 5 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为c d m a 用户 提供分组i p 形式的数据业务。 2 2 ，2c d p d 网络 c d p d 是c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a 的缩写，即蜂窝数字式分组数据交换网 络，是以分组数据通信技术为基础、利用蜂窝数字移动通信网的组网方式的无线 移动数据通信技术，被人们称作真正的无线互联网。它是以数字分组数据技术为 一种塔机安全监控与数据传输系统的设计与实现 基础，以蜂窝移动通信为组网方式的移动无线数据通信网。使用c d p d 只需在 便携机上连接一个专用的无线调制解调器，即使坐在时速1 0 0 公里的车厢内，也 不影响上网。c d p d 拥有一张专用的无线数据网，信号不易受干扰，可以上任何 网站。与其它无线上网方式相比，c d p d 网可达1 9 2 千比特秒。c d p d 使用中 还有诸多特点：安装简便，使用者无需申请电话线或其它线路；通信接通反应快 捷，如在商业刷卡中，用m o d e m 接通时间要2 0 - 4 5 秒，而c d p d 只要1 秒； 终端系统分移动、固定两种，能实现本地及异地漫游。它也可以支持移动上网、 远程遥测、车辆调度、银行提款、无线炒股、现场服务、商业p o s 系统等等。 2 2 3g p r s 网络 g p r s 网络作为第二代移动通信技术g s m 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技 术，是由英国b tc e l l n e t 公司早在1 9 9 3 年提出的，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规 范实现的内容之一，是一种基于g s m 的移动分组数据业务，面向用户提供移动 分组的口或者x 2 5 连接。它能给用户提供端到端的、广域的无线i p 连接。通 俗地讲，g p r s 是一项无线高速数据传输技术，它以分组交换技术为基础，用户 通过g p r s 可以在移动状态下使用各种高速数据业务，包括收发e m a i l 、进行 i n t e r n e t 浏览、即时聊天等。它是利用“包交换”( p a c k e t - s w i t c