专利名称：基于WiMAX的塔机自动安全监控系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种塔机监控系统，尤其涉及一种基于WiMAX技术的塔式 起重机监控系统及方法。
背景技术：
目前市面上所出现的各种塔机监控系统，主要是采用面向单机工作的运行 模式，仅仅针对单台塔机进行运行状态的监控，而随着我国经济的发展以及对 基础设施要求的不断增长，现在的塔机使用常常是处于多机化的工作模式之下， 即在一个基建工地现场并存着多台塔机同时或者分时工作以提高工作效率、及 工程进度，但其施工难度大、危险性高，这就要求多台塔机都能够进行对其运 行状态的实时监控，而且，为了更好的掌握以及控制这些信息，还要求具备多 台塔机之间能够进行组网联系、多台塔机和上位机之间能够进行组网联系等功
能，所以仅仅面向单机的塔机监控系统便难以适应这种新变化。
也有一些塔机监控系统尝试采用一些简单的组网方式，使各台塔机之间可
以进行信息的交流，比如说采用点对点的数传电台组成环形网络等，但是环状 网络拓补的通信可靠性较低、 一般的数传电台其数据传输速率不高，而且其可 以组成的网络拓补较少，不便于网络的扩展，不便于大量数据的实时传输，例 如传输实时监控视频等。这样，既不便于根据需要改变网络拓补的形状，也不 便于增强塔机监控的其他手段，限制了塔机监控系统的应用及其进一步增强功 能的演进。
WiMAX无线传输技术具有传输距离远、接入速率高、系统容量大、能够为客 户提供广泛的多媒体通信服务，并且具有较好的安全性保证以及良好的互操作 性，于07年10月被IEEE正式接纳为3G标准之一。在现行的各种3G标准，乃 至现存的各种无线传输标准当中，WiMAX的覆盖范围最大(视距高达50Km，非 视距高达7 10Km)，数据传输速率最高(最高达75Mbps)，所以根据这一个特点， 能够为塔机监控系统提供更多新的应用模式。 发明内容本实用新型针对以上问题的提出，而研制一种使用和扩展方便，组网方式
灵活的基于WiMAX的塔机自动安全监控系统。本实用新型所使用的技术手段如
下
一种基于WiMAX的塔机自动安全监控系统，包括
塔机侧控制台，通过各种传感单元对塔机的工作信息及状态信息进行采集，
并对这些信息进行分析、存储处理，还可对塔机的工作状态进行控制； 其特征在于
在所述塔机侧控制台上还设有WiMAX通信单元，用于塔机侧控制台与塔机 侧控制台之间的塔机工作状态信息的传送，或塔机侧控制台与控制室侧控制台 之间的塔机工作状态信息及控制信息的传送；
所述控制室侧控制台包括WiMAX通信单元和上位机，通过WiMAX通信单元 对塔机侧控制台发出的实时信息进行接收，并将实时信息传送到上位机上进行 处理，完成数据备份和塔机工作状态信息的实时监控；控制室侧控制台还可通 过WiMAX通信单元将上位机的控制指令发送到所述塔机侧控制台。
所述塔机侧控制台包括环境监测单元、起重信息监测单元、塔身基础监 测单元、小车信息监测单元、信息采集隔离整理单元、主控单元、存储卓元、 输出控制单元、显示单元和WiMAX通信单元；其中环境监测单元、起重信息监 测单元、塔身基础监测单元和小车信息监测单元中所包含的传感器采集塔机的 各种工作信息，并通过信息采集隔离整理单元进行数据采集，然后送到主控单 元中处理，后将数据存储到存储单元中，通过输出控制单元输出控制量对塔机 进行反控制；主控单元可将处理后的数据通过WiMAX通信单元传送到控制室侧 控制台；塔机侧控制台还可通过显示单元可扩展的键盘显示接口实现采集数据 的实时显示以及各种数据的录入；所述主控单元使用PCI或PCIe或USB接口将 数据送到WiMAX通信单元上。塔机侧控制台和控制室侧控制台通过WiMAX通信 单元形成信令交互，各种初始化数据也可以经由WiMAX网络上传到塔机侧控制 台；所述工作状态信息除各监测单元传回的传感信息外还包括语音、视频信息。
本系统所采用的Wimax的原因，是因为无论从传输速率、网络容量、网络 覆盖范围、可扩展性、安全性等角度来说，都是最好的选择。根据其特点，使 用该项技术主要是为了研究塔机监控系统新的应用模式而言的。对于本系统开 发的着眼点，系统设计目的是提供系统数据的安全性，面向对象是塔机相关的监管部门，所以我们可以利用其传输速率高的特点，传输更多的塔机运行信息， 包括语音、视频等大数据量的信息，特别是在多塔机联合监测过程中，可以对 多部塔机的实时运行姿态进行视频监控，更能有效的提高塔机生产的安全性，
同时，透过WiMAX网络平台，可以还可以实现系统赋予一定的移动性、以及语 音等多媒体的功能，同时在塔机监控系统中，我们还可以将塔机侧司机与地面 控制室内的控制人员，还有地面指挥人员之间的对话保存起来，并实现无线远 程备份，使监控部门获取更多的监控信息；利用其覆盖广的特点，可以将整个 城域范围内的塔机都纳入到监管部门的统一监控当中；从其安全性来说，wimax 具备了良好的无线数据安全保护能力，能够提供电信级的服务质量，所以也满 足了监管部门对数据信息安全性的要求。其次对于Wimax来说，灵活组网、使 用方便等特点，同样是其所具备的。
值得一提的是，在组网方式中，Wimax和可以和WLAN， ZigBee相互配合组 网，在塔机工作现场各个塔机之间，以及塔机与地面控制室之间，使用覆盖范 围较小的WLAN， ZigBee提供"热点"覆盖，可以大大降低系统的设计成本，而 在城域范围内，以及各个塔机工作现场的地面控制室与监管部门的中央控制室 之间，则使用Wimax技术进行高速大数据量的数据传输，这样，既可以利用WLAN， ZigBee成本交Wimax低，使用灵活的特点，也充分发挥了 Wimax覆盖广、速率 高的特点，给塔机监控带来了新的应用模式。同时，由于Wimax可以实现城域 内的无线覆盖，能够提供较强的漫游能力，使得无论是工程监督人员，还是相 关监管部门人员都能够在城域范围内获得塔机监控的实时消息，对塔机工作状 态有实时性的掌握，或者在危险发生后，第一时间了解并采取相应对策。
图1为本实用新型的单机监控框图2为本实用新型的多机联控框图3为本实用新型的塔机侧控制台组成框图4为本实用新型的控制室侧控制台组成框图5为本实用新型的塔机自动安全监控系统描述框图6为本实用新型的塔机侧工作流程；
图7为本实用新型的控制室侧工作流程；
图8为本实用新型的塔机侧平台处理流程；图9为本实用新型的WiMAX无线传输单元框图。
具体实施方式
如图1 图8所示，本实用新型中的塔机自动安全监测系统由塔机侧控制台 和控制室侧控制台组成，系统可以是单塔机与控制室组成单机监控系统(简称 单机监控)，或者是多塔机组网与控制室进行多机联合监控系统(多机联控)。 单机监控如图l所示，包括塔机侧控制台、WiMAX无线网络及控制室侧控制台， 其中塔机侧控制台与控制室侧控制台之间通过基于WiMAX无线传输技术的无线 网络进行数据传输。多机联控如图2所示，系统中有N个塔机侧控制台，通过 WiMAX无线网络同控制室侧控制台进行数据传输或多个塔机侧之间进行数据传 输(各塔机之间的信息交互，可以根据塔机侧控制台的系统设定而选择和自己 通信的塔机，比如说在多塔机作业中，两个物理距离上相隔较近的塔机之间可 以相互交流，从而避免发生互碰危险，其它在物理上距离较远的塔机，则可能 不需要进行相互间的联系，只是保持了相互之间的路由信息，待需要时进行通 信即可)。
塔机的各种工作信息是通过塔机侧控制台进行采集、分析、存储，并通过 WiMAX无线网络传输到控制室侧控制台，进行数据的备份存储，以及后续的各种 处理。如图3、图5、图6和图8所示塔机侧控制台由环境监测单元4、起重信 息监测单元5、塔身基础监测单元6、小车信息监测单元7、信息采集隔离整理 单元8、主控单元9、存储单元IO、输出控制单元ll、显示单元12和WiMAX通 信单元13组成。塔机通过环境监测单元4、起重信息监测单元5、塔身基础监 测单元6和小车信息监测单元7这四个单元中所包含的传感器采集塔机的各种 工作信息，通过信息采集隔离整理单元8进行数搪采集，然后送到主控单元9 中处理，并且将数据存储到存储单元10中，根据需要可以通过输出控制单元ll 输出控制量对塔机进行反控制，使塔机工作在本监控系统之下，保障其安全性， 显示单元12可以通过可扩展的键盘显示接口实现采集数据的实时显示以及各种 数据的录入，为了保证历史数据的可靠性以及满足数据的各种后续处理，为日 后提供有力的数据保障，塔机侧控制台通过主控单元9，使用PCI/PCIe/USB接 口将数据送到WiMAX通信单元13中，通过无线传输单元13进行基于WiMAX无 线网络的数据传输，再通过控制室侧控制台的WiMAX通信单元14进行接收，使 得数据同时在控制室侧备份，这样大大提高了历史数据的可靠性与安全性，并且，通过控制室侧的上位机15可以对数据进行各种设定的处理，提高数据的利 用效能。
如图4所示控制室侧控制台由WiMAX通信单元14和上位机15组成，WiMAX 通信单元14实现数据通过WiMAX无线网络进行传输的目的，通过无线网络传输 来的数据在WiMAX通信单元14中被接收，并且通过ethernet/可扩展的USB接 口传输到上位机15中，完成数据的备份以及后续处理功能；相反地，各种控制 信息也可以从控制室侧控制台通过WiMAX通信单元发送，在塔机侧控制台的 WiMAX通信单元13进行接收，并将所接收的信息传送到主控单元9中进行处理， 以便实现从控制室侧对塔机侧的远程控制。
如图9所示WiMAX通信单元发送是通过ethernet/可扩展的USB接口从塔机 侧或控制室侧获取所传输的数据，在MCU的控制下，通过ethernet/可扩展的 USB接口模块，将数据送入WiMAX MAC/BaseBand (S0C， Syetem On Chip)芯片 中进行WiMAX 802. 16协议族的MAC (Medium Access Control) 、 PHY(Phycial) 层实现。在WiMAX MAC/BB (S0C)芯片中，数据先进行暂存，然后在时钟、时序 控制单元控制下，进行符合WiMAX标准的802. 16协议栈MAC处理，并且根据需 要进行安全性控制，完成后的数据按照802. 16协议栈所要求进行基带调制，并 通过内置或外置的直接无线电转换模块，进行包括一些信号随机化、空时编码、 交织/解交织、burst形成、射频调制在内等射频调制，将信号转换成为适合射 频天线发送的信号，交给WiMAX RF射频前端(S0C)芯片，进行射频功率放大， 滤波等过程，最后馈送到天线上发送数据信息。接收过程其实就是上述的逆过 程。其配置的FLASH提供WiMAX MAC/BB (S0C)芯片所需的配置程序、数据的存 储空间，SDRAM是配合WiMAX MAC/BB (S0C)芯片使用，提供足够外部的存储 空间给芯片使用。为了方便调试系统，专门设置调试接口，用于程序的调制之 用。系统时钟、时序同步单元用于提供系统中各个单元提供时钟信号，包括 ethernet接口、 MAC协议栈等所需的控制时钟，并且提供时序同步等功能。
结合图6、图7和图8将系统的工作情况描述如下，不管是单机监控还是多 机联控，系统操作总是从塔机侧、控制室台侧开机初始化开始，然后，塔机侧 与控制室分别独立运作，塔机侧控制台控制安装在塔机上的各种信息采集装置， 当需要时，两者之间通过WiMAX网络进行数据交互。安装在塔机上的各种信息 采集装置自动或者在塔机侧的控制下对塔机各种数据进行采集，采集到的数据送入塔机侧控制台进行存储、以及各种数据处理，并且可以在程序、或控制室 侧控制台控制下向控制室侧发送塔机运行的实时数据，或者交互信令；控制室 侧控制台工作时，运行本系统所设计的控制台软件，根据塔机侧所传过来的数 据，显示各种软件功能，为控制室人员提供塔机实时工作的各种状态信息，控
制室侧亦可以通过WiMAX向塔机侧传输数据，或者进行信令交互。
实际应用中，塔机侧控制台安装于塔机上控制室内，各种信息采集装置安 装在塔机各个测量位置，信息采集装置采集回来的数据通过塔机侧控制室的 WiMAX收发装置，向控制室侧控制台发送，控制室侧收到这些信号后，在所编制 的软件程序中，监控这些数据；控制室一般安装在工地地面的管理室内，由现 场操作员操作，平时一般接收来自塔机侧控制台的各种塔机实时状态信息，在 需要时发出控制命令，通过WiMAX收发装置与塔机侧进行信令交互，各种初始 化数据也可以经由无线局域网上传到塔机侧控制台中。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式
，但本实用新型的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范 围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵 盖在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1、一种基于WiMAX的塔机自动安全监控系统，包括塔机侧控制台，通过各种传感单元对塔机的工作信息及状态信息进行采集；其特征在于在所述塔机侧控制台上还设有WiMAX通信单元，用于塔机侧控制台与塔机侧控制台之间的塔机工作状态信息的传送，或塔机侧控制台与控制室侧控制台之间的塔机工作状态信息及控制信息的传送；所述控制室侧控制台包括WiMAX通信单元和上位机，通过WiMAX通信单元对塔机侧控制台发出的实时信息进行接收，并将实时信息传送到上位机上进行处理，完成数据备份和塔机工作状态信息的实时监控；控制室侧控制台还可通过WiMAX通信单元将上位机的控制指令发送到所述塔机侧控制台。
2、 根据权利要求l所述的基于WiMAX的塔机自动安全监控系统，其特征在 于所述塔机侧控制台包括环境监测单元(4)、起重信息监测单元(5)、塔身 基础监测单元(6)、小车信息监测单元(7)、信息采集隔离整理单元(8)、主 控单元(9)、存储单元(10)、输出控制单元(11)、显示单元(12)和WiMAX 通信单元(13);其中环境监测单元(4)、起重信息监测单元(5)、塔身基础监 测单元(6)和小车信息监测单元(7)中所包含的传感器采集塔机的各种工作 信息，并通过信息采集隔离整理单元(8)进行数据采集，然后送到主控单元(9) 中处理，后将数据存储到存储单元(10)中，并通过输出控制单元(11)输出 控制量对塔机进行反控制；主控单元(9)可将处理后的数据通过WiMAX通信单 元(13)传送到控制室侧控制台；塔机侧控制台还可通过显示单元(12)可扩 展的键盘显示接口实现采集数据的实时显示以及各种数据的录入。
3、 根据权利要求2所述的基于WiMAX的塔机自动安全监控系统，其特征在 于所述主控单元(9)使用PCI或PCIe或USB接口将数据送到WiMAX通信单元(13)上。
4、 根据权利要求l所述的基于WiMAX的塔机自动安全监控系统，其特征在 于塔机侧控制台和控制室侧控制台通过WiMAX通信单元形成信令交互，各种初 始化数据也可以经由WiMAX网络上传到塔机侧控制台。
专利摘要本实用新型公开了一种基于WiMAX的塔机自动安全监控系统，在传统塔机侧控制台上还设置WiMAX通信单元，用于塔机侧控制台与塔机侧控制台之间或控制室侧控制台之间的信息传送；控制室侧控制台包括WiMAX通信单元和上位机，对塔机侧控制台发出的实时信息进行接收和处理；经过开机初始化；塔机侧与控制室分别独立工作，塔机侧对塔机的工作状态信息进行采集，控制室处于开启等待接收；塔机侧控制台对采集的信息进行处理后，可对塔机进行反控制；控制室进行备份和信息实时显示。本实用新型具有覆盖广，数据量大，带来新的应用模式等优点，满足塔机安全监控系统可靠、稳定的要求，较适用于多塔机联合工作场合。
文档编号B66C13/18GK201222193SQ20082001264
公开日2009年4月15日 申请日期2008年5月9日 优先权日2008年5月9日
发明者爽 吴, 宋利民, 浩 李, 阳 李, 王旭东, 王立军, 魏玉玲 申请人:大连海事大学;锦州市现场心理、现场物证鉴定研究学会