（电路与系统专业论文）塔机视频监控嵌入式技术研究.pdf

西南科技大学硕士研究生毕业论文第l 页 摘要 塔式起重机( 以下简称塔机) 是现代工业和民用建筑领域不可替代的重 要施工设备，具有工作效率高、操作简单等特点，广泛应用于各类高层建筑 施工中。近年来，建筑行业的迅速发展，更是为塔机的发展和使用提供了前 所未有的机会。施工过程中，塔机所赋予操作人员的鸟瞰图极大的影响到了 施工的效率和安全性。但因各种原因，作业过程却往往是在“盲操作 下进 行的，这不但阻碍了塔机优势的充分发挥，也给工程效率和施工安全性带来 了严峻挑战。所以，一套对应的视频监控解决方案研究是有意义的。 在分析塔机工作特点的基础之上，提出了一种采用l i n u x 操作系统和 $ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器分别作为软、硬件平台的监控系统方案。系统由位于小车 上的移动端和固定于操作室的固定端组成。移动端捕获的现场图像处理后经 8 0 2 1 1 无线网络传输到操作室的固定端，而后显示给操作人员。操作人员根 据画面直观而有效的完成相关操作，带来工程效率和安全性的提升。 对塔机监控系统关键技术分别进行了论述与研究。首先，给出了系统总 体软硬件方案设计，构建了系统软硬件平台，系统前端负责采集、处理，后端 负责控制、显示。其次，本文对系统核心部分也即应用程序软件进行了设计 并实现，主要包括：8 0 2 1 1u s b 无线网卡的开发与移植，重点讨论了l i n u x 下u s b 的拓扑结构：视频图像采集模块，利用v 4 l 2a p i 接口实现视频的实时 连续采集；利用软件m p e g 一4 视频压缩算法实现视频流压缩，设计了具体程序 流程并做优化；采用r t p r t c p 作视频流传输协议，使视频数据在w l a n 内实 时传输，并实现了l i n u x 下基于t c p i p 的s o c k e t 编程；针对无线网络环境 下视频传输的特点，着重讨论了视频数据的r t p 分包策略、缓存技术及 r t p r t c p 自适应流量控制算法等方案来降低丢包率和延迟，增加视频数据流 的稳定性，提高视频质量；利用跨平台多媒体库s d l 实现压缩视频数据的解 码后的终端回放、控制等功能。最后，完成了系统总体性能的测试与分析， 测试表明该系统视频质量令人满意，稳定性好。 通过实验调试，验证了本系统的可靠性和稳定性。能够实时的实现视频 播放，为系统进一步功能完善提供了良好的原型。 关键词：塔式起重机视频传输r t p r t c p嵌入式l i n u x 西南科技大学硕士研究生毕业论文第l | 页 a b s tr a c t t o w e rc r a n ei sa ni r r e p l a c e a b l ea n di m p o r t a n tm o d e mi n d u s t r i a la n dc i v i l c o n s t r u c t i o n e q u i p m e n t ，w i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h e f f i c i e n c y ，s i m p l e i n o p e r a t i o na n dw h a tn o t ，e x t e n s i v e l yu s e df o rh i g hb u i l d i n g s ab i r d se y ev i e wo f t h ec o n s t r u c t i o ns i t ec o n t r i b u t e sm o s t l yt ow o r ks a f e t ya n dp r o d u c t i v i t y d u et o m i s c e l l a n e o u sc a u s e s ，t h e i rw o r ko f t e ni n v o l v e s ”b l i n dl i f t s , w h i c hi m p e d ef u l l u t i l i z a t i o no ft h ep o t e n t i a li n h e r e n ti nt h ec r a n ea n da l s oc h a l l e n g ee n g i n e e r i n g e f f i c i e n c ya n dw o r ks a f e t y t h e r e f o r e ，v i d e om o n i t o r i n gs y s t e mo ft o w e rc r a n e s h o u l db ed e v e l o p e d o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft o w e rc r a n e ，t h e v i d e om o n i t o r i n gs y s t e mo ft o w e rc r a n eb a s e do nl i n u xo sa n d $ 3 c 2 4 4 0 a m i c r o p r o c e s s o rh a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h es y s t e mc o n s i s t so fm o v i n g u n i ti n s t a l l e do nt h et r o l l e ya n df i x e du n i ti n s t a l l e di nt h ec a b t h ev i d e oi m a g e c a p t u r e db ym o v i n gu n i ti sp r o c e s s e da n dt r a n s m i t t e dt of i x e du n i ti nt h eo p e r a t o r c a bv i a8 0 2 11w i r e l e s sn e t w o r k ，a n dd i s p l a y si tt ot h eo p e r a t o r t h eo p e r a t o r a c c o m p l i s h e sa s s o c i a t i v eo p e r a t i o n sd i r e c t l ya n de f f e c t i v e l ya c c o r d i n gt ot h e p i c t u r e ，a n dc o n s e q u e n t l ye n h a n c e ss a f e t y ，i m p r o v e sp r o d u c t i v i t y t h ek e yt e c h n o l o g i e so fv i d e o m o n i t o r i n gs y s t e mo ft o w e rc r a n eh a v e s e p a r a t e l yb e e nr e s e a r c h e da n dd i s c u s s e d f i r s to fa l l ，a u t h o rd e s i g n e dt h eo v e r a l l h a r d w a r ea n ds o f t w a r e s y s t e m ，a n db u i l d e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e p l a t f o r m s ，f r o n to ft h es y s t e mr e s p o n s i b l ef o rc o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n g ，b a c k - e n do f t h es y s t e mr e s p o n s i b l ef o rc o n t r o l ，d i s p l a y i n g s e c o n d l y ，a u t h o rr e a l i z e dt h ec o r e f u n c t i o no ft h es o f t w a r es y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st h ed e v e l o p m e n ta n dp o r to f 8 0 2 11u s bw l a nn e t w o r kc a r dd r i v e ra n da ne m p h a s i so nu s b t o p o l o g yi n l i n u x ；g r a b b i n gv i d e od a t au s e dv 4 l 2a p if u n c t i o n ；d e s i g n e da n do p t i m i z e dt h e f l o wo ft h es o f t w a r em p e g - 4v i d e o c o m p r e s s i o na l g o r i t h m ；a d o p t e d t h e r t p r t c pp r o t o c o la sv i d e od a t at r a n s f e rp r o t o c o l ，a n dr e a l i z e dv i d e o s r e a l - t i m et r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sn e t w o r ka n ds o c k e tp r o g r a m m i n gb a s e do n t c p i p ；a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i d e ot r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s s n e t w o r k ，t h ep a p e rf o c u s e do nt h er t pp a c k e ts u b - s t r a t e g yo fd a t as t r e a m ，b u f f e r s t o r a g et e c h n o l o g ya n da d a p t i v ef l o wc o n t r o la l g o r i t h mf o rr t p r t c p ，w h i c h 西南科技大学硕士研究生毕业论文第1 ii 页 s t r a t e g i e s c o u l dd e c r e a s et h er a t eo fp a c k e tl o s sa n dt h el a t e n c y ，e n h a n c e s t a b i l i z a t i o no fr t p f l o w ，i m p r o v ev i d e oq u a l i t y ；d e s i g n e dd i s p l a y i n ga n d c o n t r o l t e r m i n a ls o f t w a r ew i t hc r o s s p l a t f o r mm u l t i m e d i al i b r a r ys d l f i n a l l y ，a u t h o r c o m p l e t e dt h et e s t i n ga n da n a l y s i so fs y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h er e s u l ts h o w st h a t t h es y s t e mn o to n l yp r e s e n t ss a t i s f a c t o r yr e c o n s t r u c t e dv i d e ob u ta l s oh a sg o o d s t a b i l i t y r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h i ss y s t e mi sp r o v e db ye x p e r i m e n t a ld e b u g g i n g i tc a ni m p l e m e n tr e a l - t i m ev i d e op l a y b a c ka n dp r o v i d e sag o o dp r o t o t y p ef o r n e x tf u n c t i o n a li n t e g r i t y k e yw o r d s ：t o w e rc r a n e ；v i d e ot r a n s m i s s i o n ；r t p r t c p ；e m b e d d e dl i n u x 西南科技大学硕士研究生毕业论文第1 页 1 绪论 1 1 课题来源 本课题源自与青岛建设局合作横向协议项目。 1 2 研究背景及意义 塔式起重机是垂直运输货物的机械设备，是现代工业和民用建筑领域主 要施工机械之一，主要应用于城市高层建筑施工、桥梁工程、电力建设工程、 水利工程等。随着改革开放的深入，国民经济的持续强劲增长，塔式起重机 更加广泛的应用在各种建筑工程中。二零零二年，我国塔式起重机生产量超 过一万台，成为第一个年产量过万台的国家，与此同时，我国也成了主要的 塔机应用市场n 。 房地产等建筑主要支柱产业的快速发展，使得对塔机的使用需求量也愈 来愈大。仅以绵阳地区为例，据不完全估计，就大约有在施工运行塔式起重 机2 0 万余台。根据塔式起重机安全技术操作规程、起重吊运指挥信号 g b 5 0 8 2 1 9 8 5 等国家一系列文件规定，起重机司机在操作过程中需要根据现 场的情况，并由地面指挥人员配合进行相关操作；工作过程中司机必需始终 注意地面司索信号工发出的操作指挥信号；信号工在作业过程中须处于塔机 操作人员听力或者视觉能触及的明显地方，不可以进入操作人员视觉盲区以 及隔音区，使用的指挥信号须明了清晰并且指挥信号可即时传出等。这些都 要求司机对现场有清晰地判断，也对司机产生了较高的要求。随着建筑规模 的增大，尤其是高层建筑愈来愈多，塔机的高效使用对工程的顺利完成也越 来越重要。过去几十年来塔机的机械性能得到了迅速发展，极大地提高了工 程的效率。 塔式起重机与移动式起重机等地面起重机械的不同点之一是驾驶室的 位置。前者在塔机的顶部，后者在地面上。在地面或其他方便的位置对塔机 进行遥控指挥通常用于塔式回转、伸缩桅、小型自架设等起重机，而对于占 据城市建设现场统治地位的上回转塔式起重机是不可代替的。另一个不同点 是塔式起重机使司机具有开阔的视野和对现场的直观视图，这一点对建材的 操作、吊运、卸载非常重要。有了清晰的视线，生产效率提高了，安全性也得 西南科技大学硕士研究生毕业论文第2 页 到了加强。虽然操作人员位于塔式起重机的顶部，但操作过程中遇到的许多 视觉难题却是不可避免的。下图所示的塔机日常运行的几个不同工作场景充 分表明了操作人员操作过程中遇到的视觉局限性问题心4 1 。 ；lii i i 糊 l ill l ；il ll l li li 一纛 ll _ l l _ l lllllii llill - l lllllil gi i i ili ill i 。；囹 li i li i 。； ll l l l l ll ll l lv ( b ) _ l il i _ l il il li ； 一l ! ( c )( d ) 图卜1不同位置吊运的可视性 f i g 1 1 v is i b iii t yo fi o a df r o mo p e r a t i n gp o s i t i o n s 最常见的局限性如图卜l ( a ) 所示，操作过程中从操作人员的视线角度来 看，楼体的阻挡使他们对建材的吊运、卸载、移动看不到，俗称“盲操作”， 这一问题存在于绝大多数建筑工地场景中；在高层建筑中，因各种原因，例 如场地的限制或为了减少塔机顶升增加的成本、打断工程进度等各种考虑， 通常工程刚开始时，塔机通常已经按其最大高度安装了，使得操作室实际离 地面较远，如( b ) 所示；图( c ) 所示为当挂钩从强光之下移动到阴暗区时，光 西南科技大学硕士研究生毕业论文第3 页 强的剧烈变化对操作人员视力带来了挑战；随着吊运半径与垂直距离比例的 增加，对吊运现场的视角也越来越小，当吊运卸载体积大、重量重、对位置 要求关键的场合下，此问题会很突出，如图( d ) 所示。除此之外，还存在因天 气、操作人员视觉疲劳等其他原因产生的局限性。 由于塔式起重机的机械结构以及高安装、速度快、高势能、高动能的特 殊性，因人为的不安全行为或设备的不安全状态，一旦稍又不慎，就会造成 重大人员伤亡。为了切实保障塔式起重机安全工作，也为了降低建筑施工事 故发生率，世界各国先后出台了相关的强制安全保护规程并制定了相关行业 规范，对塔式起重机从最初的设计到维护等制定了一系列强制性规定，最大 限度保证塔机作业安全。然而即便如此，安全事故仍不时发生b 6 3 。 据统计，仅由于塔机操作人员操作不当和安全监控措施不到位引发的事 故就占据总事故的4 6 7 。a v i a ds h a p i r a 、f a s c e 、b e n yl y a c h i n 等人在塔 机施工安全影响因素之确定与分析一文中经过科学严格的评判概括出了4 0 余项因素并从中抽取2 1 项最主要因素进行了分析n 1 ，结果如图1 - 2 示。 ；= 穹值4 , 4 4 , 34 24 24 , 24 24 1x , o 3 93 8 3 73 , 63 63 43 , 43 , 23i3 0 乞2 7 媾笼垒 俦 工 韭 囊空警 蕺 垒垒 练蓄营 ，蔓蓬：兰 篆号警豪i工曩还鸳 象运零韭撬 辜襄 喜襄 臻莲褒浮整嚣重| ：! 莹量 律砖毒专叠碍绔 ，i萎臻 贯耋 图1 2 塔机施工安全影响因素程度 f i g 1 2d e g r e eo f in f i u e n c eo ff a c t o r sa f f e c t i n gs a f e t yo r l c o n s t r u c t i o nsi t e sw i t ht o w e rc r a r e s of 夏毒 ： 茳： 一 r 誓 灌蹑强 由图中数据并结合前述场景分析可知，盲吊运、信号工经验、辅助操作 人员、可视性、语言障碍、视线距离与角度等几个安全影响因素都会对施工 天气 嚣襞至亳专 壤毫鎏 臻趣i透世耋三h 连整簿贯瓷喀， 墨酸管建鎏 言i h 一运 西南科技大学硕士研究生毕业论文第4 页 安全产生重大影响。 上面提到的各种局限性在建筑工地施工过程中经常遇到，严重影响了施 工效率和安全性。现今通常的解决方法是配置司索信号工或使用无线对讲机 协助解决上文提到的问题。但这些都不是根本解决办法，而且因许多塔机事 故全部或部分是由错误的信号导致的，原因从培训不够到语言障碍不一而足。 同时也存在着一些固有缺点：劳动力成本；需要多个信号人员处于不同的位 置；通信中时有误解发生等。 为了解决这些限制及其带来的不利影响，本文设计了一套视频监控的解 决方案。通过安装在塔机起重臂变幅小车上的摄像头监视吊运现场，视频信 号经过处理以后传输到操作人员驾驶室内。这样操作人员便能有效监察吊运 现场情况，不但充分发挥了塔式起重机赋予操作人员的优点，又拓延了操作 人员的视野，使得对建筑场景有一个全局的视图和有效的控制。 1 3 国内外研究现状 上世纪四十年代，塔机行业开启了它的快速发展期。第二次世界大战后， 欧洲重建使得塔机得到了快速发展，塔机工作时噪音低而且特别适合高低楼 层相紧密结合的紧凑城市建设。之后，塔机在吊运重物的重量、塔机地面部 署、操作便利性方面不断完善。随着时代科技的进步，塔机操作、控制系统 产生了很大变化，这也使得其使用更加安全。计算机技术、通信技术、机械 技术的快速发展与融合使得塔机性能不断提升，系统功能日臻完善，塔机已 经进入了“电子”时代。 这主要表现在以下三个方面。图形化的选择软件包可以处理从塔机机型 选择到位置安放等一系列问题，这可以从一系列选项中快速做出选择；通过 软硬件结合，防碰撞系统的出现使得重合区域工作的塔机有序工作，避免了 碰撞事件的发生。防碰撞系统利用无向通信技术或其他技术实时监控塔机动 作，当危险发生时可以减慢甚至立即停止塔机运行，绝大多数防碰撞系统可 以避免塔机与相邻问建筑、输电线的碰撞；操作过程中从司机的视线角度来 看楼体的阻挡使操作人员对建材的吊运、卸载、移动看不到，这在塔机工作 中是经常出现的问题，近年来国外一些机载视觉系统的使用克服了由于“盲 操作”带来的绝大多数安全问题，工作速率的提高和平均旋转周数的减少也 带来了工作效率的提升哺3 ，但这些系统却也价格昂贵。 西南科技大学硕士研究生毕业论文第5 页 世界范围内比较著名的塔机生产厂商有法国的p o t a i n ，德国的 l i e b h e r r 、p e i n e r ，美国的m a n i t o w o c 、t e r e x ，意大利的c o m e d i l 和荷兰的 o r l a c o 等。它们占据了塔机市场的大部分份额，其中尤以p o t a i n 和l i e b h e r r 最为突出，两家企业生产销售的塔机占据了世界范围内2 3 的市场份额。2 0 0 1 年m a n i t o w o c 收购了p o t a i n 品牌。 p o t a i n 公司的塔机类型完整，种类齐全，涵盖了6 0 余种类型，分为g m a 、 g m e 和s p e c i a la p p l i c a t i o nc r a n e s 三大类。技术上不断推陈出新，对塔机 的调运重量、起重力矩、风速限制以及塔机其他部位的工作参数和易于出现 损耗的部件进行有效监控，利用各种传感器实时监测出运行状态并通过无线 传输技术向塔机操作人员报警或传输到显示屏上显示相关信息工作；p o t a i n 还在它的塔机中使用了辅助驾驶和养护系统阳10 1 ；最新开发的频率变换、l c c 绞盘吊运等技术使生产效率提高了7 0 。 另一家塔机技术的全球领导者是德国的l i e b h e r r 。早在九十年代末， l i e b h e r r 公司第一个于塔机上装配了全参数自动监测系统。至2 0 0 1 年，西 方各发达国家的起重机均配备了该系统。该监测系统的使用为减少一般性事 故，遏制重大伤亡事故，发挥了至关重要的作用，并且实现了事故预防，使 安全事故率整体下降了8 8 。利用这些高新技术可保证塔机工作安全，并取 得最佳的工作效率，也使它们的产品总是保持在一个领先的地位。其生产的 塔机配置了先进的电子监控和数字显示技术，塔机工作运行的各种参数可以 以图形的方式显示，使操作人员及时掌握各种状态参数以及塔机工作区域与 周围建筑物或高压电线的距离3 。塔机上还搭载了先进的用于定位重物的激 光装置。 各塔机研究机构和厂家大多侧重于塔机安全的自身防护研究，而在塔机 操作人员的辅助视觉方面的研究不足。即便是在塔机发源地的欧洲，这种情 况直到二零零五年，在 c r a n e st o d a y 杂志上进行报道以后才得到重视。 二零零六年，t e c h n of i n e ，一家美国建筑设备公司已经开始提供塔式起重机 机载摄像监控系统。在欧洲，o r l a c o ，一家荷兰公司也于二零零六年开始提 供塔式起重机视觉系统解决方案。在韩国，首尔大学和国立木浦大学的研究 人员利用无线视频监控技术和r f i d 技术使塔机操作人员对场景有了更直观 的视图并实时将吊运建材信息传输给操作人员n “。 我国塔机应用和研究相比于国外塔机制造企业，起步较晚，设旌陈旧， 科研投入不足。直到改革开放之后，随着工农业建设和城市化规模不断扩大， 西南科技大学硕士研究生毕业论文第6 页 塔机的研究工作才步入正轨。新农村城镇化建设、地方集群城市化、国家十 二五规划等相关政策相继出台落实，作为建筑类作业中起主要支撑作用的塔 机，其行业必将成为未来发展最快的建筑机械行业。据统计，2 0 0 2 年我国已 成为世界上首个塔机年产量突破1 0 0 0 0 台的国家，2 0 0 6 年销量已超过2 万台， 成为世界民用塔机的生产大国。但是，在塔机整机性能、稳定可靠性、智能 化水平、安全监护等方面与国外知名塔机生产商相比，还有很长的路要走。 二零一零年，克瑞安邦技术有限公司成功研制了塔机安全监控仪，该仪 器能连续采集塔机的工作状态，具有采集、存储、远程监控等功能，并提供 了类似黑匣子的事后分析功能。 川建集团( 四川建设机械( 集团) 股份有限公司) 开发的全变频塔机改进 了塔机机构性能，具有无级调速、重载低速、轻载高速等优点，大大提升了 使用效率。此外川建集团开发的h m l 人机界面、t m s 工作信息系统、h a i 高度 自动识别系统等技术使塔机的关键参数以图形化的方式显示出来并能自动记 录塔机的使用时间、操作员工作时间等管理信息，h a i 系统相当于操作人员 的透视镜，可以准确地检测、报警、控制减速直至停车，避免因疲劳或疏忽 造成的隐患。 抚顺永茂建筑机械有限公司针对塔机继电器电路的固有问题和缺点，采 用了p l c 变频技术通过修改程序便可达到扩充功能、良好维护的目的1 。 中国建筑科学研究院建筑机械化研究分院于二零零二年开始了塔机安 全监控技术的基础研究。二零零五年研制的监控管理系统应用试验结果证明 其在重复性、显示精度等关键技术方面取得了突破进展3 。 1 4 论文主要研究内容 塔机视频监控嵌入式技术研究课题的目的是利用嵌入式、无线通信等技 术开发一套适用于建筑用塔式起重机操作人员的视频辅助视觉系统。通过本 系统可以充分发挥了塔式起重机赋予操作人员的优点，拓展操作人员的视野， 使得对建筑工地场景有一个全局的视图和有效的控制以提高了工程的效率与 施工安全性。 本论文主要包括的内容： ( 1 ) 监控系统方案设计，确定系统整体结构，实地考察、分析确定塔机 操作中存在的问题，确定基于嵌入式技术的塔机监控系统总体设计方案； 西南科技大学硕士研究生毕业论文第7 页 ( 2 ) 阅读了大量有关嵌入式系统设计、视频传输关键技术等方面的技术 资料，特别是对l i n u x 驱动程序开发和应用软件设计相关技术进行了研究； ( 3 ) 完成了系统软件平台的搭建，对应用软件部分完成了模块化的程序 设计以方便升级和优化，对图像采集、编解码、无线传输、图形化显示等功 能进行实现； ( 4 ) 面向无线通信的编解码算法除了必要的高压缩比外，还应当实现输 出码率控制，同时针对无线网络传输延时大、误码率高等特点，本文对视频 码率控制、实时传输、缓冲区、传输质量等方面进行了专门的研究； ( 5 ) 测试与分析是应用软件开发过程的重要环节，本文最后还对程序关 键参数进行优化，对视频传输质量进行了数据分析并给出了实验结果。 1 5 论文结构组织安排 本文的章节结构如下： 第一章绪论：介绍了课题的来源、研究背景及意义、国内外研究现状、 主要的研究内容以及论文结构安排； 第二章监控系统总体方案设计：对硬件、软件平台的选择以及塔式起 重机作了简要介绍并详细分析了塔机的运行过程，在此基础上，给出了监控 系统设计方案并对系统开发的要求和指标做了论述； 第三章系统开发平台的设计与构建：软件平台的设计与构建是该系统 赖以实现的基础和保证，本章对引导程序、文件系统和操作系统等部分进行 了详细说明； 第四章系统应用软件设计与实现：对系统软件框架及流程进行了说明， 完成了u s b 驱动程序移植与实现、视频采集、m p e g 一4 编解码、无线网络传输、 回放显示等功能； 第五章视频传输质量控制关键技术：对影响视频传输质量的关键技术 进行研究，介绍了数据打包的方法，实现了速率自适应反馈控制，利用环形 缓冲区算法解决采集传输速率失配和视频延时问题，对编码器输出码流控制 进行实现； 第六章系统测试与分析：对系统模块和整体性能测试，给出了质量评 价并对结果和影响因素进行分析； 西南科技大学硕士研究生毕业论文第8 页 最后，对论文的研究工作内容总结，指出不足之处，提出下一步的研究 方向和思路。 1 6本章小结 本章阐述了塔机操作人员在作业过程中存在障碍及引发的安全问题并 详细介绍了国内外在塔机安全方面的研究进展情况，指出了本课题研究的意 义、研究的主要内容和结构安排。 西南科技大学硕士研究生毕业论文第9 页 2 监控系统总体方案设计 在分析塔机结构和运行过程的基础上，对塔机视频监控系统总体方案进 行设计，完成硬件处理器平台和软件平台的选型。针对特定环境下的实现要 求，在总体方案的基础上，讨论了开发过程中的带宽、实时性等特别要求并 给出了开发的具体指标要求。 2 1 塔式起重机概述 塔机全称为塔式回转起重机，具体还可以细分为平臂式、动平臂、平头 式等，其属于一种非连续性搬运机械，是一种起重臂装设于高处的全回转起 重机械装置。塔身直立，起重臂可作3 6 0 度旋转，是房屋建筑工程、市政工 程工地以及现代化工业房工程必不可少的施工设备，广泛地应用在各种物料 的起吊、运移、安装作业中n5 1 。塔式起重机由起重臂和塔身两部分组成承重 结构，并有顶升、旋转、运行、变幅等工作机构及安全保护装置组成，具有 回转灵活、臂架长度较大、小车变幅等特点。 塔机具有高安装、高动能、高势能、速度快的特点。塔机的优点是能将 构件或建筑材料准确吊运到楼层的任意部位，在吊运方式和速度方面胜过任 何其他类型的起重机械。因此，塔机对降低建设成本，提高施工质量，减轻 劳动强度，节省人力，实现工程施工机械化起着重要作用。但由于在工作过 程中频繁启制动，又有比较大的动载荷存在，是一类蕴藏危险因素较多的机 械。因人为的不安全行为以及塔机本身也存在抗倾翻性差，抗风力差，需要 附着支撑等缺陷，使建筑施工场地增添了危险和不安全因素，威胁着设备及 人员的安全。 2 2 塔机结构与运行过程分析 塔机的组成结构一般包括基础、塔身、顶升、回转、起升、平衡臂、起 重臂、起重小车、塔顶、司机室、变幅等部分，如下图2 1 所示。为了能够 完成三维空间的吊装作业，必须需要一个工作机构以按照不同的运动要求实 现塔机的运作。塔机通常有起升机构、变幅机构、回转机构和行走机构。起 升机构实现重物的垂直上下运动；变幅机构、回转机构实现重物在两个水平 西南科技大学硕士研究生毕业论文第10 页 方向的移动；行走机构实现重物在塔机所能及的范围内任意空间运动或者使 塔机转移工作场所n 6 17 1 。 霞橇奎 图2 - 1塔式起重机结构 fig 2 1t o w e rc r a r es t r u c t u r e 起升机构的功能是实现重物的上下垂直运动，其是塔机作业过程中最频 繁的机构，由原动机、钢丝绳、滚轮组和挂钩几部分组成。起升机构随着由 卷筒带动的钢丝绳的拉伸以实现挂钩垂直运动，高度限位器能够防止因卷筒 的过卷而造成的钢丝绳拉断。当由于特殊情况塔机断电时，制动器制动，锁 住起吊重物，防止由于重力作用重物落地造成危险。 变幅机构的功能是控制变幅小车沿着起重臂运动，用于改变挂钩中心和 塔身轴线间的距离，由电动机、卷筒、变幅小车和导向轮等组成。变幅原理 类似起升机构，小车随着钢绳的收缩、拉伸做水平移动。为保证变幅安全， 小车移动到最大位置时触动行程制动开关，电动机减速停止，变幅停止。 西南科技大学硕士研究生毕业论文第1 1 页 回转机构的功能是实现塔机起重臂以塔身为轴，在水平面内自由转动， 由电动机、制动器和行星齿轮减速机等组成。由于塔机本身自重大，为了保 证塔机平稳的回转，快速的运动，减小电机功率，目前一般都采用电机通过 减速器带动小齿轮围绕大齿圈转动来驱动塔机沿着大齿圈轴向回转。此外， 为了使塔机在工作时能够停在任何位置而不至于被风吹动，塔机回转机构一 般要安装制动器。 行走机构的功能是实现物料在任意空间范围移动或是转移它的工作场 所，该机构只存在于部分塔机中。 2 3 系统方案设计 本文以塔机操作人员作业过程中，尤其在是高层或超高层建筑物作业过 程遇到的实际困难为出发点，设计开发了此塔机机载视频监控系统，对塔机 操作人员的视野进行有效拓延，弥补因各种原因引起的对操作人员形成的视 觉障碍，提高塔机的施工效率和使用安全性。 2 3 1系统结构设计 本系统主要由两个功能部分组成，分别为位于变幅小车上的移动前端和 置于操作人员驾驶室内的固定后端。 位于小车上的移动前端的高分辨率、聚焦摄像头镜头面向下方，使吊运 重物的挂钩始终处于摄取图像的中央位置。这样当重物随变幅小车沿起重臂 移动时，工地现场的图像信息经过处理后无线传输到驾驶室内，场景便完全 置于塔机操作人员的视野下。前端之所以没有置于更靠近工地现场的挂钩上 是因为挂钩在正常作业或空置时因风力、惯性等各种原因易造成频繁的晃动， 操作人员在长时间的注意力高度集中的情况下易出现眼花、头晕等问题。 固定于驾驶室内的固定后端接收、解码传送来的视频数据，通过l c d 实 时的提供给操作人员可参考的画面。鉴于驾驶室的空间大小因素，l c d 要适当。 2 3 2 系统功能结构设计 系统基于a r m 处理器和l i n u x 系统平台建构，以r t p r t c p 作为视频流传输 协议，利用i e e e8 0 2 1 l 无线局域网完成视频图像的网络传输，并在塔机驾驶 室对场景视频图像进行显示和控制。采用模块化的结构设计思想，按功能分 西南科技大学硕士研究生毕业论文 第12 页 为几大模块以方便升级和维护，系统功能框图如图2 2 所示。 图2 - 2 系统功能框图 f i g 2 - 2 f u n c t i o n a id i a g r a mo ft h es y s t e m 本塔机监控系统分为发送部分和接收部分。在发送终端，采集模块利用 传感器采集数字视频数据，后传输到压缩模块，处理后把视频数据、控制信 息打包，再由传输模块经无线链路发送；在接收终端，接收数据，经反向处 理分离出视频数据、控制信息，视频数据通过显示回放模块完成在l c d 上的 显示并可实现暂停、缩放等功能。根据目前现有资料显示塔机起重臂工作半 径一般在百米范围内，发送终端和接收终端网络传输模块均工作在i s m2 4 g 频段，可以满足传输要求。 系统选用三星电子设计的一款采用a r m 架构的基于a r m 9 2 0 ti p 的3 2 位 精简指令集微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 做硬件平台，它为一般应用提供了低功耗、高 性能、低价格的片上集成系统解决方案，具有较高的性价比n “。而本系统的特 殊应用使得对功耗、价格等有较高要求。a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、内存管理 西南科技大学硕士研究生毕业论文第13 页 单元( m m u ) 和高速缓存( c a c h e ) 三部分组成。a r m 9 2 0 t 实现了内存管理单元、 高级微控制器总线体系和哈佛高速缓冲体系结构，具有独立的1 6 k 字节的指 令缓存和同样大小的数据缓存。 $ 3 c 2 4 4 0 a 采用五级流水线，内置全性能的m m u ，支持多种形式的操作系 统，流水线正常运行时速度高达5 3 3 m h z 。它还提供了丰富的内设和外部接口， 降低了系统整体成本并无需配置额外的组件。 操作系统与软件部分是本文工作的核心同时也是最耗时的。采用正确而 且有效的设计方法来对整个软件结构规划是系统成功实现的关键，其中最重 要的一点便是操作系统的选择。操作简单、可靠、稳定、跨平台、易配置扩 展、高实时性、良好的支持性网络的操作系统是软件设计的基础。目前，世 界上共有大大小小约计3 0 0 余种类型的嵌入式操作系统n9 | 。从适用于低端单 片机或微处理器的t i n yo s 、r tl i n u x 、u c o s 2 、u c l i n u x 到高端智能终端的 a n d r o i d 、i o s 、m e e g o 、w i n d o w sm o b i l e 等不一而足，应用最广泛的有e m b e d d e d l i n u x 、v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、p a l m o s 、n u c l e u so s 、a n d r o i d 等。单就操 作系统本身而言是没有绝对优劣的，我们通常主要考虑以下几个因素来决定 某个操作系统是否适合作为开发平台：对处理器支持广泛性、可移植性、成本 限制、软件资源丰富程度、操作系统的功能完整性、系统定制能力、操作系 统稳定性、安全性、网络亲和性以及研究开发人员的技术背景等。经比较， 选择e m b e d d e dl i n u x2 6 3 1 作为系统开发平台。 l i n u x 相比较于其他操作系统有如下几个特点瞻0 。： ( 1 ) 源代码遵循g p l 协议，对外开放，可以直接下载，免版权费； ( 2 ) 嵌入式l i n u x 内核性能高效、稳定、小巧灵活，易于裁剪、进行层 次化设计，完全内存保护，真正多任务多进程； ( 3 ) 驱动资源丰富，支持多种硬件平台和最新硬件技术，良好的可移植 性使得原型可以在标准平台上开发，然后快速移植到具体的目标硬件上，使 软件、硬件可并行开发，加快开发过程； ( 4 ) 完善的网络功能和文件管理机制，支持几乎所有标准网络协议，内 置完整的网络协议栈，支持r e i s e r f s 、c r a m f s 、y a f f s 2 、f a t 3 2 等多种文件 系统，具有稳定的文件管理机制； ( 5 ) 开发方便，优秀的开发工具，资源丰富，良好的开源社区支持。 西南科技大学硕士研究生毕业论文第14 页 本文研究工作大致分两方面：一是系统开发平台的构建，包括开发、调 试环境和系统软件平台的构建；二是功能应用软件实现的开发与设计，包括 系统的各个模块、驱动程序等，系统软件框架图如如图2 3 所示。 图2 - 3系统软件框架图 fig 2 - 3s o f t w a r ef r a m e w o r ko ft h es y s t e m 太 1 ：3 整个系统大致分为三层：以内置各种丰富外设接口的$ 3 c 2 4 4 0 a 处理器作 为系统底层硬件平台的核心；l i n u x 系统内核以及有关硬件模块相关的底层 驱动程序、通信协议等构成了系统软件平台，它为上层应用软件提供了大量 系统调用接1 ：3 ，方便调用；系统的功能软件实现部分构成了应用程序层，即 采集、无线收发、显示回放等具体功能模块。 2 4 系统开发要求与指标 2 4 1系统开发要求 本课题的特殊应用对视频数据在无线网络传输下的实时性要求严格，对 延时、抖动等敏感，但允许一定程度的误码率。所以，研究开发中应着重考 虑如下事项： ( 1 ) 实时性要求 实时性是多媒体数据通信与普通数据传输的根本区别。视频实时通信有 严格时延要求，应用中延迟大致在5 m s 至3 0 0 m s 之间，为了保证连续播放视 一；一劳习一耍剧 _；一参剥型一百丽蓠孺蓄_ 至蚓 西南科技大学硕士研究生毕业论文第15 页 频，需结合带宽正确处理好延时。 ( 2 ) 服务质量 与有线链路相比，无线链路具有更多的噪声，尤其对于工作在i s m2 4 g h 频段的8 0 2 11 无线局域网，很容易受到干扰，致使误比特率很高，将会严重 损坏回放质量。 ( 3 ) 信道带宽 因频率资源非常有限，无线带宽通常要远低于有线，而视频实时通信需 要网络为其提供足够的带宽。例如，视频通信的典型最低带宽要求2 8 k b s 。 因受可能的多径衰落、同信道干扰等影响造成带宽波动，为使视频数据能在 有限的带宽中传输，进行有效的数据压缩是必须的。除此外，码率控制也是 必要的，使之能与信道带宽有效匹配。 2 4 2 系统开发指标 系统特定应用于塔式起重机工作环境下，所以从实际特点出发，本课题 设计的视频监控系统有以下设计要求： ( 1 ) 视频传输系统发送接收两终端间通过i e e e8 0 2 1 1 无线网络进行通 信，又因目前塔式起重机起重臂长度在4 0 - 1 0 0 米范围内，因此，在无障碍物 情况下，传输距离应在百米内； ( 2 ) 系统采集、显示图像的分辨率及帧速率的能力与摄像头芯片和处理器 的性能有关，在此将分辨率设定为为q v g a ( 3 2 0 * 2 4 0 ) 或q c i f ( 1 7 6 1 4 4 ) 格式的 分辨率； ( 3 ) 系统要求实时性好，延时较小，控制在1 0 0 m s 左右，画面可以实时连 续播放并且图像清晰，系统占用资源少，能够稳定、可靠的工作； ( 4 ) 系统的整体成本要求低，并能保证系统可以在长时间应用下稳定可靠 地工作，因为系统是一个全天候应用的环境，因此对系统的低功耗有一定要 求； ( 5 ) 最后，整个系统要求具有较好的功能可扩展性，方便系统升级和维护。 2 5本章小结 本章首先对塔机的结构进行了详细的介绍并分析了塔机的运行过程，在 上述分析的基础上，对系统结构设计、系统功能模块进行了详细论述。本文 西南科技大学硕士研究生毕业论文 第16 页 研究的核心内容是软件的设计与实现，对系统的软件框架层次进行了论述。 针对视频数据传输的应用环境要求，本章最后讨论了系统开发中的要求和指 标。 西南科技大学硕士研究生毕业论文 第17 页 3 系统开发平台的设计与构建 操作系统是本课题开发中最重要的组成部分之一，它有效管理系统资 源，是整个视频监控系统的信息处理中心，通常包括内核架构