基于ZigBee的電梯無線預警系統

刁 莎，常曉清，陸 瑢，劉鵬博，仇潤鶴

0 引言

隨著城市化進程加快，越來越多的高層建筑拔地而起，中國電梯市場已成為世界第一大電梯市場，隨之而來的電梯安全問題及一些電梯故障預警系統也備受關注。目前，國內外對于無線的電梯故障預警系統，大多是基于 GPRS/GSM網絡的電梯無線預警系統，監測系統通過GPRS網絡將數據傳往遠程數據中心。還有國內的一些電梯監測預警系統，可定制基于嵌入式芯片的電梯故障監測采集板，通過以太網或現場總線將現場數據接入監測中心。這種系統功耗大，布線麻煩，無法實現小區多樓多電梯監測；且在實際應用過程中，不同型號電梯控制接口不同，需采集的信號分布在轎廂、電梯控制機房、梯井等各個角落，需要繁瑣的布線，一些信號無法接入。國外的一些大型的電梯公司已研發出較成熟的電梯監測預警系統，由于針對性較強，成本過高，可擴展性小，很難在國內應用。

ZigBee技術是非贏利性組織ZigBee聯盟開發的，一套無線傳感器網絡協議和應用規范[1]，ZigBee網絡的主節點具有自動路由功能，可根據用戶實際需求自組網絡結構，每個獨立節點的插拔對整個網絡結構無影響。ZigBee的節點功耗低、數據傳輸速度快、可靠性高、成本低、體積小、移動方便，更加適合電梯監測這種分布式的多點的監測場合。

1 系統設計

1.1 系統結構

基于ZigBee 的電梯無線預警系統系統，是由小區電梯終端采集節點和遠程數據中心兩級結構組成，兩級結構之間通過ZigBee無線網絡傳輸數據進行通信，小區電梯終端采集節點采用特有的分布式結構，每個采集點相對獨立，由不同類型的ZigBee無線傳感器構成，分布于小區不同高樓不同電梯的電梯機房、電梯轎廂頂端、轎廂內等位置。ZigBee無線協調器將各個小區電梯終端采集節點通過ZigBee無線網絡傳來的電梯數據匯總并接入以太網。遠程數據中心的服務器解釋前端數據，根據國家質檢總局和國家標準委發布的《電梯技術條件》對電梯運行的各項指標作出的明確指示，預警電梯的各種故障或參數超標信息，及時通過人機友好界面提醒相關人員第一時間有針對性地排除電梯故障，保障人身財產安全，如圖1所示：

圖1 基于ZigBee 的電梯無線預警系統系統結構

1.2 系統設計

電梯無線預警系統需要大量ZigBee節點長時間不間斷地無線通信，須選用低成本、低功耗、可擴展性強的ZigBee模塊。本系統選用美國digi公司的Drop-In Networking開發套件搭建ZigBee無線網絡。ZigBee/802.15.4 無線網狀網關、適配器、模塊、擴展器和環境傳感器，以及基于無線的串行通訊和以太網通訊電纜替代設備，具備立即聯網功能，可用于沒有網絡基礎設施、使用有線網絡受到限制、布線困難或有成本限制的場合[2]。

小區電梯終端采集節點選用套件中的 XBee &XBee-PRO嵌入式無線模塊，其充分結合了易于使用的網狀網網絡和可全球部署的2.4GHz的收發器，簡化了網狀網網絡，同時提供了先進的網絡功能，具有路由器休眠模式和較高的網絡節點密度，網狀網可自愈和自動搜索，適合電梯現場長時間多點采集的需要。這些無線模塊分為不同類型，具有多種結構，如搭載傳感器的一體式ZigBee無線傳感模塊，帶有串口或以太網接口等多種接口類型的ZigBee無線數據傳輸模塊。因此小區電梯終端采集節點既可采用一體式的帶ZigBee無線通信功能的無線傳感器，也可采用傳統的檢測傳感裝置與ZigBee無線傳輸模塊接口的方式。本設計結合了以上方式，靈活設置采集節點，增強了系統的可擴展性。

ZigBee無線協調器置于遠程數據中心端，選用digi公司的ConnectPort X2可編程網關。該網關為ZigBee轉以太網/Wi-Fi網關，內帶NS7520 ARM7高性能微處理器，主頻為2.4GHz，運算速度快，8MB的RAM用于運行下載程序和存放動態數據，4MB的FLASH用于存儲功能，通訊速率最大可達11Mbps，帶回退算法，可滿足電梯實時預警的需求。可編程網關基于Python開發環境，可自動實現監控、報警通知和設備管理任務。網關接收來自小區電梯終端采集節點的無線數據并通過以太網接口傳入遠程數據中心。

遠程數據中心運用 C# 開發人機交互友好界面，無線協調器通過以太網與數據中心服務器進行網絡通信，使用TCP/IP協議建立SOCKET連接通信。

2 電梯終端檢測及無線傳感

2.1 檢測內容的選擇

本系統對電梯故障進行實時預警。終端檢測模塊負責電梯端各電梯性能及實時狀態的檢測。引起電梯出現故障的主要原因有[3]：

1) 斷相引起停梯。當三相電源出現斷相時，相序繼電器動作切斷安全回路，使電梯停止運行。

2) 門聯鎖不通而引起的故障。按電梯的設計要求，電梯的每一層廳門及轎門都要關閉之后電梯才能啟動運行(快車)，如果任意一層廳門或轎門沒有關閉電梯都不能運行。

3) 電梯機房溫度大大超過《電梯技術條件》規定，使電梯控制系統不能可靠地工作。或者因為電動機某個部位溫升超過銘牌數據，而導致曳引機無法正常工作。

4) 減速機滾動軸承運轉聲音異常。軸承發燙，噪聲大。

5) 舒適感問題。電梯是一種通過機械移動進行運載物體的設備，電梯轎廂在移動中由于各部件的運動而必然產生振動，這些振動必定對乘客的感覺產生影響，這就是所謂舒適感的問題[4]。

綜上，本文選擇曳引機的供電電壓、電流，機房溫度，開關門噪聲，機房噪聲，運行噪聲，電梯轎廂的溫度，振動，加速度等指標進行監測。

2.2 無線傳感器的設計

曳引機的供電電壓、電流檢測選用帶 UART串行傳輸接口的霍爾傳感器，放置于電梯機房。霍爾傳感器一端接入曳引機的供電線路，另一端連接同樣帶UART串口的XBee無線傳輸模塊。電壓電流信號被轉換為數字信號并通過無線傳輸模塊發送到ZigBee無線網絡中去，如此將傳統的傳感器改裝成為了無線傳感器。

同樣的，三3串口的無線傳輸模塊，分別放置在轎廂頂端、梯井以及機房。轎廂的震動以及加速度均選用加速度傳感器來測量，置于轎廂頂端。由于震動涉及乘客舒適感，因此選用靈敏度較為高的壓電加速度傳感器測量水平及垂直方向轎廂的震動，而對電梯垂直方向的加速度檢測，則選用測量范圍較大的加速度傳感器。

除了采用以上將傳統的檢測裝置與ZigBee無線傳輸模塊接口的方式制作無線傳感器，也可選用已有的帶 ZigBee無線通信功能的無線傳感器。置于轎廂內的溫度傳感器以及機房內的溫度傳感器均選用digi公司的Wall Router無線溫度傳感器，可以直接將環境的溫度轉換為無線信號發送到ZigBee無線網絡，其結構，如圖2所示：

圖2 Wall Router無線溫度傳感器內部結構示意圖

Wall Router無線溫度傳感器內部自帶處理器單元，內置溫度傳感器獲取環境溫度，輸出電壓信號經ADC轉換為數字信號輸入處理器單元，經過一系列濾波、矯正，傳入數據傳輸單元，數據傳輸單元再將數字信號轉為無線信號發送。

以上的各采集節點的檢測內容，選用的傳感器類型以及采集節點放置的地點歸納，如表1所示：

表1 傳感器選擇及分布表

3 ZigBee無線通信網絡

ZigBee無線通信網絡為本系統中支持數據遠距離無線傳輸以及實現多樓多電梯實時監測的核心。無線通信均采用digi公司的ZigBee無線通信產品，電梯現場的XBee無線節點構成網狀網結構，與位于遠程數據中心的ConnectPort X2可編程網關通過無線網絡交換數據。終端無線采集節點采用多跳及自組織的方式組網，無線協調器具有自動路由功能，節點間自然形成網狀網的無線網絡結構。所有的采集節點均相互獨立，節點間無須接線，接口多樣化，安裝簡單。

本著節能低耗的目的，選取兩種不同類型的XBee無線節點。線網絡結構示意圖，如圖3所示：

圖3 無線網絡結構示意圖

圖中1號樓與2號樓的電梯機房靠窗位置的無線節點（1號節點、2號節點）均選用 XBee-pro加強型無線收發器，其室內傳輸距離100米，室外傳輸距離可達1500米，無線接收靈敏度-100db，傳輸功率 100mW，適合樓與樓之間遠距離傳輸。其他節點則選用XBee普通型無線收發器。室內傳輸距離為30米，室外可達100米，無線接收靈敏度-92db，傳輸功率僅為 1mW，適合傳輸距離稍短、但對功耗要求較高的長時間監測場合。圖3中ConnectPort X2可編程網關的內核也有一顆XBee-pro加強型無線收發器，與1號節點直接通信，保證了信號的遠距離傳輸。

網狀網的網絡結構較為穩固，支持即插即拔，增加和刪減節點較為方便，不會對原有網絡產生影響[5]。在原本的節點傳輸能力不足或現場障礙物過多的場合，可根據實際情況增加路由節點，也可根據情況調整XBee-pro加強型無線收發器與XBee普通型無線收發器的布局。若隨著時間發展，一些采集項失去必要，也可根據需要刪減不必要的節點。

增加新節點的方法如下：一個新節點必須接收到網絡中節點發來的同步報文后才能加入網絡。一個循環休眠節點上電后會周期性發送廣播同步報文請求,然后按其SP值休眠。任何在網絡中的節點收到該請求都會響應一個同步報文。由于網絡可以擴展休眠時間，這樣的話就不能相應一個同步請求。在網絡休眠的時候同步一個新節點，可以在一個 sleep support節點范圍內上電新節點。Sleep support節點會一直保持喚醒并能立即響應同步請求。另一種方法是，網絡中的休眠節點可以通過commissioning按鈕喚醒。將新節點放置在休眠節點范圍內，然后通過按commissioning按鈕2秒鐘喚醒休眠節點。休眠節點保持喚醒30秒，并會響應同步請求。如果不用上述方法，那就必須等待網絡喚醒才能添加新節點。新節點應該放置在網絡范圍內,并且休眠周期要比網絡的喚醒周期更短。新節點會周期性的發送同步請求，直到網絡醒來并接收到一個同步報文。

4 測試及分析

設置 ConnectPort X2無線網關的 ip地址為192.168.18.1，數據中心的PC機通過以太網訪問網關，可搜索到整個無線網絡中的全部無線節點以及它們的 mac地址以及無線節點名稱，如圖4所示：

圖4 網關配置界面

本文選取溫度傳感器如圖4中的Wall Router采集到的實時數據進行分析。8：30-17：00每隔半小時取一組數據，得溫度變化，如圖5所示：

圖5 溫度曲線圖

采集到18個數據全部為有效數據，溫度符合秋季實際溫度情況，未出現數據丟失，說明無線通信暢通，網絡結構穩定。

5 總結

ZigBee聯盟開發了傳感網的網絡層協議棧，以及多個應用范圍，包括家庭控制、工業自動化、電器遙控、智能能源管理等。本文將ZigBee技術引入電梯無線預警，使電梯故障預警更加低功耗、低成本，更加便捷。可預警電梯機房溫度過高，門聯鎖不通，轎廂門異常開啟，梯門回路故障，電源故障，曳引機溫度超標，軸承噪聲過大，機房噪聲過大，轎廂加速度異常，減速機滾動軸承噪聲過大，三相電斷相停梯等故障。

[1]鐘永鋒，劉永俊.ZigBee無線傳感器網絡[M].北京：北京郵電大學出版社，2011.

[2]Digi International Inc. Drop-in networking professional development kit getting started guide,2008

[3]鄧君.基于 CAN 總線的電梯動態智能監測系統的研究[D].北京工業大學,2009

[4]陳亦森.電梯振動的檢測和分析.[J]電梯工業，2006，3：5-7

[5]Huiling Zhou, Fengying Zhang, Jingyun Liu, Fenghui Zhang. A real-time monitoring and controlling system for grain storage with ZigBee sensor network. [J]IEEE Proceedings of the 5th International Conference Sep. 2009,Beijing, China