基于無線傳感網絡的無機房電梯安監預警系統設計

閆學勤，陳志軍，謝麗蓉，程志江

（新疆大學 電氣工程學院，烏魯木齊 830047）

基于無線傳感網絡的無機房電梯安監預警系統設計

閆學勤，陳志軍，謝麗蓉，程志江

（新疆大學 電氣工程學院，烏魯木齊 830047）

0 引言

隨著堅固、耐用和高效的永磁同步曳引電機的成功開發，作為綠色電梯的代表，無機房電梯已成為建筑業電梯市場新的選擇，逐步受到人們的青睞。但伴隨著人們在享受無機房綠色電梯帶給我們便利的同時，隨之而來的電梯安全運行問題及電梯故障預警系統也受到了社會的廣泛關注。

雖然電梯維保單位會定期對電梯進行養護，但若電梯一旦發生故障還是會發生救助不及時進而出現二次傷害，且由于乘客對故障描述不到位，影響到故障的有效搶修。因此，研究開發電梯安監預警系統是非常有現實意義的。

目前，國內外對于無線方式下的電梯預警系統，主要是采用GPRS/GSM網絡方式來實現將數據送到管理系統中心。此外，還有一些系統是利用以太網或現場總線方式將現場采集數據送往數據中心。在實際應用中，針對不同型號的電梯會出現系統功耗大、布線繁瑣且一些信號無法接入等問題。盡管國外已有較為成熟的電梯故障監測系統，由于造價高、對象具體擴展性小，在國內很難引入實際應用。

本文面向實際應用提出了獨立于原有電梯控制系統的電梯安監預警系統方案，該方案通過對電梯各大部件重要運行參數進行全方位采集，以TI公司CC2530芯片為ZigBee網絡核心，并借助3G網絡，實現了對電梯運行參數的管理和分析，并根據數據結果及時進行故障預測報警和運行狀態監測，提高的安監效率，降低了電梯企業的人工和維護成本。

1 系統總體方案設計

本系統主要由傳感器終端采集節點、無線傳輸網關和遠程監控中心三部分組成。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

傳感器終端采集節點主要是由分布在各電梯轎廂內及轎頂上的傳感器節點構成，來負責監控電梯運行參數，并將采集到的數據通過ZigBee無線網絡送到網關節點。無線網關節點再通過3G方式發送到遠程監測中心。監測中心對獲得的電梯運行數據進行存儲、處理和顯示，并分析電梯是否處于健康運行狀態。如果數據不在安全范圍內，則會立即通知物業公司和電梯維保單位及時處理，預防危險事故發生，防患于未然。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器終端節點設計

通過對大量電梯事故調研，發現在電梯運行過程中產生事故的主要原因包括：1）制動器失效；2）振動和噪聲（電梯轎箱由于結構件相互作用、導向輪偏差、導軌不平或與轎箱固有頻率產生共振等因素）；3）超載保護裝置失效；4）溫度過高（同步曳引機溫度）；5）關門防夾裝置失效；6）限速器失效（曳引輪槽磨損）；7）開關門聯鎖不通等。因此考慮到電梯安全運行，在本系統中主要選擇的監控參數包括曳引機溫度、轎廂速度、門鎖開關感應、人體感應、振動信號和運行方向等。系統傳感器終端采集節點的硬件結構圖如圖2所示。

圖2 傳感器終端采集節點硬件結構圖

傳感器終端采集節點采用32位ARM處理器STM32f103作為主控器，采集安裝在轎頂的各種傳感器信號，并利用其串行外設接口SPI與無線設備CC2530實現數據傳輸和節點通信。CC2530芯片內部集成高性能的8051MCU和支持2.4GHz IEEE802.15.4射頻收發模塊，通過無線RF模塊完成數據收發；具有8kB的RAM、256kB程序存儲器和標準的UART和SPI，可以直接與其他終端設備實現串口通信。若電梯運行出現故障，主控MCU還通過語音提示芯片ISD1706為乘客提供自我保護和相關操作提示，并進行報警。此處CC2530作為終端設備來使用。在節點上還擴展了配合CC2530芯片的射頻前端芯片CC2591。CC2591是TI公司推出的工作頻率為2.4GHz，面向低功耗與低電壓無線應用，集成度很高的射頻前端芯片。CC2591集成了可將輸出功率提高+22dBm的功率放大器以及可將接收機靈敏度提高+6dBm的低噪聲放大器，從而擴大了ZigBee無線網絡的覆蓋范圍。

2.2 無線傳輸網關設計

無線傳輸網關硬件由CC2530芯片、ARM9主控模塊、LCD顯示、3G模塊及電源模塊等部分組成，其硬件結構如圖3所示。在設計中選用以ARM920T為內核的S3C2440A作為系統控制核心，CC2530模塊通過SPI總線接入主控模塊芯片S3C2440A中進行數據傳輸，而主控模塊通過USB接口與3G模塊通信，實現與遠程監控中心的Internet鏈接。圖4所示為ZigBee無線收發芯片與主控模塊連接圖。

圖3 無線傳輸網關硬件結構圖

圖4 ZigBee無線收發模塊

本系統主控模塊采用的S3C2440A芯片主頻是400MHz，采用16/32位RISC指令集，集成了通用的串口控制器、USB主機接口、USB設備接口、A/D轉換器和GPIO等。其外圍硬件接口還包括64MB的SDRAM，以及SD接口和LCD屏。主控模塊主要完成對傳感器終端節點發送來的電梯運行參數進行綜合分析處理，并根據編寫的內部軟件來傳達對終端節點的控制和操作。同時，還將數據傳輸到遠程監測中心，判斷電梯健康狀態。

3G模塊采用華為公司的EM770W WCDMA模塊。該模塊提供通用Mini PCI Express接口，并集成了全速USB2.0接口并且內置了TCP/IP協議棧。系統主控模塊通過USB主機接口與3G無線網卡設備EM770W模塊相連用于數據傳輸。它的數據通信速度遠高于2G模式下的傳輸速率。

對于3G模塊的外圍電路設計中，最關鍵的是SIM卡電路設計。如圖5所示，SIM卡接口速率典型值在3.25 MHz左右，因此USIM卡座應該距離模塊接口較近的位置，避免因走線過長，使波形嚴重變形，從而影響信號的通信。USIM-CLK和USIM-I/0信號的走線需包地處理。

圖5 USIM卡接口電路示意圖

3 系統軟件設計

3.1 傳感器終端節點設計

傳感器終端節點的軟件功能主要是完成電梯數據的采集處理和ZigBee網絡傳輸。其主要是通過操作系統將傳感器驅動程序、執行控制程序以及ZigBee協議棧結合起來有效合作，采用C語言編寫。在設計中，采用IAR Embedded Workbench for 8051來構建ZigBee網絡的軟件開發環境，采用TI公司推出的ZigBee協議棧2007版。ZigBee協議棧運行在OSAL（操作系統抽象層)操作系統上，該操作系統是按照任務調度機制來運行，因此只有對任務的事件觸發后來實現任務調度。

3.2 無線傳輸網關設計

3.2.1 與ZigBee模塊通信的程序設計

ZigBee模塊與主控模塊芯片S3C2440A是通過SPI總線進行數據傳輸。主要是將遠程監控平臺的命令通過ZigBee網絡發送到各個子節點，以便對各子節點進行管理。同時，還根據各節點的情況，將收到的各節點信息傳輸到監控中心來保存和數據分析處理。網關節點根據數據幀中的節點地址就可進行相應的數據處理。其流程圖如圖6所示。

switch(node IP){

圖6 網關ZigBee協調器節點流程圖

3.2.2 與3G模塊通信的程序設計

本系統主控芯片S3C2440A采用USB主機方式與從機EM770W進行通信。首先對EM770W模塊進行參數配置，將數據接收方式設為主動上報方式。然后主控芯片通過USB接口箱3G模塊（EM770W）發出AT指令，并利用WCDMA網絡與遠程監控平臺進行數據傳輸。其嵌入式無線網關MCU流程圖如圖7所示。

圖7 嵌入式無線網關MCU程序流程圖

3.3 遠程監控平臺軟件設計

電梯安全遠程監測管理平臺是通過利用LabVIEW軟件，來負責完成對采集數據的存儲和信息處理。根據對所獲得的實時數據分析，并依據訓練好的模型來判斷，從而提高系統的收斂速度和精度，增強判斷電梯安全運行狀態的可靠性。為用戶更好地判斷電梯的工作性能提供分析和決策依據。

4 運行結果與分析

系統將無線網關的IP地址設置為192.168.16.1，監控平臺可通過以太網訪問網關，搜索到整個無線網絡中的無線節點以及他們的MAC地址和節點名稱，并將所獲得的各節點上采集數據顯示并存儲分析，判斷電梯的健康狀態。其監控平臺界面如圖8所示。

圖8 系統監控平臺

5 結束語

鑒于ZigBee無線傳感網絡具有節點體積小，無需布線，方便快捷、支持多址接收和自主網等功能，比較適合在電梯等要求運行空間小、布線復雜且需要全方位采集多數據的對象上使用。本文將ZigBee網絡引入無機房電梯安監預警系統中，可較好的預測門聯鎖不通，曳引機溫度過高，轎廂振動情況，轎廂門及廳門故障，三相電斷相停梯等故障。該方式可推廣到家庭控制、工業自動化等多個領域去使用，只要能結合實際情況量身定制，具有良好的應用前景，對未來安監技術的發展具有重要價值。

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Machine-room-less elevator safety early warning system based on WSN

YAN Xue-qin, CHEN Zhi-jun, XIE Li-rong, CHENG Zhi-jiang

針對無機房電梯檢修維護困難以及人工成本較高的現狀，根據無機房電梯測試環境特點和要求，設計了基于ZigBee無線傳感器網絡（wSN）和3G（wCDMA）網絡的電梯無線安監預警系統。系統由傳感器終端節點、無線網關和遠程監控中心三部分組成。詳細介紹了電梯無線終端采集節點以及以嵌入式芯片S3C2440A為主控模塊來實現ZigBee模塊與3G模塊EM770w通信的網關軟硬件設計方法。系統可以解決目前無機房電梯遠程監控系統存在的布線費用高、維護困難、信息傳輸不暢，故障解決不及時等問題，從而為無機房電梯故障診斷和健康狀態的分析提供網絡化信息服務。

無機房電梯；ARM9；CC2530；3G；安監預警

閆學勤（1978 -），女，新疆吉木薩爾人，講師，主要從事智能控制系統及應用方面的研究。

TP277

A

1009-0134(2014)05(下)-0146-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).42

2014-02-27

新疆維吾爾自治區教育廳高校科研計劃青年基金項目（XJEDU2012S06）；國家自然科學基金項目（51264036)；2013年自治區重點技術創新項目：帶超級電容的群控電梯能量饋網裝置的中試