丁承君， 刘云帆， 胡 博， 徐光鹿， 贾丽臻

(1.河北工业大学 机械工程学院，天津 300130； 2.中国民航大学 航空工程学院，天津 300300)

0 引 言

近年来,建筑业作为国民经济支柱产业，随着城镇化进程加快得以蓬勃发展，但其严峻的安全生产形势也引起社会广泛关注。施工升降机作为重要的垂直类运输机械，在建筑施工中被广泛使用，但因为施工升降机本身结构复杂、工作环境恶劣、拆卸频繁等原因，使得施工升降机造成的安全事故频发。目前，施工升降机监测系统的研究主要包括采用3G自适应DTU组网配合多种监测终端、基于单片机控制的实时监控系统、基于人脸识别和安全预警的监测系统。上述监测系统虽然在一定程度上解决了施工升降机安全性的问题，但监测效率低，监测参数不准确，运用多种传感器对参数进行监测，误差累积大。

本文设计了基于物联网(Internet of things，IoT)的施工升降机监测系统，数据传输方面采用LoRa模块和4G模块，有效解决了传输延时的问题，提高系统实时性。同时采用九轴加速度传感器进行高度、速度和加速度的监测，有效削弱了外界对采集数据的干扰，减少了误差累积，大大提高了监测数据的准确性。

1 系统方案设计

基于物联网的施工升降机监测系统由感知层、传输层和应用层组成。总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

1)感知层:相当于物联网的皮肤和五官，主要由监测终端和多种传感器组成，用于识别物体、数据采集，并对采集的信息进行存储和初步处理。本层采集的信息主要包括重量、前后门开关状态、倾斜角度、高度、速度、加速度、人员等。

2)网络层:相当于人的神经中枢，负责传递和处理感知层获取的信息。主要由互联网、无线通信网和云平台等组成。在施工升降机监测系统中，鉴于LoRa模块低功耗传输距离远、易于建设和部署，电池寿命长等优势，故本文选用LoRa模块作为近距离传输网络。远距离数据传输中，LoRa基站通过4G模块将监测数据传送到云服务器。

3)应用层:作为物联网和用户的接口，需要实现对施工升降机数据的分析和处理，并在监测到异常数据及时反馈给用户。应用层主要由Web平台、数据库、计算模型、应用接口、信息查询平台以及用户App组成。其中，Web端和手机App可实现人机交互，用户可通过Web端和App实时查询施工升降机监测数据信息以及施工人员工作情况；数据库用来保存监测数据，用户可通过Web端调出监测历史信息；计算模型主要用于实现施工升降机监测预警功能，内含多种预警模型对上传的监测数据进行分析预测，在不满足条件时发送预警指令。

2 系统硬件设计

系统采用模块化设计，硬件电路包括STM32F407系统电路、施工升降机监测参数采集模块、定位模块、存储模块和数据传输模块。系统硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

2.1 数据采集模块

数据采集模块的数据处理功能由微处理器完成，本文中使用STM32F407芯片作为主处理器，该芯片基于32位高性能ARM Cortex—M4，工艺技术先进，提升了计算能力的同时，一些复杂的计算和控制也可以进行，性能高，功耗低。

1)高度、速度、加速度:升降机高度、速度和加速度参数的采集采用陀螺仪模块JY61N—232，该模块支持串口，串口速率2 400～921 600 bps可调，最高200 Hz数据输出速率。分辨率可达到6.1×10-5，稳定性高，加速度稳定性达0.01gn。模块内部自带稳压电路，工作电压3～6 V，引脚电平兼容3.3 V/5 V的嵌入式系统，连接方便。采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。且具有先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。该模块集高度、速度、加速度监测于一体，有效避免了多种传感器产生的误差累积，监测结果更准确、可靠。

2)倾角:本文选用CXTA02—T倾角传感器监测X轴和Y轴倾角，此传感器提供一个易于使用的信号调节0～5 V模拟输出，同时高分辨率的CXTLA提供高精度的测量范围可达±20°，提供完全校准的温度补偿型双轴数字输出，具有显著的分辨率、动态响应和精度。

3)重量:称重传感器采用德国Batarow公司轴销式称重传感器MB255，量程上限3～3×106kg，综合精度1 %，集传感器、信号发生模块于一身，可直接将轴上的力转换成4～20 mA电流，适应不同工况需求，且组装容易，使用方便。

2.2 定位模块

采用GPS模块提供位置信息，本监测系统选用SKM81，这是一种定位和天线一体化的模块，支持GPS/BDS/GLONAASS。天线接收来自卫星的定位信息后通过串行接口自定义协议将完整的位置、时间信息等串行数据完整记录，定位模块灵敏度高，即使在恶劣环境下也能定位，适用于施工环境。

2.3 存储模块

当终端进行数据监测时，信号衰弱或受到干扰均会造成数据丢失，因此使用SD卡对数据进行存储，保证了数据的完备性，为后续数据分析提供便利。

2.4 数据传输模块

本系统近距离传输使用LoRa模块，选用SX1278射频模块，模块的调制技术采用基于线性调频信号的扩频技术，同时结合前向纠错码和数字信号处理技术，具有超远距离扩频通信，高抗干扰性和最大限度的减小电流功耗，灵敏度高，适用于复杂环境下无线数据传输。同时采用星型组网方式，不仅节约中继器成本，还增强了可靠性。

远距离数据传输采用4G模块，LoRa基站通过4G模块与云服务器进行通信。4G模块可完成无线接收、发射、基带信号处理功能。同时手机软件兼容语音拨号，短消息收取和发送、拨号连接网络等作用。该模块兼容性好、互联网频带宽、通信灵活、通信数据量大、通信速度快，在实现远程报警功能中优点尤为突出。

3 系统软件设计

监测终端软件移植μC/OS-II实时操作系统将系统功能进行划分，主要分为数据采集与处理任务、数据传输任务和位置信息获取任务。系统上电后通过库函数创建多个线程任务并启动。

1)数据采集与处理任务：当数据采集与处理任务启动时，系统初始化，STM32F407发送轮询指令，若系统未接收到反馈，进行错误计数，超次进行故障报备；若系统收到反馈，则进行数据采集，采集的数据包括X轴Y轴倾斜角度、高度、速度、加速度、重量、前后门开关状态、继电器状态等，分别针对每种参数设定阈值，判断接收的数据是否超过阈值，若超过阈值则进行报警动作，若未超过阈值则将接收到的数据通过LoRa模块传送。综上完成数据采集与处理任务。

2)数据传输任务:数据传输任务启动后，系统初始化完成，判断基站组网是否成功，若成功则开始接收各基站发送的数据，并在本地存储;然后通过4G模块将接收的数据上传到云服务器。

4 楼层高度监测原理

系统通过利用升降机的加速度对升降机的状态进行监测，从而分析升降机运行状态并对运行状态进行动态评价。升降机运行高度可通过加速度经两次积分后获得，速度可通过加速度经一次积分后获得。将计算得到的高度差与存储在内存中的数据进行对比，即可得到升降机所在高度。但上述积分操作中，原本存在的误差会因为多次积分而放大，造成结果不准确。

升降机运行过程中的速度变化

(1)

但实际加速度值为

(2)

式中λ为修正系数。

现假设升降机目前处于静止状态，系统从上一状态到这个静止状态共经过N次采样，记录了速度由v变到0的过程

(3)

联立式(1)～式(3)得式(4)

(4)

从上式中看出，决定加速度值的未知参数只有修正系数λ和采样次数N，本系统采用最小二乘法对修正系数进行修正。

当加速度出现因人为因素等原因造成的急剧变化时，直接采用式(4)造成的误差较大，现需消除噪声，采用一次指数平滑法对加速度进行预测

at+1=ξxt+(1-ξ)ai

(5)

式中at+1为t+1时间的预测值，xt为t时间的实际观测值，ξ为平滑系数，从0～1内取值。本系统采用的JY61N—232传感器内部已集成卡尔曼滤波，再经过式(5)已成功降噪，提高了数据处理精度。

使用上述步骤对JY61N—232传感器进行校准。在用上述传感器对升降机高度进行判断时，传感器内部判断步骤为：1)在静止状态时校正高度;2)在非静止状态时通过积分累计，并于下一静止状态时停止;3)记录运行时间，记录高度。

5 系统整体测试

5.1 数据准确性测试

以河北省衡水市某智慧工地为实验对象，该建筑工地，施工楼层高度为2.8 m，分别用校准后的JY61N—232传感器和未校准的传感器对升降机的高度信息进行监测，并将监测到的数据进行汇总。本文共进行10次测试，通过对校准前后两组数据对比发现，校准后的传感器误差更小，误差率在0.36 %～2.50 %。实验证明经过校准的JY61N—232传感器能有效降噪，提高了监测数据的准确性。

5.2 实时性测试

T1为数据发送时刻，T2为服务器数据接收时刻。T2-T1即为传输延时。传输延时会影响升降机监测系统运行效率，影响运行稳定性，影响升降机安全性。现在通过标记时间戳来计算系统响应所需的时间。时间戳计算方式为从监测终端发出数据时刻到客户端接收数据时刻，两者之间的时间差。现分别测试普通升降机监测系统和基于LoRa—4G传输的监测系统的延时时间。选取120组数据进行测试，监测系统1为普通升降机监测系统，监测系统2为本文设计的监测系统，对比结果如图3所示。

图3 两类监测系统延时对比

测试的120组数据中，监测系统1明显比监测系统2延时时间长。测试结果表明,本文所设计监测系统的实时性较高，满足施工升降机数据监测的实际需求。

6 结 论

针对施工升降机监测数据不准确，实时性差的问题，本文设计的基于物联网的施工升降机监测系统，使用LoRa模块和4G模块进行数据传输，有效降低了系统延时，提高系统实时性。使用经楼层高度监测原理校准的JY61N—232传感器，经实验证明:该传感器提高了监测数据准确性。经系统测试，本文设计的施工升降机监测系统准确性高，实时性强，可应用于工程实际。