基于云通信的门式起重机安全监测系统设计

摘要

在现代货物流通和工程建设领域中，门式起重机在港口码头等大型工业现场中应用广泛并日趋大型化和自动化，其性能参数和运行状态对于作业现场人身和财产安全意义重大，所以需要对门式起重机的性能参数和运行状态进行监测，保证工业现场的安全性。 本文设计了一种基于云通信的门式起重机安全监测系统，能够实时监测门式起重机的性能参数和运行状态，在门式起重机运行安全受到影响时及时发出报警信息，提示现场作业人员。此外，系统具有云通信功能，可与云服务器进行信息交换，便于远程监测。该系统包括以下三个部分： （1）参数及状态采集。此部分以FPGA为核心，FPGA通过风速传感器、倾角传感器、张力传感器等数字式传感器实时采集门式起重机的运行状态，通过信号采集电路实时采集由开关量信号和模拟量信号表征的门式起重机的各项性能参数，并通过继电器输出开关量信号，表征故障或超限的报警信息。 （2）数据核心处理。此部分以ARM处理器为核心，ARM处理器通过总线通信接口与进行数据采集的FPGA通信，接收门式起重机的实时参数及状态数据，并对这些数据进行相应处理和判断，如有信息被判断为故障或超过安全门限状态，则向相应继电器输出故障或超限的报警信息。此外，ARM处理器外扩授时与定位电路和数据存储电路，使系统能够记录门式起重机的位置信息和实时工作信息，并根据不同需求进行历史数据追溯。 （3）云通信网络。ARM处理器外接以太网通信电路，能够将门式起重机的位置信息和实时工作信息通过移动通信网络上传到远程云服务器，实现主控中心对各门式起重机作业现场的实时监测。 本系统采用ARM+FPGA架构模式，对门式起重机的参数和状态进行实时并行采集后进行处理、存储并上传，具有较好的实时性和稳定性。此外，用于进行开关量信号输入和输出以及模拟量信号输入的信号采集电路够进行级联扩展，根据实际需求来实现I/O通道数量的动态调整，灵活性高。系统样机已经制作并调试完成，经测试，各项性能均达到预期目标。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 起重机安全监测技术综述

（1）起重机安全监测技术发展过程

（2）起重机安全监测技术发展现状

（3）起重机安全监测技术发展趋势

1.3 论文研究内容及章节安排

（1）论文研究内容

（2）论文章节安排

2 系统总体设计方案

2.1 门式起重机概述

2.2 系统功能需求

2.3 系统总体设计方案

2.3.1 数据核心处理单元

2.3.2 信号采集与输出控制单元

2.3.3 云通信单元

3 系统硬件电路设计方案

3.1 硬件电路总体设计与功能描述

3.1.1 主机系统电路

3.1.2 I/O系统电路

3.2 主机系统硬件电路设计

3.2.1 主MCU及外围辅助电路

3.2.2 FPGA传感器数据采集

3.2.3 数据存储

3.2.4 授时与定位

3.2.5 云通信接口

3.2.6 电源电路

3.3 I/O系统硬件电路设计

3.3.1 从MCU及外围辅助电路

3.3.2 模拟量输入

3.3.3 开关量输入与输出

3.3.4 级联通信接口

3.3.5 电源电路

3.4 印刷电路板设计

4 系统软件设计方案

4.1 系统软件总体功能

4.2 主MCU工作流程

4.2.1 数据接收与发送

4.2.2 安全监测

4.2.3 授时与定位

4.2.4 云通信

4.3 FPGA传感器数据采集

4.4 时钟配置

4.5 从MCU工作流程

4.5.1 级联状态判断

4.5.2 级联通信

4.6 标定与测试GUI软件

4.6.1 GUI软件功能需求

4.6.2 GUI软件设计

5 系统性能测试

5.1 系统功耗测试

（2）系统在不同供电压下的功耗

5.2 系统实时性测试

5.2.1 主MCU与FPGA读写通信时间间隔测试

5.2.2 FPGA信号采集时间间隔测试

5.2.3 云通信数据上传时间间隔测试

5.2.4 I/O系统级联通信时间间隔测试

5.3 模拟量信号输入测试

5.4 继电器响应时间测试

5.5 监视定时器（看门狗）复位测试

5.6 测试结论

结论

参 考 文 献

附录A 系统印刷电路板布局

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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