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06-18
本文介绍了基于无线传感器网络的塔吊监控系统的结构，分析了ZigBee技术和GPRS技术在当前塔吊监控系统中的应用研究现状，指出了塔机无线监控系统中存在的问题，指出了ZigBee技术与GPRS技术相结合在塔机无线监控系统中的优势，指出了塔机无线监控的发展趋势和研究方向。
同一工地经常有多台塔吊同时近距离作业。
塔吊之间、塔吊与建筑物之间的碰撞事故时有发生。
同时，由于塔式起重机结构特殊，重心高、臂架长、起动、制动频繁，是一种极易发生事故的设备。
国内外每年都会发生重大铁塔倒塌死亡事故[1]。
塔机事故主要是由使用和维护造成的，约占70%。
其主要原因是安全管理不严、违规或错误操作、安全装置失效、维护不合理等，此类事故随机性强、类型多、情况复杂、难以控制[2]。
完善安全监控系统，可以及时发现塔机关键部件的故障，防止重大事故发生，提高塔机的工作效率和安全性能。
传统的塔机监控系统采用有线通信。
传感器与塔吊控制台连接，塔吊控制台与施工现场控制中心连接。
施工周期长、衔接难度大。
一旦塔吊移动或者增减塔吊，需要花费大量的时间和金钱对网络进行改造，并且无法满足复杂环境下实时可靠的通信要求。
无线传感器网络具有动态拓扑、自组织网络、多路由等特点，可以克服特殊地理和气候环境的障碍，易于扩展，具有传统有线监控系统无法比拟的灵活性。
基于以上优点，将无线传感器网络技术应用于塔吊群监控系统具有良好的应用前景。
1 基于无线传感器网络的塔机监控系统结构 塔机无线监控系统主要组成如图1所示。
为了管理大量的无线网络节点，需要采用树形结构创建用于将信息从终端节点、路由节点和网关节点传输回中央控制点。
借助个人局域网 (PAN) 协调器，用户可以从中央控制点监视和控制系统。
首先，网关节点作为个域网协调器建立无线传感器网络，然后多个路由器加入这个无线传感器网络；其次，在塔机关键部位放置多个传感器终端节点，专门获取塔机工作过程中的故障信息。
，通过路由器或作为网关的子节点加入网络。
传感器终端节点采集各塔机的工作参数，通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，并将处理后的数据通过RS串口发送至无线模块。
同时，无线模块还可以接收主控系统发送的数据。
用于设备监控的控制信号。
加入无线传感器网络的终端节点将预警系统所需的数据信息通过父节点的路由器或直接发送给网关节点，然后网关节点通过USB等方式传输给上位机。
2 无线通信技术在塔吊监控系统中的研究与应用现状 无线通信技术作为无线传感器网络的关键技术，在塔吊监控系统中发挥着重要的作用，其中Zig-Bee技术和GPRS技术是塔式起重机无线监控系统的研究热点。
2.1 ZigBee技术 ZigBee是一种基于IEEE.15.4标准的低功耗个人局域网协议。
它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。
主要用于各种电子设备之间传输距离短、功耗低、传输速率低的数据传输，以及周期性数据、间歇性数据和低响应时间数据传输的典型应用。
国内对ZigBee技术的研究起步较晚。
随着无线通信技术大趋势的发展，许多大学和研究机构都开始了无线通信技术在塔吊监控系统中的研究和应用。
文献[4]将ZigBee技术应用到单塔式起重机的监控系统中，设计了无线传感器网络，用于传输塔式起重机上布置的超声波传感器节点的信息。
ZigBee无线通信模块硬件由TI公司生产。
CC芯片在软件方面是对TI最新的Z-Stack-CC2.2.2版本协议栈的二次开发。
实验样机为QTZ系列塔式起重机。
根据塔吊真实高度，在地面水平布置网络节点获取数据。
结果表明，在室外无大干扰源的工作条件下，可准确获取~m范围内的数据，信号传输距离满足塔机预警系统的数据传输要求。
而且CC与Z-Stack协议栈的结合为节点提供了更加智能的工作模式。
自适应和自愈的网络特性以及安全和认证功能更适合塔机的工作环境和塔机预警系统。
网络要求。
文献[5]研究了基于ZigBee技术的塔机群控无线通信系统。
从塔机无线通信模块的实际工作参数要求出发，通过通信性能测试，得到模拟建筑干扰环境下的远距离通信速率。
6.36b/s，大于塔机群通信速率所需的0b/s，且在95%置信度下误码率为零。
采用中国建筑科学研究院研制的TSCMS系列塔机安全监控管理系统进行无线通信实验。
当传输周期为15ms时出现丢包时，仍能满足塔机群无线通信周期小于等于25ms的要求。
完成了监控系统与ZigBee模块的接口通信，证明ZigBee模块完全可以满足塔机的无线通信需求。
2.2 GPRS技术 GPRS是通用分组无线服务技术的缩写。
它以分组的方式传输，因此用户承担的成本是根据传输的数据单位来计算的，而不是使用理论上更便宜的整个通道。
GPRS通信充分利用现有的网络资源，可以实现高速、大容量的数据传输。
高速数据传输最高可达Kbps。
通过GPRS网络与互联网的无缝连接，可以将采集到的参数信息通过塔机工作现场的GPRS模块传输到互联网上的远程监控终端。
只要是GPRS网络覆盖的地方，都在监控范围之内。
里面。
塔机工作状态数据通过GPRS无线通信模块发送至GPRS无线通信网络。
GPRS网络按照相应的协议在连接互联网的智能终端和监控中心之间建立支持TCP/IP协议的数据通道。
监控中心通过该通道传输的塔机位置数据和工作参数信息存储在数据库中，后台服务软件读取并显示这些数据，实时监控塔机的工作状况。
目前，国内多家大学和研究机构对基于GPRS技术的塔机无线监控系统进行了深入研究并已投入使用。
文献[6]采用通用分组无线业务(GPRS)无线通信方法，结合动态服务器主页(ASP)开发技术，设计了一种基于Web和GPRS的塔吊远程监控系统。
用户可以通过浏览器访问数据库。
数据实时监控和分析。
济南微控科技发展有限公司研发的塔机安全监控管理系统——GPRS远程监控，可广泛应用于各类起重机，实现其工况的实时安全防护监控和数据的GPRS传输。
3 塔机无线监控系统面临的问题及解决方案 3.1 面临的问题 (1) ZigBee 网络考虑到网络中节点数量的变化，因此每个节点需要通过无线信号交换方式对网络进行重组，每次从一个节点向另一节点发送信息时，都需要扫描各种可能的路径，这些需要大量的带宽并增加数据传输延迟。
随着施工现场塔吊数量的增加，所需节点数量也随之增加，可用速率会大幅降低，数据传输时延也会大幅增加，对实时性能产生影响塔式起重机监控系统。
(2) ZigBee技术利用网络节点之间相互传输信息。
理论上，每个网络节点之间的距离可以从标准的75m无限扩展，但它是将一条信息从一个节点传输到远处的另一个节点。
，需要更多的节点进行数据传输，这会导致ZigBee网络占用带宽并增加传输延迟。
虽然可以利用放大器来增加ZigBee网络节点的传输距离，但这必然会增加网络节点的功耗和成本，失去ZigBee低成本、低功耗的优势。
(3) GPRS受GSM网络信号质量的影响，在传输数据的过程中存在一定的延迟。
如果采用这种方式同时采集多个点的数据，每个采集点接收到采集命令的时间就会出现误差，从而无法完成多个采集点的同步数据采集[7] 。
3.2解决方案 在塔机无线监控系统中添加GPRS模块，可以解决远程数据传输的问题，同时大大减少ZigBee网络节点的数量，不影响ZigBee网络的传输延迟，并解决上述（2）问题。
ZigBee网络组网方便，其网络信号质量基本不受外界影响。
当它向每个ZigBee终端发送采集命令时，每个终端都可以同时接收到采集命令，从而实现多点同步数据采集[8]，解决问题(3)。
综上所述，结合GPRS技术和ZigBee技术对塔式起重机进行远程无线监控，不仅可以实现远程无线数据传输，还可以解决多点同步数据采集问题，并通过GPRS将数据实时上传到网络模块。
报警信号可发送至手机终端。
4 结论 本文分析了无线传感器网络技术在塔式起重机上的应用，结合ZigBee和GPRS技术的特点，分析了目前塔式起重机监控系统的研究现状和发展趋势。
结论：基于ZigBee技术的塔吊监控系统适用于单塔塔吊和小型塔吊群的无线监控；而GPRS技术与ZigBee技术的结合可以满足计算机控制塔式起重机在广泛不同领域的需求。
在统一管理下，对众多参数进行同步监测、协同处理、综合判断。
可见，采用GPRS和ZigBee技术共享的解决方案设计塔机监控系统具有良好的推广价值和广阔的应用前景。
随着3C网络的普及和3G网络成本的降低，可以尝试将本系统中的GPRS模块更换为3G模块，以加快网络传输速度，提高系统的实时性。
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