基于CC2530的電梯速度及機房溫度監測系統的設計

李 文 李 炎

（1.安徽機電職業技術學院，安徽 蕪湖241000；2.蕪湖市特種設備監督檢驗中心，安徽 蕪湖241000）

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，電梯作為高層建筑的重要設備為人們所熟悉，尤其是近年來在經濟發展的刺激下，電梯數量更是激增。在安裝和使用電梯時，許多建筑為了減少公攤、降低能耗，往往都采用小機房，在這樣的情況下，機房溫度往往非常高，在炎熱的夏天甚至能超過40℃。然而，根據GB7588—2003的要求，電梯運行溫度為5～40℃，這就是說，小機房電梯無法在正常狀態下運行，久而久之會引起許多部件的老化，甚至會直接引起主板和變頻器故障，帶來許多很難查找的軟故障。因此，電梯機房溫度成為電梯故障檢測的關鍵。本文將設計一套系統，基于ZigBee、加速度傳感器和溫濕度傳感器實現對機房溫度的即時檢測和實時監控。

1 電梯速度及機房溫度監測系統

1.1 ZigBee技術

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的無線通信技術，其包括應用層、ZigBee平臺通信棧和硬件實現3個層次，主要特性是功耗低、成本低、可靠性高、容量大、時延小、安全性好、有效范圍小、兼容性高。主要應用于短距離、低速率、抗干擾能力強、不易進行繁瑣布線且需要長時間對某項數據進行監控的場合。

1.2 監測系統組成

系統由終端設備、路由器、協調器、監控平臺構成，路由器和終端設備分別安放在不同電梯的機房，用以采集電梯機房的溫度，并進行相關的預處理和發送工作。路由器將采集和預處理的數據傳到協調器上，協調器再通過RS485將相應數據傳給上位機，由上位機完成對所采集的數據的最終監控和處理，并提供監控和報警功能。系統總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

2 監控節點硬件設計

2.1 監控節點結構

電梯機房溫度通過DHT11進行實時采樣，電梯速度通過ADXL345進行實時采樣，并對采集到的溫度、速度進行初步處理，將處理后的信號傳至協調器，再通過路由器轉發經過初步處理的數據。監控節點由CC2530、DHT11、ADXL345和電源模塊構成，硬件結構如圖2所示。

圖2 監控節點結構圖

2.2 主控芯片

CC2530是基于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和 RF4CE的一個片上系統解決方案，其硬件價格便宜，軟件實現也很簡單。由于研發和生產成本較低，特別適用于需要多節點、易組網、可靠性高的場合。CC2530采用標準的增強型8051CPU，具有可編程閃存、8kB的RAM等其他強大功能，并配備了具備抗干擾性能的2.4GHz RF收發器。CC2530有4種不同的閃 存 版 本：CC2530F32／64／128／256，分 別 具 有 32／64／128／256kB的閃存。CC2530具有多種運行模式，不同模式之間轉換快速，特別適用于要求超低功耗的系統。

2.3 溫濕度檢測模塊

監控節點中采用DHT11采集溫度，其與MCU采用串口連接，使用單總線數據格式。向MCU傳送的數據分為小數部分和整數部分（當前小數部分讀為0，以備后用），完整的數據傳輸為40位（高位先出）：第1～8位輸出濕度的整數部分，第9～16位為濕度的小數部分，第17～24位為溫度的整數部分，第25～32位為溫度的小數部分，第33～40位為前面4個部分相加所得結果的最后8位。具體工作方式：主機向DHT11發送一次請求響應的信號，當DHT11接收到這個信號以后向主機發送一次響應信號，然后將40位數據一起發出，緊接著進行一次數據采樣。DHT11只能由主機開始信號觸發才能開始工作。當主機發出開始信號后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。我們要做的是：（1）主機將總線拉低，持續18ms后再拉高。（2）等待DHT11的響應信號。（3）延時后開始讀取數據。（4）處理數據。本設計將DHT11的1pin接3.3V電源，4pin接地，2pin接CC2530的P0＿0，如圖3所示。

圖3 DHT11連接示意圖

2.4 速度檢測模塊

監控節點中的速度檢測模塊采用ADXL345，它采用3V電池供電，可連接到使用I2C數字通信協議的處理器。將ADXL345的CS引腳連接到板上的VS，就可選擇I2C模式了。SDA和SCL分別為I2C總線的數據和時鐘引腳，將VDD連接到電源模塊輸出的3V電壓，將3個GND引腳接地，把ADXL345的SDO連接到CC2530的P1＿0引腳。將ADXL345的INT1和INT2連接到CC2530的IEN0和IEN1，以產生中斷信號。

2.5 射頻模塊

考慮到傳輸距離，為盡量減少傳輸中丟幀，通過比較射頻模塊設計時應選用鞭狀天線。CC2530模塊采用SMT工藝批量生產，可靠性高，模塊工作在2.4GHz頻段，需要一個平衡—不平衡變換器?？紤]到安裝和使用方便，需盡量減小模塊體積。在射頻部分布線時，將外圍器件緊密地分布在CC2530周圍，以盡可能降低串攏和分布參數的影響。為減少電磁干擾，提高抗干擾能力，CC2530暴露的襯墊要可靠接地。

2.6 電源模塊

電源模塊采用兩片深圳市弘毅電子DC－DC升壓模塊，工作頻率為1.2MHz，效率高于95%，使用一個板載的電位器來調整電壓大小。整個電源板體積小，輸入和輸出端采用焊線的方式連接。為使輸出的波形保持為低紋波，采用多個TDK大容量陶瓷電容并聯進行濾波。全磁屏蔽電感設計，無輻射。Vin＋輸入正，Vin－輸入負，Vout＋輸出正，Vout－輸出負。其中一片可輸出3.3V電壓為CC2530和DHT11供電，另一片可輸出3V電壓為ADXL345供電（圖4）。

圖4 系統硬件示意圖

3 系統軟件設計

系統軟件設計采用TI公司免費提供的Z－Stack，它是與CC2530射頻芯片配套的ZigBee協議棧。使用瑞典公司IAR開發的軟件來開發具體的應用程序，其核心思想是提供一個OSAL的協議棧調度程序。用戶無法知道ZigBee協議棧的具體細節，在進行應用開發時調用API可實現ZigBee協議棧各層的相應任務。

軟件處理流程如圖5所示。ZigBee協調器是整個網絡的“大腦”，主要功能是管理網絡節點及儲存節點信息。它也是網絡的第一個設備，當節點請求加入網絡時，協調器負責選擇一個信道和一個網絡ID建立通信鏈路及路由，并完成數據包的發送。ZigBee協調器完成網絡的啟動和配置后，數據采集設備通過路由器加入網絡，建立通信鏈接，采樣到數據后處理，并通過路由器進行數據匯集和轉發，被協調器接收后將按照網絡地址儲存。通過程序處理后，再通過RS485接口將數據發送至監控平臺。溫度、速度路由節點的采樣流程如圖6所示。

圖5 系統軟件示意圖

圖6 路由器節點采樣示意圖

4 性能測試

系統在某小區應用，我們選取該小區其中3臺電梯的機房進行測試，這些電梯都屬于小機房電梯，機房面積僅為普通機房的1／3，同時，由于通風狀態不是非常好，造成夏天的時候機房溫度往往高于40℃。測試中，在每個機房中各放置一個溫度檢測節點，協調器通過RS485接口與監控平臺通信。表1為某一電梯機房內溫度33.6℃時傳輸到上位機的測量值與實際測得值的比較，其中傳輸到上位機的測量值是通過溫濕度傳感器測量出來的，實際測得值是通過經過檢定的溫濕度計讀出的。數據表明溫度誤差值最大為0.3℃，經過分析，誤差原因是傳感器的測量精度比經過檢定的溫濕度計差，因而是完全可以滿足使用要求的。

表1 系統性能測試結果

5 結語

該系統通過終端設備進行機房溫度采集，再匯聚到路由器，然后通過路由器發送至協調器，最后通過RS485傳輸給上位機，從而完成整個監控過程。其中，終端設備采用CC2530為核心，由DHT11、ADXL345采集數據，這樣的組合結構簡單、傳輸效率高、檢測精度高、可靠性強，且檢測節點的功耗很低，便于長期對機房溫度進行全方位監控。同時，由于免除了布線的繁瑣，安裝難度大大降低，這就大大增強了這一系統的通用性和實用性，使之便于廣泛推廣應用。

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