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摘要：针对当前施工升降机安全事故频发，且常发生群死、群伤的重大安全事故的安全管理弱的情况，设计一种施工升降机安全保护与远程监控系统。该系统通过在升降机内部署检测电机电流和升降机吊笼重量的无线传感网络节点组成无线传感器网络，节点与监控中心的远距离通信采用CPRS模块。该系统不仅可以有效检测升降机工作状态并显示报警，还可实现检测位置的定位、无线通信和远程监控。
关键词：无线传感网络；电机电流；GPRS；远程监控
中图分类号：X924.3文献标识码：A
引言
施工升降机，又称外用电梯、施工电梯、附壁式升降机，是一种使用工作笼 (吊笼)垂直(或倾斜)运动，用来运送人员和物料的机械。施工升降机主要由钢结构、传动机构、安全保护装置和电气控制系统等部分组成[1]。作为常见的施工设备，将人或物料在大范围内进行垂直升降和搬运，是事故发生机率较大的建筑工程机械。虽然我国每年都耗费大量的人力物力来进行监督，但由于地点广，情况复杂，检测不够全面等问题降低了人工监督的有效性。因此如何全面高效的对施工升降机设备进行安全管理、保障其安全运行是急需解决的难题。新兴的无线传感器网络（wireless sensor network）为这方面的研究带来了新的方法。无线传感器网络具有独特的技术优势，无线传感器网络不依赖基础设施，能多径路由、自修复和自维护；具有分布式的数据结构，在部分节点损坏时可通过重组继续工作，拥有信息融合机制，能有效降低系统的误报警概率[2]。为施工升降机的安全监控提供了全新的研究思路和解决方案。本文研究施工升降机的安全保护及远程监控，完成了施工升降机相关数据采集、数据的传输和上位机系统。
1．系统架构设计
将施工现场划分为一个或几个监控区域，每个区域的传感器节点通过基于802.15.4协议的6oWPAN网络进行自组网，网内的数据通过融合到sink节点，在通过长距离无线网络GPRS的方式传输到监控中心[3]。系统结构如图1所示。
图1 施工升降机监控架构
2.传感器节点设计
在整个系统中，传感器节点是传感器的直接载体。它用于对升降机的电机电流，吊笼重量信号进行A/D采样、数据处理，并且能够控制传感器的状态和上传数据到数据集中器。同时监控中心也可以通过传感器节点控制升降机，实现双向通信。电机控制模块由具有光电隔离的固态继电器构成，固态继电器控制交流接触器以达到驱动升降机电机的目的。系统通过键盘模块和数码显示模块完成人机交换和输入输出。根据要求，传感器节点可以划分为电源模块、控制芯片模块、重量信号采集模块、射频天线模块、电流检测模块、电机控制模块和显示模块等。系统结构如图2所示。
图2 节点系统原理结构图
2.1 控制芯片模块的选择
主芯片采用飞思卡尔公司生产的MC13224芯片，其特点如下：拥有强大的无线前段2.4GHzIEEE802.15.4标准射频收发器，支持网状网系统；其内嵌32位ARM7TDMI-S微控制器内核，128KB系统可编程闪存，两个8通道12位ADC，64个通用I/O引脚。
2.2 射频接口
MC13224内部集成了2.4GHzIEEE802.15.4标准射频收发器，具有出色的接受器灵敏度和抗干扰能力。可编程输出功率为+4dbm，总体无线连接10dbm。只需要极少量的外部元件就可以完成无线收发功能，如图3所示为MC13224的射频天线接口，为了方便开发，这里同时设计了PCB微带天线和SMC接口的外置天线其中E1为PCB微带天线，J2为外部天线接口。
图3 MC13224射频天线接口
2.3 电流检测模块
调查研究表明：损坏的电动机中有90％以上是由于电动机在异常情况下运转造成的。其中堵转、起动失败(起动时间过长)、过载、短路、断相、接地是最主要的原因。这些在运行中出现的异常情况会致电机电流增大，当电流超越额定电流值后会引起定子绕组过热，造成电动机损坏。施工升降机突然失去动力，针对这种情况利用电机电流检测模块，实时监测电动机定子绕组电流。并根据电流的幅值、相位和波形对电机实施保护是一种既简单又有效的保护方法[4]。
通过互感器将主线路中的电流信号转换成模拟电压信号。罗氏线圈电流互感器二次的电流采样信号标称值是1000M/100mV，经过ICl2A跟随器和ICl2B放大器进入电位提升电路。因为三相电路中每相电流测量电路原理都一样，在此只画出A相电路做以说明，电路原理图如图4所示。Ia-in是罗氏线圈输出信号。ICl2A跟随器的作用是增大输入阻抗，ICl2B是个典型的放大器，其放大倍数为R61/R60的比值。C20在电路中的作用是滤掉电网中的高频干扰信号。最后进入电位提升电路里的信号能比较真实的反映一次侧电路情况。Ia-out电流信号值与 Ia-in电流信号值一样，对电动机起到双重保护的作用。如果罗氏线圈输出的电流信号值很大(如短路故障情况)，就不再需要放大器放大，直接进入电位提升电路里，这样可以扩大电流测量的范围。经过放大的模拟电压信号再输入到芯片自带的A/D采样后进行算术运算(根据放大器的输出信号来判断过载、断相、短路故障、接地故障)，算术运算的结果与整定值比较后，根据预设定的保护特性确定保护器的输出状态，如果电机电流异常立刻启动保护装置防止升降机失去动力而坠落并输出声音、光信号 [5] 。
图4 电流测量电路原理
2.4 重量采集模块
升降机在启动制动时加速度发生变化，会产生动载荷误报警。为避免因动载荷误报警，当升降机在静止时即电机电流为零时，采集安装在升降机吊笼顶部销轴式重量传感器信号。重量信号采集原理图如图5所示。采用CD4052双四路模拟开关来切换2路重量传感器和自检信号。然后经过RC低通滤波器滤除电路中的高频分量后，使用差分放大器AD620放大由重量传感器产生的mV级信号。放大以后的信号再经过二阶有源低通滤波器后，进入A/D 转换，单片机实时获取A/D采样数据，完成对吊笼载荷的实时监控[6]。AD620是一款低成本、高精度、单芯片仪表放大器，采用经典的三运放改进设计。通过调整片内电阻的绝对值，用户只需要一个电阻便可实现对增益的精确编程,非常适合于该系统中对重量传感器信号的放大。
图5 重量测量电路原理图
2.5 传感器节点软件设计
开机后进行系统的初始化，包括主控 MCU自身初始化和显示参数的初始化。当运行状态正常时，先检测控制中心的信号，若控制中心允许电机工作，则获取电流信号。为防止动载荷误报警，只有当电机电流等于零时检测升降机吊笼的重量，吊笼超载时启动声光报警和电机控制装置并发送信号参数至监控中心。若偏载则启动声光报警室并发
图6 程序流程图
送信号参数至控制室。当电流不为零时检测电流的大小和方向，经过计算处理判断电机是否过流、短路过载等情况并输出显示电机电流。若电机故障则起动电机控制模块和声光报警装置并且向控制室發送当前信息参数信息。流程图如图6所示。
2.6 Sink节点硬件设计
在整个无线传感网络中Sink节点是处于传感器节点的上层，它主要用于接收传感器节点的数据并将数据通过GPRS网络传送给数据中心。同时也将监控中心发来数据由GPRS中转传送到传感器节点，实现对升降机的主动控制。系统框图如图7所示。系统的主控芯片同样选用MC13224芯片。GPRS模块采用西门子公司生产的MC35 模块。GPRS系统具备以下特点：可靠性高GPRS数据传输器采用面向连接的TCP/IP协议通信，避免了数据包的丢失，相比传统的短信方式，数据更加可靠，并且数据中心可以与多个终端同时进行数据传输。监控范围广GPRS网络在全国都已实现覆盖，对终端的接入地点没有限制，能满足偏远地区、村镇、跨地区的接入的需求。非常适合大范围的数据监测。可对各监测点仪器设备进行远程控制：通过GPRS双向系统还可实现对仪器设备进行反向控制，如时间校正，状态报告、开关等功能，并可进行系统远程在线升级。。
图7：Sink节点系统框图
3.监控中心管理软件的设计
监控中心管理软件主要实现数据的接受和指令的发送。在该系统数据中心对sink节点的控制主要通过短信的方式实现，而数据的接受则通过UDP方式实现。数据中心对modem的操作主要通过串口的方式。UDP实现相关的API的操作主要步骤有建立拨号连接、开启发送和winsockAPI、绑定IP和端口号、数据的接受。为了保证数据在sink节点和监控中心传输的封闭性和正确性需在二者间制定通信规约。
4.结束语
从施工升降机现存的实际问题出发, 设计了一种施工升降机安全保护与远程监控的系统。系统设计采用了模块化设计，使其具有很好的移植性和扩展性。并在实现现场搭建了一个监控系统进行实验，初步实验结果表明：采用无线传感器网络的施工升降机安全监控系统具有误报警率低及抗干扰性强等特点。此外本系统具有良好的通用性和可靠性。该系统能有效的防止施工升降机安全事故的发生。
参考文献:
[1] 刘云斐，刘明.施工升降机自动化的安全控制[J].品牌与标准,2011(2):46-47
[2] 刘美,方湃盛.基于WSN的便携式硫化氢检测仪设计[J].自动化仪表,2013,34(6)：89-91．
[3] 陈敏，王擎，李军华．无线传感器网络原理与实践[M].北京：化学工业出版社，2011，231-240.
[4] 林诗庄，蔡泽祥．大型电动机故障诊断与保护理论综述[J]．广东电力，2001(6)，9-12.
[5] 高艺．智能型电动机综合保护器的研究[D].沈阳：沈阳大学，2004，28-32.
[6] 何清．施工升降机安全监测系统的设计与实现[D].湖南：湖南大学，2011，16-19.
作者简介：
潘申明（1988―），男，安徽合肥人，2012年毕业于安徽理工大学，获学士学位，助理工程师；主要从事施工机械自动化的设计与研究工作。
关键词：无线传感网络；电机电流；GPRS；远程监控
中图分类号：X924.3文献标识码：A
引言
施工升降机，又称外用电梯、施工电梯、附壁式升降机，是一种使用工作笼 (吊笼)垂直(或倾斜)运动，用来运送人员和物料的机械。施工升降机主要由钢结构、传动机构、安全保护装置和电气控制系统等部分组成[1]。作为常见的施工设备，将人或物料在大范围内进行垂直升降和搬运，是事故发生机率较大的建筑工程机械。虽然我国每年都耗费大量的人力物力来进行监督，但由于地点广，情况复杂，检测不够全面等问题降低了人工监督的有效性。因此如何全面高效的对施工升降机设备进行安全管理、保障其安全运行是急需解决的难题。新兴的无线传感器网络（wireless sensor network）为这方面的研究带来了新的方法。无线传感器网络具有独特的技术优势，无线传感器网络不依赖基础设施，能多径路由、自修复和自维护；具有分布式的数据结构，在部分节点损坏时可通过重组继续工作，拥有信息融合机制，能有效降低系统的误报警概率[2]。为施工升降机的安全监控提供了全新的研究思路和解决方案。本文研究施工升降机的安全保护及远程监控，完成了施工升降机相关数据采集、数据的传输和上位机系统。
1．系统架构设计
将施工现场划分为一个或几个监控区域，每个区域的传感器节点通过基于802.15.4协议的6oWPAN网络进行自组网，网内的数据通过融合到sink节点，在通过长距离无线网络GPRS的方式传输到监控中心[3]。系统结构如图1所示。
图1 施工升降机监控架构
2.传感器节点设计
在整个系统中，传感器节点是传感器的直接载体。它用于对升降机的电机电流，吊笼重量信号进行A/D采样、数据处理，并且能够控制传感器的状态和上传数据到数据集中器。同时监控中心也可以通过传感器节点控制升降机，实现双向通信。电机控制模块由具有光电隔离的固态继电器构成，固态继电器控制交流接触器以达到驱动升降机电机的目的。系统通过键盘模块和数码显示模块完成人机交换和输入输出。根据要求，传感器节点可以划分为电源模块、控制芯片模块、重量信号采集模块、射频天线模块、电流检测模块、电机控制模块和显示模块等。系统结构如图2所示。
图2 节点系统原理结构图
2.1 控制芯片模块的选择
主芯片采用飞思卡尔公司生产的MC13224芯片，其特点如下：拥有强大的无线前段2.4GHzIEEE802.15.4标准射频收发器，支持网状网系统；其内嵌32位ARM7TDMI-S微控制器内核，128KB系统可编程闪存，两个8通道12位ADC，64个通用I/O引脚。
2.2 射频接口
MC13224内部集成了2.4GHzIEEE802.15.4标准射频收发器，具有出色的接受器灵敏度和抗干扰能力。可编程输出功率为+4dbm，总体无线连接10dbm。只需要极少量的外部元件就可以完成无线收发功能，如图3所示为MC13224的射频天线接口，为了方便开发，这里同时设计了PCB微带天线和SMC接口的外置天线其中E1为PCB微带天线，J2为外部天线接口。
图3 MC13224射频天线接口
2.3 电流检测模块
调查研究表明：损坏的电动机中有90％以上是由于电动机在异常情况下运转造成的。其中堵转、起动失败(起动时间过长)、过载、短路、断相、接地是最主要的原因。这些在运行中出现的异常情况会致电机电流增大，当电流超越额定电流值后会引起定子绕组过热，造成电动机损坏。施工升降机突然失去动力，针对这种情况利用电机电流检测模块，实时监测电动机定子绕组电流。并根据电流的幅值、相位和波形对电机实施保护是一种既简单又有效的保护方法[4]。
通过互感器将主线路中的电流信号转换成模拟电压信号。罗氏线圈电流互感器二次的电流采样信号标称值是1000M/100mV，经过ICl2A跟随器和ICl2B放大器进入电位提升电路。因为三相电路中每相电流测量电路原理都一样，在此只画出A相电路做以说明，电路原理图如图4所示。Ia-in是罗氏线圈输出信号。ICl2A跟随器的作用是增大输入阻抗，ICl2B是个典型的放大器，其放大倍数为R61/R60的比值。C20在电路中的作用是滤掉电网中的高频干扰信号。最后进入电位提升电路里的信号能比较真实的反映一次侧电路情况。Ia-out电流信号值与 Ia-in电流信号值一样，对电动机起到双重保护的作用。如果罗氏线圈输出的电流信号值很大(如短路故障情况)，就不再需要放大器放大，直接进入电位提升电路里，这样可以扩大电流测量的范围。经过放大的模拟电压信号再输入到芯片自带的A/D采样后进行算术运算(根据放大器的输出信号来判断过载、断相、短路故障、接地故障)，算术运算的结果与整定值比较后，根据预设定的保护特性确定保护器的输出状态，如果电机电流异常立刻启动保护装置防止升降机失去动力而坠落并输出声音、光信号 [5] 。
图4 电流测量电路原理
2.4 重量采集模块
升降机在启动制动时加速度发生变化，会产生动载荷误报警。为避免因动载荷误报警，当升降机在静止时即电机电流为零时，采集安装在升降机吊笼顶部销轴式重量传感器信号。重量信号采集原理图如图5所示。采用CD4052双四路模拟开关来切换2路重量传感器和自检信号。然后经过RC低通滤波器滤除电路中的高频分量后，使用差分放大器AD620放大由重量传感器产生的mV级信号。放大以后的信号再经过二阶有源低通滤波器后，进入A/D 转换，单片机实时获取A/D采样数据，完成对吊笼载荷的实时监控[6]。AD620是一款低成本、高精度、单芯片仪表放大器，采用经典的三运放改进设计。通过调整片内电阻的绝对值，用户只需要一个电阻便可实现对增益的精确编程,非常适合于该系统中对重量传感器信号的放大。
图5 重量测量电路原理图
2.5 传感器节点软件设计
开机后进行系统的初始化，包括主控 MCU自身初始化和显示参数的初始化。当运行状态正常时，先检测控制中心的信号，若控制中心允许电机工作，则获取电流信号。为防止动载荷误报警，只有当电机电流等于零时检测升降机吊笼的重量，吊笼超载时启动声光报警和电机控制装置并发送信号参数至监控中心。若偏载则启动声光报警室并发
图6 程序流程图
送信号参数至控制室。当电流不为零时检测电流的大小和方向，经过计算处理判断电机是否过流、短路过载等情况并输出显示电机电流。若电机故障则起动电机控制模块和声光报警装置并且向控制室發送当前信息参数信息。流程图如图6所示。
2.6 Sink节点硬件设计
在整个无线传感网络中Sink节点是处于传感器节点的上层，它主要用于接收传感器节点的数据并将数据通过GPRS网络传送给数据中心。同时也将监控中心发来数据由GPRS中转传送到传感器节点，实现对升降机的主动控制。系统框图如图7所示。系统的主控芯片同样选用MC13224芯片。GPRS模块采用西门子公司生产的MC35 模块。GPRS系统具备以下特点：可靠性高GPRS数据传输器采用面向连接的TCP/IP协议通信，避免了数据包的丢失，相比传统的短信方式，数据更加可靠，并且数据中心可以与多个终端同时进行数据传输。监控范围广GPRS网络在全国都已实现覆盖，对终端的接入地点没有限制，能满足偏远地区、村镇、跨地区的接入的需求。非常适合大范围的数据监测。可对各监测点仪器设备进行远程控制：通过GPRS双向系统还可实现对仪器设备进行反向控制，如时间校正，状态报告、开关等功能，并可进行系统远程在线升级。。
图7：Sink节点系统框图
3.监控中心管理软件的设计
监控中心管理软件主要实现数据的接受和指令的发送。在该系统数据中心对sink节点的控制主要通过短信的方式实现，而数据的接受则通过UDP方式实现。数据中心对modem的操作主要通过串口的方式。UDP实现相关的API的操作主要步骤有建立拨号连接、开启发送和winsockAPI、绑定IP和端口号、数据的接受。为了保证数据在sink节点和监控中心传输的封闭性和正确性需在二者间制定通信规约。
4.结束语
从施工升降机现存的实际问题出发, 设计了一种施工升降机安全保护与远程监控的系统。系统设计采用了模块化设计，使其具有很好的移植性和扩展性。并在实现现场搭建了一个监控系统进行实验，初步实验结果表明：采用无线传感器网络的施工升降机安全监控系统具有误报警率低及抗干扰性强等特点。此外本系统具有良好的通用性和可靠性。该系统能有效的防止施工升降机安全事故的发生。
参考文献:
[1] 刘云斐，刘明.施工升降机自动化的安全控制[J].品牌与标准,2011(2):46-47
[2] 刘美,方湃盛.基于WSN的便携式硫化氢检测仪设计[J].自动化仪表,2013,34(6)：89-91．
[3] 陈敏，王擎，李军华．无线传感器网络原理与实践[M].北京：化学工业出版社，2011，231-240.
[4] 林诗庄，蔡泽祥．大型电动机故障诊断与保护理论综述[J]．广东电力，2001(6)，9-12.
[5] 高艺．智能型电动机综合保护器的研究[D].沈阳：沈阳大学，2004，28-32.
[6] 何清．施工升降机安全监测系统的设计与实现[D].湖南：湖南大学，2011，16-19.
作者简介：
潘申明（1988―），男，安徽合肥人，2012年毕业于安徽理工大学，获学士学位，助理工程师；主要从事施工机械自动化的设计与研究工作。