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建筑施工安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文檔作者：伍洲文檔來(lái)源：武漢大學(xué)動(dòng)機(jī)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月10日
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建筑施工安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
Design of the Safety Monitoring System of the Construction of the W aterpower Station
l 引言
在水電站等大型工程施工現(xiàn)場(chǎng)，為
了提高施工效率，廣泛采用了多臺(tái)纜
車(chē)，移動(dòng)塔吊等大型機(jī)械設(shè)備并行工
作。由于施工規(guī)模大、范圍廣、強(qiáng)度大
等客觀原因，大型設(shè)備間的安全運(yùn)行給
各操作員協(xié)作能力增加了很高的要求”
J
?，F(xiàn)今，水電站施工復(fù)雜化、機(jī)械化
程度高、施工環(huán)境惡劣(如大霧、大
雨)，用傳統(tǒng)的人工觀測(cè)、協(xié)調(diào)調(diào)度的
方法已不能滿足實(shí)際需要。由于施工現(xiàn)
場(chǎng)塔吊碰撞、重物墜落，導(dǎo)致的事故時(shí)
有發(fā)生，給人身安全，經(jīng)濟(jì)效益帶了巨
大的損失。因此，有必要建立一個(gè)施工
102 《PL C＆FA》
r——一
武漢大學(xué)動(dòng)機(jī)學(xué)院伍洲
W u Zhou
【摘要】探討了一種基于無(wú)線電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的水電站建筑施工安全檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。網(wǎng)絡(luò)
中主站的上位機(jī)軟件輪詢(xún)請(qǐng)求GPS測(cè)點(diǎn)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視。司機(jī)站采用嵌入式
設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)與主站信息交換，通過(guò)可視化編程顯示地圖，且具有報(bào)警提示功能。GPS測(cè)點(diǎn)
中，GPS控制器處理器選用DS80C320，利用雙串口和多外部中斷資源，實(shí)現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)提取和
電源電壓多級(jí)檢測(cè)的功能?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，此系統(tǒng)能高速準(zhǔn)確地監(jiān)控，組網(wǎng)成本低，冗余性能
好易于擴(kuò)大監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。
【關(guān)鍵詞】安全監(jiān)控 GPS 無(wú)線電臺(tái)網(wǎng)絡(luò) 嵌入式
Abstract：A design method of the safety monitoring system of the construction of the
waterpower station based on high speed radio network．In the network．the host computer
requests the information of the G PS sensing nodes in turns by the software designed
specially on it．The drive r node designed in the embedded method．can communicate
with the host，and display the local map．a(chǎn)nd a Jarm the driver s careless DS80C320 as
the processor of GPS controller used In The G PS node．which has dual UART and m ulti
INT．realize the fiItration of the G PS data and muttilevel—monito r of the G PS node s
power voltage．The tests in fieldwork indicate that the system is of fast exact monitoring．
of low cost of good redundancy performance
Key words：Safety monitor GPS Radio network Em bedded design
[中圖分類(lèi)號(hào)]TV698 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B 文章編號(hào)1 606—51 23(2008)02—0102—04
安全監(jiān)控系統(tǒng)，將施工現(xiàn)場(chǎng)的纜繩和移
動(dòng)塔吊等大型設(shè)備組成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)
控系統(tǒng)。
水電站施工安全無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系
統(tǒng)建立了一個(gè)主站和若干司機(jī)分站，
眾多移動(dòng)施工設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)
點(diǎn)；采用先進(jìn)I)gGPS~I：]無(wú)線電數(shù)據(jù)傳
輸技術(shù)，用GPS進(jìn)行精確定位，在通
過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將主站、司機(jī)站
和各個(gè)移動(dòng)測(cè)點(diǎn)組網(wǎng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)
控。用無(wú)線電臺(tái)方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采
集、監(jiān)視與控制，相對(duì)于架設(shè)專(zhuān)用電
纜(或光纜)、租用電信專(zhuān)線等，具
有造價(jià)低廉、施工快捷、運(yùn)行可靠、
維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。這種監(jiān)控方法精度
高(誤差<0．5米)、實(shí)用范圍廣、安
全可靠。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)不受季
節(jié)、天氣的限制，適應(yīng)較寬的溫度范
圍，防潮防水，抗：中擊和振動(dòng)。
2 國(guó)內(nèi)外研究概況
2．1 GPS技術(shù)
目前，GPS系統(tǒng)在各行各業(yè)取得
了廣泛應(yīng)用，通過(guò)GPS系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)目
標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤需要有相應(yīng)的陸地?zé)o
線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的配合。公眾的
GSM、CDPD、CDMA等系統(tǒng)覆蓋范
圍廣、小區(qū)制、多基站，數(shù)據(jù)速率
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9600kbps以上，信息傳輸有效可靠。
在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、車(chē)輛防盜報(bào)警系統(tǒng)
等GPS系統(tǒng)通信平臺(tái)中得到了廣泛的
應(yīng)用。如浙江大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)研究所程
馳宇等提出了基于GSM，GPS網(wǎng)絡(luò)的挖
掘機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 】。通過(guò)
GSM短信平臺(tái)，對(duì)挖掘機(jī)的工作狀態(tài)
進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控，并對(duì)產(chǎn)品的更新設(shè)計(jì)
提供經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。通過(guò)GPS網(wǎng)絡(luò)，對(duì)挖
掘機(jī)的地理位置進(jìn)行精確的跟蹤。
2．2 基于公眾網(wǎng)的GPS問(wèn)題
但是使用公眾網(wǎng)在應(yīng)用中帶了兩
個(gè)問(wèn)題：
(1)昂貴的通信費(fèi)用：公眾網(wǎng)面
向公眾業(yè)務(wù)，信道公用，論次收費(fèi)。
(2)容量不夠： 對(duì)一些大的調(diào)
度應(yīng)用中， 當(dāng)用戶(hù)容量較大時(shí)，容易
造成信息堵塞和丟失，不能保證實(shí)時(shí)
收發(fā)信息。
現(xiàn)有的傳輸G PS信息的另一種方
法(即本設(shè)計(jì)方案采用的)，依靠無(wú)線
集群通信系統(tǒng)、常規(guī)電臺(tái)通信系統(tǒng)。在
監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等實(shí)時(shí)應(yīng)用中，～般系統(tǒng)
要求在半徑幾十公里的范圍內(nèi)實(shí)時(shí)更新
數(shù)據(jù)。用戶(hù)容量是專(zhuān)用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的重要
參數(shù)，對(duì)于建立好的特定無(wú)線集鞘亙信
系統(tǒng)，其用戶(hù)容量是有限的。隨著無(wú)線
數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造技術(shù)的飛速發(fā)展，高
速數(shù)傳電臺(tái)的出現(xiàn)改變了以往采用的常
規(guī)調(diào)頻電臺(tái)~DMODEM實(shí)現(xiàn)方式。高速
數(shù)傳電臺(tái)，其電路采用了DSP數(shù)字信
號(hào)處理芯片，實(shí)現(xiàn)信道編碼、前向糾錯(cuò)
等功能；采用CPFSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)、
相干解調(diào)、Vlte i譯碼、均衡軟判決等
技術(shù)：可以全雙工、半雙工或單工方式
工作，收發(fā)同頻或異頻。電臺(tái)提供標(biāo)準(zhǔn)
RS232接口可直接與GPS接收機(jī)控制
板連接，25KHz~ 間隔空中數(shù)據(jù)傳輸
速率為19200bps，1O-6誤碼敏感度一
111dBm，收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間在3-5ms以
內(nèi)。高速電臺(tái)為解決無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)的通信容
量問(wèn)題提供了解決方案。本方案采用專(zhuān)
用基站高速電臺(tái)，構(gòu)成多信道基站，組
建傳輸GPS實(shí)時(shí)定位信息的專(zhuān)用數(shù)據(jù)
通信系統(tǒng)。這樣的基站比集群基站投資
低很多， 信道容量大幅增加。各個(gè)
GPS控制器采用GPS時(shí)鐘同步，多可基
站之間通過(guò)無(wú)線方式聯(lián)網(wǎng)。
3 系統(tǒng)規(guī)劃
3．1 規(guī)劃設(shè)計(jì)
分析系統(tǒng)的需求知，監(jiān)測(cè)對(duì)象為
3個(gè)移動(dòng)塔吊和2個(gè)纜車(chē)，該方案設(shè)計(jì)
的系統(tǒng)裝配圖如圖1所示。每個(gè)移動(dòng)
塔吊的司機(jī)操作間里安裝～ 個(gè)司機(jī)
站，并在橫向移動(dòng)的機(jī)械臂的前段安
裝GPS測(cè)點(diǎn)。這個(gè)位置能夠作為防止
碰撞的極限位置，前段不和其他工程
機(jī)械碰撞可以保證這個(gè)塔吊的安全工
作。塔吊GPS測(cè)點(diǎn)電源從司機(jī)操作間
引線供電。每個(gè)纜車(chē)的司機(jī)操作間安
圖1 系統(tǒng)裝配圖
圖2 系統(tǒng)示意圖
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裝一個(gè)司機(jī)站，在纜車(chē)上懸掛的移動(dòng)
貨物箱上安裝GPS測(cè)點(diǎn)。因?yàn)槔|車(chē)的
很跨距離長(zhǎng)達(dá)1 km且處于GPS測(cè)點(diǎn)處
于移動(dòng)狀態(tài)，所以這里的GPS測(cè)點(diǎn)采
用大容量鋰電池供電，定期更換電池
充電。
3．2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
水電站施工安全無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系
統(tǒng)組成如圖2所示。
(1)主站： 主站與各個(gè)移動(dòng)塔
吊設(shè)備的GPS測(cè)點(diǎn)之間，通過(guò)無(wú)線數(shù)
據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，收集的它
們當(dāng)前位置。主站由一臺(tái)裝有上位機(jī)
軟件的計(jì)算機(jī)通過(guò)串口與無(wú)線電臺(tái)連
接實(shí)現(xiàn)。
(2)司機(jī)站：各個(gè)司機(jī)站作為
網(wǎng)絡(luò)中的分站，只與網(wǎng)絡(luò)中的主站建
立雙向數(shù)據(jù)鏈路，接受主站發(fā)送的各
個(gè)設(shè)備位置的更新數(shù)據(jù)，向主站發(fā)送
司機(jī)站的請(qǐng)求、操作環(huán)節(jié)監(jiān)視等相關(guān)
信息。司機(jī)站采用分級(jí)報(bào)警功能，當(dāng)
被操作設(shè)備跟其他移動(dòng)設(shè)備的距離小
于分級(jí)閥值，打開(kāi)分級(jí)報(bào)警裝置。司
機(jī)站由司機(jī)監(jiān)控儀通過(guò)串口與無(wú)線電
臺(tái)連接實(shí)現(xiàn)。司機(jī)監(jiān)控儀的設(shè)計(jì)與開(kāi)
發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在下節(jié)方案設(shè)
計(jì)中詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)方法。
(3)GPS測(cè)點(diǎn) GPS測(cè)點(diǎn)通過(guò)
圖3 GPS控制器
無(wú)線電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)通信，響應(yīng)主站
輪詢(xún)請(qǐng)求，負(fù)責(zé)采集測(cè)點(diǎn)當(dāng)前位置信
息并發(fā)送給主站。主站接受數(shù)據(jù)后更
新位置數(shù)據(jù)庫(kù)。G P S測(cè)點(diǎn)主要由
GPS、GPS控制器、無(wú)線電臺(tái)組成，
GPS控制器驅(qū)動(dòng)GPS采集GPS信號(hào)，
并負(fù)責(zé)對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行解碼，提取有
用的位置信號(hào)。GPS控制器與無(wú)線電
臺(tái)是雙向數(shù)據(jù)通信，當(dāng)GPS控制器通
過(guò)無(wú)線電臺(tái)接收到主站的輪詢(xún)請(qǐng)求
時(shí)，將GPS位置信息通過(guò)無(wú)線電臺(tái)發(fā)
送給主站。
綜上所述，如圖1所示系統(tǒng)的設(shè)
備需求如下：無(wú)線電臺(tái)11臺(tái)、GPS模
塊6臺(tái)(包含參考站1臺(tái)GPS和圖2中
的5臺(tái)GPS)、司機(jī)監(jiān)控儀5臺(tái)、GPS
控制器5臺(tái)以及電源電纜等。
4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在擬定的水電站施工安全無(wú)線網(wǎng)
絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，需要解決一
下幾個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。針對(duì)各個(gè)重點(diǎn)問(wèn)
題，提出解決問(wèn)題的實(shí)施方案。
4．1無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M網(wǎng)．
本系統(tǒng)的通訊原則采用主站與從
站、GPS測(cè)點(diǎn)的通信，即點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通
信方式。主站以輪詢(xún)(Polling)方式
依次向RTU 1(遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端)，
RUT2，? 發(fā)命令。RTU接受到命令后
開(kāi)始采集GPS有用數(shù)據(jù)，立Elite數(shù)據(jù)
發(fā)向主站【4】。主站以輪詢(xún)方式接受來(lái)自
RTU的數(shù)據(jù)。當(dāng)超過(guò)某設(shè)定時(shí)間后，
RTU仍為收到主站命令，RTU自動(dòng)將
采集到的數(shù)據(jù)存放于自身的存儲(chǔ)器
中， 以便以后采集。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要
求，輪詢(xún)周期小于0．1S。輪詢(xún)周期T取
決于系統(tǒng)容量N(即測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù))、電臺(tái)
收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間t、電臺(tái)傳輸速率S和單
點(diǎn)的數(shù)據(jù)量D，滿足如式(1)關(guān)系：
： Ⅳ ( +f) (1)
4．2 多參考站GPS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
多參考站GPS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)中
長(zhǎng)距離高精度差分GPS定位，讓GPS的
精度和可靠性進(jìn)一步提高，使GPS的
應(yīng)用更廣泛。利用參考站網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)計(jì)
算出與時(shí)間和空間相關(guān)的不同誤差，可
估算或預(yù)測(cè)參考站網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)用戶(hù)
站上有關(guān)的誤差。然而，為了精確地估
計(jì)這些誤差，首先需要正確求解網(wǎng)絡(luò)中
各個(gè)測(cè)點(diǎn)間的模糊度。對(duì)于在中長(zhǎng)距離
GPS網(wǎng)絡(luò) 參考站中確定正周期模糊
的方法，國(guó)內(nèi)外都有相關(guān)成熟的研究。
本系統(tǒng)采用多參考站GPS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，
提高了各個(gè)GPS測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置精
度。在各個(gè)塔吊、纜繩等作業(yè)設(shè)備防撞
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檢測(cè)應(yīng)用時(shí)，GPS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)多達(dá)到的
精度完全滿足要求。
4．3 GPS接收機(jī)控制器設(shè)計(jì)
每個(gè)G PS獨(dú)立測(cè)點(diǎn)主要有3部分
組成，分別為GPS接收機(jī)、無(wú)線通信
模塊和連接兩者I)~jGPS控制器。GPS
控制器必須有2個(gè)串口(UART)，分別
與GPS和無(wú)線模塊連接，而且GPS控
制器有足夠的資源用于監(jiān)測(cè)GPS測(cè)點(diǎn)
的電源電源。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，鑒于系統(tǒng)資源需求，
GPS控制器CPU采用MAXIM公司的
DS80C320單片機(jī)。DS80C320的指令
完全兼容與C51系列單片機(jī)的高速微處
理器，最高速度可以達(dá)到33M HZ。
DS80C320的資源豐富，擁有2個(gè)全雙
工串口、7個(gè)外部中斷、可編程看門(mén)狗
定時(shí)器、能耗故障中斷與置位等[5】。
GPS控制器的原理圖如圖3所示。
圖3中，DS80C320的UART1和
GPS接收機(jī)連接，UART2~!]無(wú)線模塊
連接。CPU擴(kuò)展了32K的8位SDRAM
存儲(chǔ)GPS數(shù)據(jù)。因?yàn)镃PU在接受GPS
數(shù)據(jù)時(shí)，先存儲(chǔ)大量的GPS數(shù)據(jù)，直
到主站發(fā)出輪詢(xún)信息后，才通過(guò)無(wú)線
模塊依次發(fā)送給主站GPS數(shù)據(jù)。本文
針對(duì)系統(tǒng)實(shí)際情況(即無(wú)線電臺(tái)傳輸
的數(shù)據(jù)量越少，無(wú)線電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的輪詢(xún)
速度越快)，提出采用中斷方式的電
壓分級(jí)監(jiān)測(cè)方法。采用模擬芯片TL431
設(shè)計(jì)電壓監(jiān)控電路，TL431的輸出連接
至DS80C320的外部中斷。檢測(cè)電壓
下限通過(guò)電位器調(diào)整，多個(gè)TL柏1電路
組成分級(jí)電壓檢測(cè)電路。當(dāng)電源電壓
小于各級(jí)的電壓極限值時(shí)，TL431電平
跳變，觸發(fā)DS80C320中斷，中斷響
應(yīng)函數(shù)改變系統(tǒng)的電壓級(jí)別參數(shù)，并
在啟動(dòng)無(wú)線電臺(tái)發(fā)送此參數(shù)。在電量
沒(méi)有或很少的時(shí)候，系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線電
臺(tái)提醒司機(jī)更換電池。
GPS控制器根據(jù)GPS的NMEA一
01 83協(xié)議對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾。
NMEA一01 83是基于ASCI l碼字符型
的串口通信的數(shù)據(jù)協(xié)議，所有輸入輸
出信息均為ASCll碼。每條語(yǔ)句有起
始符標(biāo)志開(kāi)始，結(jié)束符標(biāo)志結(jié)束，起
始符和結(jié)束符中間的是報(bào)文數(shù)據(jù)。水
電站施工安全無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)利用
GPS定位信息(GPGGA)，GPS控
制器需要從GPGGA信息中提取經(jīng)緯
度、海拔高度信息和時(shí)間信息。在無(wú)
線傳輸網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)量的多少直接影
響了網(wǎng)絡(luò)的速度和效率。GPS控制器
在啟動(dòng)GPS接收機(jī)后，提取GPGGA
中對(duì)系統(tǒng)有用的信息，在響應(yīng)主站的
輪詢(xún)請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)UART2接口啟動(dòng)無(wú)
線電臺(tái)通訊模塊。控制器的設(shè)計(jì)要考
慮低功耗、嵌入式結(jié)構(gòu)等要求，其作
用類(lèi)似于一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)
格式和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。
4．4司機(jī)監(jiān)控儀設(shè)計(jì)
在司機(jī)監(jiān)控儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，司機(jī)
監(jiān)控儀是司機(jī)站提供給設(shè)備操作者的
交互接口。司機(jī)站不與GPS測(cè)點(diǎn)通
信，直接和主站交換數(shù)據(jù)，將各個(gè)移
動(dòng)設(shè)備的位置顯示在司機(jī)司機(jī)監(jiān)控儀
顯示頁(yè)面上。當(dāng)接近碰觸或通信中斷
等緊急情況時(shí)出發(fā)報(bào)警裝置。司機(jī)監(jiān)
控儀系統(tǒng)框圖如圖4所示。
d機(jī)艙 儀
圖4 司機(jī)監(jiān)控儀系統(tǒng)
司機(jī)監(jiān)控儀采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方
案，通過(guò)串13 UART1和無(wú)線電臺(tái)設(shè)備實(shí)
時(shí)數(shù)據(jù)交換。采用LCDT_業(yè)液晶屏標(biāo)準(zhǔn)
VGA接口連接，實(shí)現(xiàn)與司機(jī)交互界面。
司機(jī)可以通過(guò)方便的看出各個(gè)GPs測(cè)點(diǎn)
的相對(duì)位置。通過(guò)鍵盤(pán)輸入通信數(shù)據(jù)，
同時(shí)也可以在LCD顯示屏上顯示。報(bào)警
參■
裝置由CPU的GPIO控制。
5 結(jié)束語(yǔ)
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主站和司機(jī)站的
位置信息更新周期小于0．1 S，經(jīng)過(guò)差
分運(yùn)算的GPS位置誤差小于系統(tǒng)要求
0．5m。系統(tǒng)的安裝、調(diào)試方便快捷，
且主站或司機(jī)站設(shè)計(jì)為面向用戶(hù)的，
交互性好。這些優(yōu)點(diǎn)有利于系統(tǒng)的應(yīng)
用推廣。根據(jù)安全檢測(cè)要求不同，可
選用多參考站高精度RTK的GPS網(wǎng)
絡(luò)，采用先進(jìn)算法增；~I]GPS參考站，
可提高GPS精度和網(wǎng)絡(luò)范圍 。
根據(jù)某大型水電站施工要求，基
于無(wú)線電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用效
果良好，穩(wěn)定性高。將在其下屬工程
廣泛應(yīng)用。
作者簡(jiǎn)介
伍洲 男碩士研究生研究
方向：智能控制與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
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