王 辉，郑 旭，郑海南

（1.凯博信息科技有限公司，河北 廊坊 065000；2.廊坊凯博建设机械科技有限公司，河北 廊坊 065000）

1 研究背景

随着我国建筑行业发展，高层建筑施工塔式起重机运用越来越广泛。伴随着建筑业发展，建筑工地施工塔机呈现出大型化、集群化趋势，大量交叉作业频繁，导致群塔碰撞事故时有发生。由于多塔机协同工作中引发的碰撞事故，已经成为塔机使用中的主要事故源，对经济发展造成了严重影响，因此，在塔机将要发生干扰碰撞时通过群塔防碰撞系统给予预警和报警，能有效避免塔机相撞事故的发生。

ARM 单片机是以ARM 处理器为核心的一种单片微型计算机，是近年来电子科学不断发展而被大量应用在工业领域的一款低成本微指令计算机，其采用了新型的32 位ARM 核处理器，使其在指令系统，总线结构，调试技术，功耗以及性价比等方面都很有优势。塔机、施工升降机等起重机械的监控系统开发中大量应用了ARM 单片机的相关技术。

2 塔机安全监控系统的组成

用于单机形式的塔机监控终端，一般由液晶屏、监控主机、高度传感器、幅度传感器、回转角传感器、重量传感器、倾角传感器、风速传感器以及继电器输出模块组成（图1）；例如廊坊凯博建设机械科技有限公司生产的TSCMS01-V3.0 塔机安全监控管理系统。液晶屏主要作用是进行人机交互和语音预警提示；各类传感器主要作用是监测塔机的实时幅度、高度、角度和重量等；监控主机通过对各传感器数据采集运算，得到塔机的实时安全状态，当有危险发生的时候可以通过继电器输出反馈给塔机本身的控制器。

图1 塔机安全监控系统组成

而针对群塔防碰撞作业的监控系统终端，除了起到一般的限位控制、限载控制、区域限制之外还要由塔机防碰撞限制功能，因此群塔防碰撞系统除了上述单个塔机监控系统的组成之外，还要需要通讯装置，需要实现跟相关塔机进行通讯，根据自身塔机的姿态和相关塔机的姿态进行实时运算，当将要发生干扰或者碰撞时，给塔机司机语音报警提醒，同时通过避让算法驱动继电器切断塔机的控制输出，达到预防群塔碰撞事故发生的目的。

3 群塔防碰撞系统的研究现状

目前，群塔防碰撞系统的碰撞预警算法的研究与应用已经相对成熟，文献[1]设计了碰撞预警算法，将问题转化为平面上点与线的问题，简化了群塔防碰撞的计算过程。文献[2]建立了等高塔机碰撞模型和高低塔碰撞模型，并且提出了等高塔机等待时间最短和高低塔机的延迟干预智能避让算法。文献[3]针对塔吊防碰撞问题，基于超声波测距原理，对塔臂主动监测，从系统构成、工作方式和安装布置等几个方面进行详细论述和验证。

4 防碰撞主机无线通信底层协议设计

分布式群塔防碰撞系统的主要思路为：每个塔机监控为一个独立的防碰撞结点，具有采集参数、限位控制、超载控制等基本功能，此外每个防碰撞结点设置有一个相关塔机表，保存与本塔机有可能碰撞的相关塔机的编号，为了防止塔机之间相互碰撞，每台塔机监控主机就需要实时获取与之相关塔机的机身、平衡臂、起重臂所在的位置、高度、转角和重量，然后根据防碰撞算法进行计算，当塔机进入碰撞预警状态时，对塔司进行声光预警，同时根据避让算法进行避让控制。

分布式的群塔防碰撞系统要求每个塔机有一套独立的监控系统，该系统具有采集本塔机的状态、限位和超载预警、防碰撞计算和预警等功能，同时又要具有和其它单机系统进行通信交互，每个单独的塔机监控系统地位平等，如图2所示。

图2 塔机自主监控系统

其中4 个独立的自主监控系统，无主次之分，每个监控系统能够通过人机交互系统输入本塔机基本信息（例如臂长、高度）和在全局中的坐标系，能够输入与其相关的其它塔机的编号，每个自主监控系统能够采集本机的运行状态（幅度、高度、转角、载重）。然后能够通过通讯获取与其相关的其它塔机的运行状态，再依据这些信息进行防碰撞运算，做出本机的控制策略。而通过和塔机的PLC 通讯，输出控制信号，通过塔机自身的控制系统，实现防碰撞报警和主动避让。每个自主监控系统能够根据相关塔机的状态分布式的并行计算出碰撞的可能性，自主决策，从而提高了防碰撞的计算效率。每台自主监控系统在结构上相互独立，使得在某台监控系统出现故障的情况下，不会影响整个系统中其它自主监控系统的防碰撞运算和报警控制，同时对于恢复故障的自主监控系统也要求能够很容易地加入到系统中正常运行，这样就能够使得群塔防碰撞系统很容易进行扩展。

根据上述论述，要设计一套快速稳定的塔机通讯协议需要考虑如下因素。

1）各个塔机之间通讯的数据包的长度尽可能地小，这样能够快速获取相关塔机的姿态数据。

2）为了经济方便地使用，因此不能布线，需要使用无线通讯，这样不用布线就可以实现通讯。

3）塔机通讯在掉线时需能够自动重新上线、方便扩展，因此通讯协议需要有上线协商机制。

无线通讯协议设计方面：在国内由于433MHz 的无线电频段属于免执照工业通讯用无线电频段，因此这里使用433MHz 无线电作为无线通讯的载体。433MHz 的电波通讯为单信道的半双工通讯方式，就是在通讯网络中同一时刻，只能有一个主机在发送数据。由于塔机运转过程中，塔机动作速度非常快，因此无线通讯的数据实时性要求较高，这里采用广播的通讯方式，需要每台塔机在发送数据以广播的方式报告本塔机的位置、高度、幅度、转角和重量等数据，如图3 所示。

图3 塔机参数无线广播发送模型

对于分布式塔机防碰撞要求各塔机通讯过程为实时通讯，也就是塔机和周围塔机的通讯间隔不能超过1s。而433 通讯只有一个通信信道，而且每个自主监控系统的地位平等，所以需要每个塔机自主监控系统能够平等地利用信道去广播自己的参数数据，如果同一时刻每个塔机都去广播数据，就会发送数据冲突。考虑访问信道的仲裁过程，就需要多塔塔机自主监控系统能够协商通信信道的使用方法。这里采用对塔机进行编号，在通讯网络中加入令牌，通讯时令牌按照塔机编号进行顺序传递，让拥有令牌的主机去广播的协同方法，就可以达到公平使用广播信道的效果。同时在设计上考虑到塔机故障掉线，采用超时机制，此外还要考虑塔机上线，采用发送上线包的方法，让塔机重新加入广播，激活塔机表。

5 防碰撞主机硬件设计

针对塔机群防碰撞的高稳定性的要求，拟采用ARM 单片机，选用意法半导体公司生产的STM32 系列中的H7 单片机为主监控芯片，该单片机主运行频率达到400MHz 以上，无线通讯采用RS232 接口的工业级无线透传通讯模组，该模组具有抗干扰能力强、通讯延时小，通讯距离在2 000m 左右，具有内置看门狗，采用433MHz的工作频段。人机交互界面采用触摸式液晶串口屏，能够根据指令跟MCU 主控制器进行通讯和显示画面，塔机监控主机硬件逻辑电路图如图4所示。

图4 塔机监控主机硬件逻辑电路图

6 系统软件设计

塔机监控系统由于采用ARM 单片机MCU，其要求系统必须有很好的稳定性和实时性，因此，需要采用实时操作系统。实时操作系统常见的 有FreeRTOS、RT-Thread、μCOS Ⅱ等，μCOS Ⅱ是一个可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任务实时内核，它包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理、任务间的通信和同步等基本功能，以源代码的形式发布，是开源软件，由于应用广泛，所以，拟采用该操作系统作为基础开发应用程序。

系统应用程序总体方案如图5 所示。

图5 塔机监控系统软件方案图

系统为每个子任务建立任务存储变量和任务的堆栈，各任务通过信号量、消息队列实现子任务间数据通信和任务同步，通过任务控制块TCB实现各任务的创建、删除、挂起和恢复等操作，以任务的优先级保证系统执行的稳定性和实时性。

群塔防碰撞人机交互系统，采用液晶触摸屏组态软件开发，如图6 所示，为塔机静态参数输入。塔机群动态显示界面如图7 所示，可以通过旁边的滑动条对显示图进行放大缩小调整。

图6 群塔防碰撞静态参数设置界面

图7 分布式群塔防碰撞系统显示界面

7 项目应用案例

在广州某城中村改造项目，塔机布置方式如图8 所示，由于塔机共同作业，之前没有使用该系统时，经常会出现塔司没有兼顾到其它塔机的运行位置而发生干扰的情况，因此加装了塔机防碰撞系统，根据项目所处位置设置东南角红线处M 点为坐标原点（0，0），以此点为基准分别在系统中设置每个塔机的局部坐标系坐标，然后在系统中设置静态参数，设置好所有数据后，就可以通过无线网络进行动态数据传输，经过实际使用，验证该群塔防碰撞系统在两塔机大臂距离2m左右会系统发出预警提示，当塔机大臂距离1m时会启动声光报警，提醒塔司减速停止，很好地解决了群塔作业是的防碰撞安全隐患问题。

图8 某工地塔群分布图

8 结语

本文首先介绍了群塔防碰撞算法的研究现状，并且设计出了基于433 无线通讯的群塔防碰撞系统的底层协议和数据结构，并且基于ARM单片机H7 系列单片机对系统硬件进行设计，基于UCOS Ⅱ系统作为操作系统编写实时核应用程序，真正做到了系统稳定性与经济性的统一，最后在广州某工地的现场对群塔防碰撞进行了测试，能够满足塔式起重机在塔群联合工作时，对群塔碰撞预警和报警情况下传输速度、可靠性的要求。