基于WiFi的助力搬運車速度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

引 言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)取得了較快發(fā)展建筑企業(yè)在施工過程中應(yīng)將安全生產(chǎn)放在首位，但是當前建筑企業(yè)在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)各種安全事故 [1]。在大型工程建筑工地，為降低工人的勞動強度，出現(xiàn)了多種電動或油動助力搬運車。這種助力搬運車可達到較高的運動速度，但高速時穩(wěn)定性較差，一旦超速運行，極易造成生產(chǎn)事故，損壞工地設(shè)施，或?qū)ΜF(xiàn)場工作人員造成人身傷害。為降低事故發(fā)生概率，本文設(shè)計了一套對助力搬運車行駛速度進行監(jiān)控的智能系統(tǒng)，在超速狀態(tài)下，智能提示操作人員，并將超速異常事件通過 WiFi上傳到服務(wù)器，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的安全監(jiān)管

1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計

系統(tǒng)總體功能示意圖如圖 1 所示。該系統(tǒng)主要由服務(wù)器WiFi 網(wǎng)絡(luò)和客戶端組成。在建設(shè)工地部署多個WiFi 熱點建立基于 WiFi 的無線網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)器由一臺計算機實現(xiàn)，與客戶端通過WiFi 網(wǎng)絡(luò)建立TCP 鏈接，完成通信?？蛻舳税惭b在各個助力搬運車上，并集成了 WiFi 透傳模塊，可在工地任意位置與服務(wù)器通信，實時上傳違規(guī)操作事件

2 客戶端硬件組成及其功能

客戶端主要包括單片機， 測速裝置，WiFi 透傳模塊RFID 電路，實時時鐘電路，超速報警電路等。

2.1 單片機

單片機是客戶端的核心，是客戶端功能的主要承載者。由于客戶端屬于車載模塊，由電池供電，對功耗比較敏感，因此，本文采用ST公司生產(chǎn)的超低功耗單片機 STM8L151。同時，該單片機具有豐富的片上外設(shè)資源以及各種常用的標準通信接口，如 UART，SPI 等 [2]。單片機利用 WiFi 透傳模塊與服務(wù)器通信，利用 RFID 電路實現(xiàn)人員管理，利用測速裝置對助力搬運車進行速度監(jiān)控，利用實時時鐘電路獲取違規(guī)事件時間，并對違規(guī)事件進行報警提醒。

2.2 測速裝置

測速裝置由磁感應(yīng)開關(guān)和磁鐵構(gòu)成。磁鐵固定在車輪輪轂內(nèi)側(cè)，隨車輪一起轉(zhuǎn)動；磁感應(yīng)開關(guān)固定在附近，不隨車輪轉(zhuǎn)動。車輪每轉(zhuǎn)動一周，便會觸發(fā)一次磁感應(yīng)開關(guān)。根據(jù)車輪直徑 d 和相鄰兩次觸發(fā)的時間間隔 t 即可計算出助力搬運車運行的速度 v，如下式所示：

2.3 WiFi透傳模塊

WiFi 透傳模塊采用 ESP8266 WiFi 模塊，其內(nèi)部實現(xiàn)了TCP/IP 協(xié)議和 WiFi 物理層電路，空曠場地傳輸距離達 100 m WiFi 透傳模塊與單片機通過串口通信，由單片機對其進行配置，同時，單片機通過該模塊與服務(wù)器通信

2.4 RFID電路

建筑工地工人數(shù)量較多，人員流動也較為頻繁，因此需要靈活的人員管理系統(tǒng)。本文采用 RFID 技術(shù)實現(xiàn)對操作人員的管理。操作人員持有 RFID 卡，只有刷卡登錄后，才能使用助力搬運車。操作人員離開時，再次刷卡，退出登錄。因此，操作人員只要持有 RFID 卡，即可任意使用助力搬運車

RFID電路采用NXP公司生產(chǎn)的 RFID芯片 RC522，射頻電路直接集成到客戶端 PCB上，提高了系統(tǒng)的便攜性和穩(wěn)定性

2.5 其他

此外，客戶端還集成了蜂鳴器作為報警電路以及實時時鐘電路。當搬運車的車速接近速度閾值時，通過蜂鳴器報警提醒工人，可有效降低違規(guī)次數(shù)。實時時鐘電路則為系統(tǒng)提供了相對準確的時鐘

3 軟件設(shè)計

3.1 服務(wù)器軟件設(shè)計

服務(wù)器軟件采用 C# 語言編程，基于.net 框架，一臺普通Windows 計算機即可作為服務(wù)器。其主要功能包括監(jiān)聽和記錄客戶端上傳的違規(guī)事件、管理人員信息、客戶端時鐘校準等

3.2 單片機軟件設(shè)計

單片機作為客戶端的核心，主要負責助力搬運車速度測量、人員管理、超速報警及違規(guī)事件上傳，其軟件流程如圖 2 所示。其中，初始化過程包括單片機時鐘，GPIO配置，對各外圍電路配置，以及與服務(wù)器通過 WiFi建立網(wǎng)絡(luò)連接

3.3 通信協(xié)議設(shè)計

單片機與服務(wù)器之間的通信采用透傳方式。由于系統(tǒng)中存在諸多客戶端和工人，為了便于服務(wù)器識別不同搬運車和工人，在應(yīng)用層對報文格式進行了設(shè)計，如圖 3 所示。其中，幀頭為固定內(nèi)容，設(shè)備 ID 是助力搬運車的編號，用戶 ID 是工人的編號，數(shù)據(jù)內(nèi)容是違規(guī)事件等信息，校驗和是設(shè)備 ID、用戶 ID 和數(shù)據(jù)內(nèi)容的累加，用于識別錯誤報文。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一套基于 WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，主要由服務(wù)器，WiFi 網(wǎng)絡(luò)和客戶端組成?？蛻舳藢崟r監(jiān)控助力搬運車的運行速度，一旦發(fā)現(xiàn)超速，蜂鳴器向操作人員發(fā)出警報，并通過 WiFi 網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器上傳記錄。系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了超速警報、自動監(jiān)控，而且節(jié)省了人力資源，并可顯著減少建筑工地助力搬運車超速運行而造成的安全事故