基于WiFi的助力搬运车速度监控系统设计

引 言

随着经济发展，我国基础设施建设行业取得了较快发展建筑企业在施工过程中应将安全生产放在首位，但是当前建筑企业在施工过程中经常出现各种安全事故 [1]。在大型工程建筑工地，为降低工人的劳动强度，出现了多种电动或油动助力搬运车。这种助力搬运车可达到较高的运动速度，但高速时稳定性较差，一旦超速运行，极易造成生产事故，损坏工地设施，或对现场工作人员造成人身伤害。为降低事故发生概率，本文设计了一套对助力搬运车行驶速度进行监控的智能系统，在超速状态下，智能提示操作人员，并将超速异常事件通过 WiFi上传到服务器，从而实现对生产过程的安全监管

1 系统总体功能设计

系统总体功能示意图如图 1 所示。该系统主要由服务器WiFi 网络和客户端组成。在建设工地部署多个WiFi 热点建立基于 WiFi 的无线网络。服务器由一台计算机实现，与客户端通过WiFi 网络建立TCP 链接，完成通信。客户端安装在各个助力搬运车上，并集成了 WiFi 透传模块，可在工地任意位置与服务器通信，实时上传违规操作事件

2 客户端硬件组成及其功能

客户端主要包括单片机， 测速装置，WiFi 透传模块RFID 电路，实时时钟电路，超速报警电路等。

2.1 单片机

单片机是客户端的核心，是客户端功能的主要承载者。由于客户端属于车载模块，由电池供电，对功耗比较敏感，因此，本文采用ST公司生产的超低功耗单片机 STM8L151。同时，该单片机具有丰富的片上外设资源以及各种常用的标准通信接口，如 UART，SPI 等 [2]。单片机利用 WiFi 透传模块与服务器通信，利用 RFID 电路实现人员管理，利用测速装置对助力搬运车进行速度监控，利用实时时钟电路获取违规事件时间，并对违规事件进行报警提醒。

2.2 测速装置

测速装置由磁感应开关和磁铁构成。磁铁固定在车轮轮毂内侧，随车轮一起转动；磁感应开关固定在附近，不随车轮转动。车轮每转动一周，便会触发一次磁感应开关。根据车轮直径 d 和相邻两次触发的时间间隔 t 即可计算出助力搬运车运行的速度 v，如下式所示：

2.3 WiFi透传模块

WiFi 透传模块采用 ESP8266 WiFi 模块，其内部实现了TCP/IP 协议和 WiFi 物理层电路，空旷场地传输距离达 100 m WiFi 透传模块与单片机通过串口通信，由单片机对其进行配置，同时，单片机通过该模块与服务器通信

2.4 RFID电路

建筑工地工人数量较多，人员流动也较为频繁，因此需要灵活的人员管理系统。本文采用 RFID 技术实现对操作人员的管理。操作人员持有 RFID 卡，只有刷卡登录后，才能使用助力搬运车。操作人员离开时，再次刷卡，退出登录。因此，操作人员只要持有 RFID 卡，即可任意使用助力搬运车

RFID电路采用NXP公司生产的 RFID芯片 RC522，射频电路直接集成到客户端 PCB上，提高了系统的便携性和稳定性

2.5 其他

此外，客户端还集成了蜂鸣器作为报警电路以及实时时钟电路。当搬运车的车速接近速度阈值时，通过蜂鸣器报警提醒工人，可有效降低违规次数。实时时钟电路则为系统提供了相对准确的时钟

3 软件设计

3.1 服务器软件设计

服务器软件采用 C# 语言编程，基于.net 框架，一台普通Windows 计算机即可作为服务器。其主要功能包括监听和记录客户端上传的违规事件、管理人员信息、客户端时钟校准等

3.2 单片机软件设计

单片机作为客户端的核心，主要负责助力搬运车速度测量、人员管理、超速报警及违规事件上传，其软件流程如图 2 所示。其中，初始化过程包括单片机时钟，GPIO配置，对各外围电路配置，以及与服务器通过 WiFi建立网络连接

3.3 通信协议设计

单片机与服务器之间的通信采用透传方式。由于系统中存在诸多客户端和工人，为了便于服务器识别不同搬运车和工人，在应用层对报文格式进行了设计，如图 3 所示。其中，帧头为固定内容，设备 ID 是助力搬运车的编号，用户 ID 是工人的编号，数据内容是违规事件等信息，校验和是设备 ID、用户 ID 和数据内容的累加，用于识别错误报文。

4 结 语

本文设计了一套基于 WiFi 无线网络的智能监控系统，主要由服务器，WiFi 网络和客户端组成。客户端实时监控助力搬运车的运行速度，一旦发现超速，蜂鸣器向操作人员发出警报，并通过 WiFi 网络向服务器上传记录。系统不仅实现了超速警报、自动监控，而且节省了人力资源，并可显著减少建筑工地助力搬运车超速运行而造成的安全事故