劉海龍+張敏三

摘 要：針對建設工地大量采用的塔機群對安全、高效作業(yè)的需求，文章設計開發(fā)了基于ZigBee無線通信的塔機集群動態(tài)防碰撞系統(tǒng)。系統(tǒng)以Cortex-A8為硬件核心，嵌入式Linux4.2內核為軟件平臺，利用無線網絡組網快速、節(jié)點布置方式靈活的特點，實現(xiàn)了塔機群間的三維動態(tài)信息交互，建立了塔機群控模型和動態(tài)防碰撞算法?，F(xiàn)場測試表明，系統(tǒng)能有效地保障塔機群安全可靠運行，具有良好的應用前景。

關鍵詞：Linux；無線組網；動態(tài)防碰撞；Cortex-A8

1 基于多傳感器融合技術和ZigBee無線通信技術的塔式起重機

塔式起重機（簡稱塔機）大規(guī)模應用于工程建設中，又極易引發(fā)重大安全事故。近年來，國內建筑起重機設備事故頻發(fā)，且呈逐年上升趨勢[1]。為提高工作效率，在同一施工現(xiàn)場經常需要布置多臺塔機集群近距離交叉作業(yè)，這樣大大增加了塔機群間碰撞的危險，導致重大安全事故的發(fā)生。國標GB/T5031-2008規(guī)定：起重機械必須強制安裝安全監(jiān)控裝置，須對塔機的工作狀態(tài)、額定能力及碰撞危險因素進行監(jiān)控與記錄[2]。因此，開發(fā)低成本、穩(wěn)定高效的塔機無線動態(tài)防碰撞系統(tǒng)對于塔機應用安全領域具有重要意義。

本系統(tǒng)采用多傳感器融合技術及ZigBee無線通信組網技術對周邊塔機進行精確位置定位、運動軌跡預測，通過動態(tài)防碰撞算法獲得塔機的潛在碰撞預報警及控制信息，有效防止塔機間碰撞事故的發(fā)生。ZigBee技術作為一種短距離無線通信，具有低功耗、低成本及高度智能化等特點，是一組基于IEEE 802.15.4無線標準的組網通信技術，具有十分廣闊的應用前景，已經成為國內外公認的新興前沿熱點研究領域[3]。

2 系統(tǒng)的整體結構與功能

塔機群無線安全防碰撞系統(tǒng)主要由各塔機監(jiān)控終端、ZigBee無線傳輸網絡、上位機監(jiān)控終端組成，整體結構如圖1所示。

各塔機監(jiān)控終端為安裝在塔機駕駛室內的嵌入式監(jiān)控儀表，是安全監(jiān)控前端的基礎硬件平臺，主要負責采集本塔機傳感器網絡數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時本地監(jiān)控，并通過連接的ZigBee無線模塊形成一個網絡節(jié)點，是構成整個無線網絡的基礎。ZigBee無線傳輸網絡采用分布式控制模式，即每個監(jiān)控終端節(jié)點都是一個獨立的子系統(tǒng)，通過相應算法能獨立判斷周圍危險障礙物并作出相應控制。上位機終端為主控制中心，主要負責管理整個無線網絡子系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的雙重保障。

3 監(jiān)控終端的硬件結構設計

系統(tǒng)硬件平臺由Cortex-A8微處理器、傳感器采集網絡、報警與控制電路、觸摸屏顯示器、GPRS/GPS模塊、ZigBee無線通信模塊等部分組成，系統(tǒng)的整體框架如圖2所示。

系統(tǒng)采用低功耗、高性能的工業(yè)級Cortex-A8微處理器為控制核心，標準工作主頻為600 MHz，采用10級NEON媒體流水線 10-stage NEON media pipe-line，并有先進的分支預測技術，并且用的NEON整型和浮點型管線進行媒體和信號處理。ZigBee模塊采用廣州致遠2.4 GHz ZM2410，內嵌透明傳輸（點對點和點對多點）通信協(xié)議，采用RS485接口，最高無線通信速度可達1 Mbps，非常適用于嵌入式系統(tǒng)環(huán)境。

4 基于Linux4.2內核系統(tǒng)的ZigBee智能組網

系統(tǒng)防碰撞組網無線網絡采用TI最新的Z-Stack-CC2530-2.2.2版本的協(xié)議棧，在其基礎上對3類網絡節(jié)點功能進行軟件開發(fā)，ZigBee協(xié)議棧的基本結構如圖3所示。

4.1 ZigBee協(xié)議棧分ZigBee聯(lián)盟定義IEEE802.15.4

標準定義兩部分。ZigBee聯(lián)盟定義應用層和網絡安全層[4]。如圖3所示，應用層主要用于對應用框架模型進行開發(fā)應用，網絡安全層則負責數(shù)據(jù)管理、組網連接和網絡安全等；IEEE802.15.4是IEEE確定的低速率無線局域網標準，該標準定義了介質訪問控制層（MAC）和物理層（PHY）；介質訪問控制層主要負責產生同步信號和網絡信號，并處理物理無線信道訪問請求。物理層主要負責物理層數(shù)據(jù)服務和管理服務，并定義了物理無線信道和介質訪問控制層之間的接口。

網絡的第一個設備是網關節(jié)點，主要負責網絡的建立。系統(tǒng)上電初始化后啟動Zstack協(xié)議棧，根據(jù)Config.cfg的頻率設置搜索信道[5]；在確定信道可用后通過網關節(jié)點配置網絡參數(shù)建立網絡連接。網絡連接建立后網關節(jié)點開始不停地對一定范圍之內的區(qū)域搜索查看是否有節(jié)點加入請求，如果收到外來節(jié)點的加入請求，本網關節(jié)點就會響應加入并自動分配新節(jié)點網絡地址，并更新本地路由表信息。在建立網關和節(jié)點的通信后就可以實現(xiàn)相互無線通信，接收的數(shù)據(jù)通過控制器標準SPI接口從內部寄存器直接傳送給USB控制器。網關節(jié)點的程序流程如圖4所示。

4.2 塔機群建模與動態(tài)防碰撞算法設計

塔機群防碰撞涉及多個靜態(tài)和運動對象之間在三維空間中相交計算方法，具有復雜的時間和空間關系。本系統(tǒng)擬采用層次空間包圍體相交檢測算法，根據(jù)塔機的空間對象關系劃分為3層包圍體形式，本算法一方面采用包圍體形式代替了復雜的塔機部件幾何形狀，減少了計算復雜度，同時采用層次方法是利用空間對象關系優(yōu)化檢測算法，進一步降低檢測計算開銷提高計算效率，另一方面，采用層次包圍體方法在空間上包含了所有塔機部件，在檢測效果上具有很高的可靠性和實用性。本項目防碰撞算法的核心思想是：先利用最外層包圍體的相交檢測排除不可能發(fā)生相碰的塔機，再利用子包圍體和相交檢測排除不可能發(fā)生碰撞的塔機部件，最后利用基于求異面線段距離的碰撞檢測算法進行精確檢測，最終得出結果。

采用包圍體的目的是利用體積略大規(guī)則的幾何體形狀代替復雜的幾何對象進行相交計算，降低了計算復雜度和提高運行效率。在空間對象碰撞檢測領域，空間對象的包圍體有多種形式，主要包括沿坐標軸包圍體（AABB）、球包圍體（Spheres）、方向性包圍體（OBB）等。根據(jù)塔機的具體空間形狀與運動關系，在本算法中我們選擇球包圍體方法，其特點是幾何體構造和相交測試簡單，同時當物體發(fā)生旋轉運動時，包圍體不需要做任何更新，符合塔機運動情況。本算法所采用的多級包圍體形式如圖5所示。

5 現(xiàn)場測試結果

基于Linux4.2內核嵌入式操作系統(tǒng)的基礎上，結合MFC軟件編程構建友好的人機界面，實現(xiàn)了對影響塔機安全數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控與記錄，并構建了實時安全防碰撞網絡。通過現(xiàn)場測試表明，去除極值的情況下，系統(tǒng)濾波系數(shù)小于等于8時，回轉監(jiān)控數(shù)據(jù)會出現(xiàn)偶爾跳躍，容易導致控制電路誤動作，綜合考慮，本系統(tǒng)濾波系數(shù)選取16和32兩種，供客戶設置，系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可穩(wěn)定滿足現(xiàn)場工況需求。

6 結語

本文針對在同一施工場地多臺塔機近距離交叉作業(yè)及可能發(fā)生碰撞，設計開發(fā)了基于Linux4.2內核及ZigBee技術的塔機安全監(jiān)控與防碰撞系統(tǒng)。針對目前國內大部分類似產品實時性差、精度低、缺乏塔機群動態(tài)防碰撞功能等問題，系統(tǒng)采用工業(yè)級Cortex-A8為硬件核心，開發(fā)了基于Linux4.2內核下ZigBee技術無線網絡，采用多級包圍圈防碰撞算法實現(xiàn)了對塔機群的相互動態(tài)防碰撞預報警及安全控制，通過現(xiàn)場調試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，確保塔機安全運行的同時，有效地提高了塔機群的作業(yè)效率，具有良好的市場前景。

[參考文獻]

[1]吳學松.論道塔機安全與可持續(xù)發(fā)展[J].建筑機械化，2011（1）：21-23.

[2]中國國家標準化委員會.塔式起重機GB/T 5031—2008[S]. 中國國家標準化委員會，2008（8）：20-21.

[3]尚曉新.基于ZigBee無線通信技術天然氣管道監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].制造業(yè)自動化，2012（7）：70-73.

[4]張亞磊，段志善.基于超聲傳感器和Kalman濾波的塔式起重機防碰撞研究[J].起重運輸機械，2010（10）：31-34.

[5]鄭聰海，李彥明，楊山虎，等.總線構架和裁剪化IEEE1451標準的塔機智能檢測系統(tǒng)[J].計算機測量與控制，2010（7）：1992-1996.