ZigBee+3G網(wǎng)絡在新型井道式電梯監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

Application of ZigBee+3G Network in New Type

of Hoistway Elevator Monitoring System

閆學勤　謝麗蓉　程志江　陳志軍

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊　830047)

ZigBee+3G網(wǎng)絡在新型井道式電梯監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

Application of ZigBee+3G Network in New Type

of Hoistway Elevator Monitoring System

閆學勤謝麗蓉程志江陳志軍

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊830047)

摘要：針對井道式電梯布線困難、檢修維護以及人工成本較高的現(xiàn)狀，結(jié)合電梯易發(fā)故障的原因，將ZigBee技術(shù)和3G網(wǎng)絡應用于電梯監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡獲得電梯終端采集數(shù)據(jù)，解決了布線困難、費用高的問題，并以嵌入式芯片S3C2440A為主控模塊，設計實現(xiàn)了ZigBee模塊與3G模塊的通信，從而將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心以評判電梯工作狀態(tài)。系統(tǒng)整體方案設計合理，為井道式電梯故障診斷和健康狀態(tài)的分析提供了網(wǎng)絡化信息服務。

國家自然科學基金資助項目(編號：51264036)；

新疆維吾爾自治區(qū)教育廳高校科研計劃青年基金資助項目(編號：XJEDU2012S06)；

2013年新疆維吾爾自治區(qū)重點技術(shù)創(chuàng)新基金資助項目(編號：XJZDCX2013424)。

修改稿收到日期：2014-06-28。

第一作者閆學勤(1978-),女，現(xiàn)為新疆大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)在讀博士研究生，講師；主要從事智能控制系統(tǒng)應用及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面的研究。

關鍵詞：S3C2440AZigBee3G無線傳輸電梯遠程監(jiān)控

Abstract：In order to solve the difficulties of wiring, detection, maintenance and higher labor costs for hoistway elevators, the ZigBee technology and 3G network are applied in elevator monitoring system by considering the reasons prone to failures of elevators. The wiring and high costs problems are solved through capturing collected data of elevator terminal by ZigBee wireless sensor network. In addition, by adopting embedded chip S3C2440A main control module, the communication between ZigBee module and 3G module is implemented. The overall design strategy of the system is reasonable, it provides networked information services for fault diagnosis and health status analysis on hoistway elevators.

Keywords：S3C2440AZigBee3GWireless transmissionElevatorRemote monitoring

0引言

隨著城市化進程加快，我國已成為世界第一大電梯市場。伴隨著電梯老齡化和身邊電梯事故的頻繁發(fā)生，電梯安全運行問題及電梯故障預警系統(tǒng)的應用越來越得到社會的廣泛關注。雖然電梯維保單位會定期對電梯進行養(yǎng)護，但目前主要還是依靠被困人員、保安等現(xiàn)場人員來發(fā)現(xiàn)電梯故障。這往往導致救助不及時進而出現(xiàn)對被困人員的二次傷害，且由于乘客對故障描述不到位，影響故障的有效搶修。因此，研究開發(fā)電梯監(jiān)控系統(tǒng)是非常有現(xiàn)實意義的。

盡管國外電梯監(jiān)控系統(tǒng)可采用有線/無線等多種傳輸方式，但由于造價高、對象具體擴展性小，在國內(nèi)很難引入實際應用。國內(nèi)電梯監(jiān)控主要采用有線方式傳輸，由于所采集的電梯信號分布在轎廂、電梯機房、井道等各個角落，布線繁瑣，造成布線困難、部分信號無法獲取，增加了電梯控制的不可靠性。隨著電梯樓層的增加，轎廂隨行電纜長度也相應加長，制造成本加大。電梯長期高負荷使用后，隨行電纜易折損破壞，造成無法預知的安全問題[1]。

目前，國內(nèi)也有采用GPRS/GSM方式將數(shù)據(jù)傳送到管理系統(tǒng)中心，但系統(tǒng)功耗大，無法滿足大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫骩2]。鑒于ZigBee技術(shù)方便快捷、成本低且能解決布線問題和提高檢修人員排查故障效率，并結(jié)合3G網(wǎng)絡傳輸速度快的特點，本文提出了一種將ZigBee技術(shù)和3G網(wǎng)絡應用到新型井道式電梯監(jiān)控系統(tǒng)的方案，具有工程實際意義。

1系統(tǒng)總體方案設計

為了方便改造老舊電梯并保證電梯運行安全，本設計方案是獨立于原有電梯控制系統(tǒng)的。系統(tǒng)主要由傳感器終端節(jié)點、無線協(xié)調(diào)器節(jié)點和上位監(jiān)控中心三部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。傳感器終端節(jié)點主要是由分布在各電梯轎廂內(nèi)及轎頂上的傳感器節(jié)點構(gòu)成，負責監(jiān)控電梯運行參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡送到位于機房內(nèi)的無線協(xié)調(diào)器節(jié)點。無線協(xié)調(diào)器節(jié)點通過3G方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程監(jiān)測中心。監(jiān)測中心對獲得的電梯運行數(shù)據(jù)進行存儲、處理和顯示，并分析電梯是否處于健康運行狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)不在安全范圍內(nèi)，則會立即通知物業(yè)公司和電梯維保單位及時處理，預防危險事故發(fā)生。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)硬件設計

2.1　ZigBee模塊介紹

ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗、低成本的無線組網(wǎng)通信技術(shù)。該技術(shù)工作在2.4 GHz頻段，由于加入了免費授權(quán)，該頻段在任何地方使用都是免費的。

ZigBee網(wǎng)絡包含協(xié)調(diào)器、匯聚節(jié)點(路由器)和傳感器節(jié)點(終端設備)三種設備類型。在本系統(tǒng)中，傳感器采集終端節(jié)點屬于傳感器節(jié)點類型，無線網(wǎng)關節(jié)點屬于協(xié)調(diào)器類型。

系統(tǒng)所采用的ZigBee模塊是由TI公司生產(chǎn)的CC2530作為核心芯片，完成節(jié)點通信。CC2530芯片內(nèi)部集成高性能的8051 MCU和支持2.4 GHz IEEE 802.15.4射頻收發(fā)模塊，通過無線RF模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)；具有8 kB的RAM、256 kB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(xiàn)串口通信；具有8 路輸入配置，分辨率為12 位ADC，可通過A/D口采集電梯運行數(shù)據(jù)，并具有多種通信接口，滿足設計需要[3]。

2.2　傳感器采集終端節(jié)點設計

引起電梯發(fā)生事故的因素有很多，通過對大量電梯事故的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生事故的主要原因包括：制動器失效、振動和噪聲、超載保護裝置失效等。因此，考慮到電梯安全運行，本系統(tǒng)主要選擇的監(jiān)控傳輸參數(shù)包括轎廂速度、轎廂載重、門鎖開關感應、人體感應、振動信號、運行方向等。系統(tǒng)轎廂終端傳感器采集節(jié)點如圖2所示。在設計中，由于CC2530芯片性能滿足傳感器采集終端節(jié)點的設計要求，因此該節(jié)點采用CC2530芯片作為主控MCU，利用加速度傳感器采集電梯振動信號，稱重傳感器獲得轎廂載質(zhì)量，激光測距儀獲得電梯運行方向及速度等參數(shù)。同時，整合利用光電開關、紅外人體感應器及霍爾開關等信號，最終完成對電梯開關門信號、電梯沖頂/蹲底、電梯困人、運行超時等情況發(fā)生的判斷。當電梯發(fā)生突發(fā)情況時，為了能使乘客及時穩(wěn)定情緒，在設計上采用語音提示模塊ISD1760，對乘客給予操作指示及自我保護提示，盡量避免對乘客造成二次傷害[4-5]。此外，系統(tǒng)還加入報警提示及鍵盤交互，提高控制和配合效率。

圖2　轎廂終端傳感器采集節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

為了保證將電梯信號能夠可靠高效地傳輸?shù)綑C房內(nèi)的無線網(wǎng)關節(jié)點，系統(tǒng)在采集節(jié)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2.4 GHz、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+22 dBm的功率放大器以及可將接收機靈敏度提高+6 dBm的低噪聲放大器，其可將傳輸范圍從100 m擴展到1 000 m，從而擴大了ZigBee無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍。

2.3　無線協(xié)調(diào)器節(jié)點設計

無線協(xié)調(diào)器節(jié)點除了要完成與傳感器采集終端節(jié)點的通信之外，還要將獲得的數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡送達到監(jiān)控中心，或?qū)⒅行闹噶钕聜鞯浇K端節(jié)點，實現(xiàn)監(jiān)控中心與終端節(jié)點的無線通信。無線協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件包括ARM9主控模塊、CC2530芯片、3G模塊、LCD顯示以及傳感器檢測等部分，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　無線協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3中，溫度傳感器采集曳引機溫度，旋轉(zhuǎn)編碼器采集曳引機速度，并與所采集到的轎廂速度進行對比和判斷。

無線協(xié)調(diào)器節(jié)點采用的主控芯片是以ARM920T為內(nèi)核的S3C2440A芯片。芯片主頻為400 MHz，采用16/32位RISC指令集，集成了通用的串口控制器、USB主機接口與USB設備接口、A/D轉(zhuǎn)換器和GPIO等。在設計中，系統(tǒng)主控芯片S3C2440A通過SPI總線與CC2530相連接，通過ZigBee無線通信方式獲得傳感器采集節(jié)點上的電梯運行參數(shù)，并對接收到的數(shù)據(jù)進行綜合分析處理，根據(jù)編寫的內(nèi)部軟件傳達對終端節(jié)點的控制和操作[6-8]。同時，還將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)測中心，判斷電梯健康狀態(tài)。

無線協(xié)調(diào)器節(jié)點與遠程中心通信是利用3G模塊來完成實現(xiàn)的。本次采用的是華為公司的EM770W WCDMA模塊。該模塊提供通用Mini PCI Express接口，集成了全速USB2.0接口且內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧。系統(tǒng)主控模塊通過USB主機接口與3G無線網(wǎng)卡設備EM770W模塊相連用于數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)與遠程監(jiān)控中心的網(wǎng)絡連接。它的數(shù)據(jù)通信速度遠高于2G模式下的傳輸速率。使用3G模塊通信時最關鍵的設計是SIM卡的設計，它關系到通信是否正常及費用的扣取。在設計過程中，SIM卡座一般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[9]。SIM卡的CLK及I/O信號的走線需包地處理。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1　傳感器終端節(jié)點設計

傳感器終端節(jié)點是電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的重要機構(gòu)，它的核心任務是完成對電梯內(nèi)各個傳感器的信息采集，并實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡傳輸，接收控制中心節(jié)點的指令，對被控電梯進行操作。該節(jié)點主要是通過操作系統(tǒng)將傳感器驅(qū)動程序、執(zhí)行控制程序以及ZigBee協(xié)議棧結(jié)合起來有效合作，采用C語言編寫，實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點的加入以及數(shù)據(jù)和指令的傳輸[10]。在設計中，采用IAR Embedded Workbench for 8051構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡的軟件開發(fā)環(huán)境，采用TI公司推出的ZigBee協(xié)議棧2007版。

ZigBee協(xié)議棧運行在操作系統(tǒng)抽象層(operating system abstraction layer，OSAL)上，OSAL操作系統(tǒng)是按照任務調(diào)度機制來運行，因此只有觸發(fā)任務事件后才能實現(xiàn)任務調(diào)度。傳感器采集節(jié)點控制流程圖如圖4所示。

圖4　傳感器采集節(jié)點流程圖

部分程序代碼如下所示。

typedefACQU_ADDR unsigned short;

typedefACQU_DATA unsigned char;

void main()

{ InitialAD();

init_lcd();

init_zigbee();

ACQU_ADDR addr=anst[2];

ACQU_DATA set_paw(PSW_Pispar(data));

data=read(addr，MEM_INT_RAM);

write(A_ADDR,MEM_INT_RAM,data);

}

3.2　無線協(xié)調(diào)器節(jié)點與3G模塊通信設計

無線協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計主要包括作為協(xié)調(diào)器與采集節(jié)點的ZigBee模塊的通信和協(xié)調(diào)器與3G模塊的通信,以實現(xiàn)將數(shù)據(jù)上傳到Internet上。本文主要介紹協(xié)調(diào)器主控芯片與3G模塊的通信。

本節(jié)點主控芯片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(shù)配置，將數(shù)據(jù)接收方式設為主動上報方式。然后主控芯片通過USB接口向EM770W模塊發(fā)出AT指令，與目標上位機建立TCP/IP連接，實現(xiàn)利用帶寬碼分多扯(wideband code division multiple access，WCDMA)網(wǎng)絡與遠程監(jiān)控平臺進行數(shù)據(jù)傳輸，同時也接收遠程監(jiān)測中心發(fā)送過來的配置指令和控制指令，并按照控制指令控制無線節(jié)點。其協(xié)調(diào)器節(jié)點MCU程序流程圖如圖5所示。

圖5　協(xié)調(diào)器節(jié)點MCU程序流程圖

3.3　遠程監(jiān)控平臺設計

遠程監(jiān)控平臺主要負責完成對電梯采集數(shù)據(jù)的存儲、信息處理及預測故障分析。它采用B/S結(jié)構(gòu)，利用TCP/IP協(xié)議的Socket套接字規(guī)范和面向?qū)ο蟪绦蛟O計語言進行編寫。所有數(shù)據(jù)均存儲到服務器上，客戶端通過瀏覽器運行軟件訪問服務器上的數(shù)據(jù)。用戶通過用戶名和密碼進行權(quán)限認證成功后，就可查詢電梯系統(tǒng)的相關信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)。

軟件通過Internet網(wǎng)絡實現(xiàn)與無線網(wǎng)關的數(shù)據(jù)收發(fā)并對ZigBee網(wǎng)絡終端節(jié)點的狀態(tài)進行測試和控制。本文選取電梯稱重傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)進行分析，其曲線如圖6所示。

圖6　電梯稱重曲線圖

由圖6可以看出，稱重數(shù)據(jù)未超過最高限制要求，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)正常穩(wěn)定，無線通信運行順暢。

4結(jié)束語

鑒于ZigBee網(wǎng)絡的功能特點，本文提出將ZigBee無線傳感技術(shù)和3G網(wǎng)絡應用到井道式電梯監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對電梯運行參數(shù)的管理和分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果,及時進行故障預測分析和運行狀態(tài)監(jiān)測。該方案解決了電梯井道空間小、布線困難的問題，使電梯安全監(jiān)控更加低功耗、低成本，數(shù)據(jù)傳輸更可靠和便捷，提高了安監(jiān)效率，降低了電梯企業(yè)的人工和維護成本。該方式可推廣到智能家居、工業(yè)自動化等多個領域，具有良好的應用前景，對未來安全預警技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

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中圖分類號：TP277

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501001