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基于ZigBee技术的塔机群防碰撞系统设计

作　者: 周文海
导　师: 杨辉
学　校: 华东交通大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 塔式起重机无线通讯ZigBee 防碰撞 ARM9
分类号: TH213.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 6次
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内容摘要

随着建筑业的快速发展，建筑施工机械——塔式起重机（简称塔机）的应用越来越广泛。塔机工作重心高、起重量大、运行速度快，且施工现场经常需要同时布置多台塔机近距离交叉作业，这样塔机与塔机之间、塔机与周围固定障碍物之间就有可能发生碰撞，这给塔机的安全施工作业带来种种隐患，因此对塔机群防碰撞控制系统的研究具有重要现实意义。本文在分析和总结当前塔机监控系统设计开发现状的基础上，结合嵌入式技术、传感器技术、短距离无线通讯技术，设计开发了一种基于ZigBee技术的塔机群防碰撞控制系统。系统以ARM9微控制器为核心，实现了对塔机吊重高度、回转角度、幅度等状态的在线监测和预警信息处理。论文还对塔机群之间无线通讯组网方式和塔机运行状态信息无线传输协议进行了讨论和分析。利用全双工的无线通讯模块实现塔机群状态信息的交互，分析了建筑工地上塔机可能发生的几种碰撞模式，建立了分布式塔机群防碰撞控制模型。根据塔机群防碰撞控制系统对实时性的要求，整个系统由信号采集处理模块、ARM9微处理器模块、无线通讯模块、报警系统、数据存储模块、输出控制模块、人机交互模块组成。以WINCE6.0操作系统为平台设计应用程序，选用VisualStudio2005作为开发工具。设计了防碰撞运行控制算法和人机交互操作界面，采用多线程同步方式，有效的避免了多线程阻塞及冲突问题。本文对样机进行了功能和稳定性的现场测试，挑选了某工地上有交叉区域即有可能发生碰撞的三台塔机进行实验。结果验证了所设计系统的正确性和算法的可行性，可有效预防塔机运行碰撞，达到了预期的设计指标。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-13
  1.1 课题的背景及其研究意义  7-9
  1.2 课题国内外研究现状  9-10
    1.2.1 国内研究现状  9-10
    1.2.2 国外研究现状  10
    1.2.3 塔机群防碰撞技术的发展状况  10
  1.3 本课题的主要研究内容  10-11
  1.4 论文结构安排  11-12
  1.5 本章小结  12-13
第二章塔机群防碰撞系统总体方案设计  13-19
  2.1 塔机工作原理简介  13-14
  2.2 塔机防碰撞关键参数分析  14
  2.3 塔机群及其障碍物数学模型的建立  14-16
    2.3.1 塔机群坐标系的建立  14-15
    2.3.2 塔机群及障碍物模型的建立  15-16
  2.4 塔机群防碰撞方案的选择分析  16-18
    2.4.1 塔机群集中控制防碰撞方案  16-17
    2.4.2 塔机群分布式控制防碰撞方案  17-18
  2.5 本章小结  18-19
第三章塔机群防碰撞系统硬件设计  19-27
  3.1 塔机群防碰撞系统硬件平台搭建  19-20
  3.2 塔机群防碰撞系统各子电路设计  20-23
    3.2.1 防碰撞系统信息采集电路  20
    3.2.2 ZigBee 模块电路设计  20-21
    3.2.3 电平转换电路设计  21
    3.2.4 继电器控制电路设计  21-22
    3.2.5 人机交互模块电路设计  22-23
  3.3 塔机群防碰撞系统传感器信息采集方案  23-26
    3.3.1 小车变幅传感器  23-24
    3.3.2 吊重高度传感器  24
    3.3.3 回转角度传感器  24-26
  3.4 本章小结  26-27
第四章基于 ZigBee 的塔机群无线传感网络设计  27-45
  4.1 短距离无线通讯技术  27-28
  4.2 无线通讯 ZigBee 技术组网方案分析  28-32
    4.2.1 ZigBee 协议栈  28-29
    4.2.2 ZigBee 模块组网方式选择  29-31
    4.2.3 ZigBee 模块组网  31-32
  4.3 无线通讯 ZigBee 软件设计  32-39
    4.3.1 无线通讯系统工作流程分析  32-33
    4.3.2 设置串口参数，启动数据接收线程  33-34
    4.3.3 执行串口打开操作，配置串口  34-37
    4.3.4 用 ReadFile 和 WriteFile 读写串口  37-39
    4.3.5 关闭串口  39
  4.4 ZigBee 模块硬件组网配置方法  39-43
  4.5 本章小结  43-45
第五章塔机群防碰撞系统软件设计  45-57
  5.1 塔机群防碰撞控制算法设计  45-52
    5.1.1 防止塔机与塔机之间的碰撞  45-48
    5.1.2 防止塔机与周围固定障碍物的碰撞  48-50
    5.1.3 塔机群防碰撞系统缓冲区域设置  50-51
    5.1.4 塔机群防碰撞多塔循环设计和继电器控制方案  51-52
  5.2 塔机群防碰撞界面设计  52-54
    5.2.1 塔机几何参数输入  52-54
    5.2.2 塔机群防碰撞区域显示  54
  5.3 传感器标定软件设计  54-56
  5.4 本章小结  56-57
第六章塔机群防碰撞系统的现场验证  57-62
  6.1 系统现场应用概况  57-58
  6.2 系统终端硬件组成和软件测试  58-60
  6.3 现场调试的问题及解决方案  60-61
  6.4 系统总结与展望  61-62
参考文献  62-64
个人简历在读期间发表的学术论文  64-65
致谢  65

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