基于ZigBee電梯無線轎廂通信的實時性優化策略

馬　納　趙國軍

(浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室　浙江 杭州 310014)

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基于ZigBee電梯無線轎廂通信的實時性優化策略

馬納趙國軍

(浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室浙江 杭州 310014)

摘要針對采用數據透明傳輸的ZigBee電梯無線轎廂通信存在信息傳輸滯后、通信效率較低的缺點，闡述三種常用ZigBee協議棧并分析轎廂通信原理。以Stm32W108芯片為核心的ZigBee無線模塊作為應用平臺，提出一種無線轎廂通信的實時性軟件優化策略。該策略通過電梯主控制器端的無線模塊通過串口端、無線端分別收集詢問幀及應答幀，并由其在規定時間內回復電梯主控制器信息，以滿足轎廂通信的時間要求，最后提出相關軟件的流程設計。經實驗表明，該優化策略能滿足系統的實時性要求，無線轎廂通信系統的有效通信距離能夠達到165 m，滿足一般高層建筑的無線轎廂通信的距離要求。

關鍵詞ZigBee時序實時性

0引言

目前，ZigBee無線技術作為一種低功耗、低成本、易應用的新興無線通信技術被廣泛應用于智能家居、工業控制等領域。ZigBee設備的有效通信距離可達1～3 km，其最大通信速率可達為250 kps[1]。因此ZigBee無線通信能夠很好地滿足電梯轎廂通信的通信距離以及通信速率的要求，這為實現電梯無線轎廂通信提供了可能。許多應用場合常采用ZigBee的數據透明傳輸模塊實現有線通信系統的無線化，即由無線通信模塊轉發來自串口端的數據以及無線端的數據，對原有的通信設備無須作任何改變。但在無線轎廂通信的應用中，采用透明傳輸的無線轎廂通信不僅無法滿足通信的實時性要求，而且降低了通信效率。

針對上述問題，本文基于STM32W108控制器為核心ZigBee無線模塊，提出一種無線轎廂通信的實時性優化策略，解決轎廂通信的實時性問題，并能兼容原有的轎廂通信系統。

1ZigBee協議棧分析

STM32W108控制器具有3種協議棧，分別是Simple MAC協議棧、ZigBee Pro協議棧、RF4CE協議棧。其中Simple MAC協議棧適用于小型無線局域網，其應用層可直接訪問介質訪問控制層(即MAC層)控制物理層，可控制無線數據的收發，通信效率高，時延短；ZigBee Pro協議棧能夠很好的支持大規模網絡，如智能家居、電網監測等網絡，但ZigBee Pro協議棧采用隨機尋址，需要花費較多的時間來解決地址沖突，無法較好地完成實時的業務；RF4CE協議棧面向消費類電子產品的無線遙控設備，但是其應用層需要通過網絡層間接地訪問MAC層，所需無線數據收發處理時間較長[2-4]。

圖1　Simple MAC協議棧軟件層次

由于電梯的轎廂通信系統為點對點主從通信系統，無需組建局域網絡且對通信時間要求較高，因此無線轎廂通信系統采用SimpleMac協議棧。其軟件層次如圖1所示，其中網絡層和SimpleMAC的標準函數庫已經由芯片廠家固化在芯片內部。MAC層和物理層使用IEEE802.10.4協議。用戶只需使用廠家提供的標準庫函數進行相關應用的開發。所有通過ZigBee設備進行無線通信的數據幀必須按照MAC數據幀格式收發數據，MAC數據幀的結構體packet_mac定義如下[5]：

Struct packet_mac {

U_int length ;

//數據包長度

U_char fcf;

//fcf幀低字節

U_char fcf;

//fcf幀高字節

U_char seq;

//幀序列號

U_ char dst_panl;

//目的PAN地址低字節

U_ char dst_panh;

//目的PAN地址高字節

U_ char dst_addrl;

//目的短地址低字節

U_ char dst_addrl;

//目的短地址高字節

U_ char *dat;

//有效數據

};

2轎廂通信協議分析

基于BP304電梯主控制器的轎廂通信，主要功能是轎廂控制器(CSLP)將采樣到的輸入信號反饋至電梯主控制器，并由電梯主控制器控制轎廂上的輸出信號[6]；CSLP上的輸入輸出信號主要包括開門信號、關門信號、內呼信號、到站鐘信號等等。圖2展示了BP304轎廂通信時序。

圖2　BP304轎廂通信時序

在一個通信周期Tc內，轎廂通信系統需要完成3組通信幀；電梯主控制器在規定時刻輪流發送3幀詢問幀；轎廂控制器在完成一幀詢問幀接收后的ts內必須回復相應的應答幀至電梯主控制器且在回復應答幀后等待時間tq將收到下一幀詢問幀數據。 其中ts、tq、Tc分別需滿足ts≤3ms、tq=4ms、Tc=40ms。

3無線轎廂通信時序具體實現

3.1無線轎廂通信時序初始方案

無線轎廂通信系統(如圖3所示)的初始方案采用數據透明傳輸的方式進行通信，即電梯主控制器端的無線模塊A將從串口處接收到數據幀按照Simple MAC的數據格式進行打包，并啟動無線發送功能；無線模塊B把來自無線模塊A的無線數據包進行解包得到轎廂通信的詢問幀，并將其通過串口發送至CSLP；而CLSP回復應答幀的傳輸過程與詢問幀傳輸過程相反。然而在實際現場測試時，上述無線通信方案存在著以下問題：通信的實時性較差，降低了系統運行的效率。通過示波器測試發現(如圖4所示)，電梯主控制器在完成詢問幀發送后12 ms左右才能接收到來自CSLP回復的應答幀數據，因此無法滿足系統通信的時間要求。

圖3無線轎廂通信系統結構

圖4　采用數據透明傳輸的無線轎廂通信波形

3.2無線轎廂通信時序優化策略

為了滿足轎廂通信系統的時間要求，本文提出以下軟件優化策略：電梯主控制器端的無線模塊A建立詢問幀存儲區Mbuf以及應答幀存儲區Sbuf；當無線模塊A通過串口接收到詢問幀后，將數據幀存儲至Mbuf，然后在應答幀存儲區Sbuf內搜索到相應的應答幀數據并在規定時間內回復電梯主控制器；無線模塊A通過無線功能與轎廂控制器CSLP進行無線通信。具體通信過程如下：在一個無線通信周期TW內，由無線模塊A分時發送存儲在Mbuf內的三幀詢問幀數據，而無線模塊B負責將來自無線模塊A的詢問幀轉發給CLSP并將其返回的應答幀數據上傳至無線模塊A處，而無線模塊A收到應答幀后將其存儲至Sbuf。系統通過合理安排無線通信的時序，可使得TW=Tc。無線轎廂通信的優化時序如圖5所示。

圖5　無線轎廂通信系統優化時序

系統上電后電梯主控制器端的串口通信的第一個周期Tc 1內，無線模塊A接收到詢問幀后，將其存儲至Mbuf處，然后將詢問幀通過無線端發送至CSLP處。由于此時Sbuf內不存在應答幀數據，故在通信周期Tc 1內無線模塊A無法回復電梯主控制器相應的信息。又由于TW=Tc，這樣使得第二個通信周期Tc2內，無線模塊A將有應答幀數據回復電梯主控制器，且應答幀為上一個通信周期Tc1內詢問幀的應答幀數據。由上述可知，電梯主控制器實際得到的應答幀數據將滯后時間TW，這樣就導致轎廂通信傳輸的信號將延遲TW，即40 ms。但由于轎廂通信主要用來傳輸轎廂開門信號、關門到位信號、內呼輸入輸出信號等，電梯系統對這些信號的時間要求在200 ms左右，故信號傳輸滯后并不影響電梯系統的性能。至此無線轎廂通信系統的時序要求理論上得到解決。

4無線轎廂通信軟件設計

圖6　系統主程序處理流程

無線模塊A的主程序流程如圖6所示。其中無線發送時序管理函數將分時向CSLP發送無線詢問幀數據，串口發送管理函數則是在接收到一幀詢問幀數據后的ts內回復相應的應答幀數據；系統可通過Stm32W108內部固化的回調函數ST_RadioReceiveIsrCallback讀取無線數據。下面將著重闡述串口通信接收的軟件設計及其軟件優化方法。

無線通信模塊A采用串口中斷的方式接收數據。通過分析轎廂通信數據幀發現：一幀數據幀的首字節為固定數據0x7E且第二個字節為數據幀的字節長度Len。因此系統以接收到0x7E作為接收一幀數據幀的起始時刻，并以接收到的數據字節長度等于Len作為一幀數據接收的結束時刻。完成一幀數據接收后，系統須驗證數據幀的正確性。圖7為串口接收中斷處理流程。

圖7　串口接收流程

由于通信過程中存在數據丟失的可能性，就會直接導致通信出錯。因此為了提高通信幀數據的完整性與正確性，系統軟件使用以下方法對數據丟失的情況進行處理：

接收一個字節所需時間[7]：

T=(Stbit+Dabit+SpBit)/Baud

(1)

圖8　定時器中斷處理流程

式中，Stbit、Dabit、Spbit分別為一個數據字節的起始位、數據位、停止位；Baud為傳輸波特率，T為串口接收一個字節所需時間。串口通信參數設置如下：Stbit=1位、Dtbit=8位、Spbit=8位、Baud=38 400 kps，將其代入式(1)中可知T=260 us。由于通信時數據發送是連續的，可知串口所接收數據字節之間的理論時間間隔Ti=260 us，因此可以認為：若Ti>260 us，通信幀數據丟失。為此系統軟件中增加一個軟件看門狗計數器WtCounter，每接收到一個字節的串口數據復位WtCounter，即WtCounter=0。同時在定時器中斷程序中對WtCounter進行加1計數，一旦監控WtCounter>=Tcounter，即可認為接收數據丟失，清零接收計數器RxCounter并清空接收緩存，等待接收新的數據幀。考慮到系統運行時處理其他事件的時間，同時為了提高系統的容錯性，使得Tcounter=2且定時器中斷時間Tcycle=260 us。軟件看門狗WtCounter的處理流程如圖8所示。

5實驗測試

為了驗證無線轎廂通信的實時性軟件優化策略的正確性，搭建實驗平臺(如圖9所示),1是BP304電梯主控制器，2是無線通信模塊B，3是CSLP轎廂控制器，4是棒狀天線，5是無線模塊A。無線模塊采用REX3SP型ZigBee無線模塊，其主控核心為ARM Cortex-M3內核的STM32W108芯片。無線模塊的接收靈敏度為-104 dBm，發射最大功率為+23 dBm，天線增益為2 dBi[8]。由于無線轎廂通信系統的使用環境為電梯井道且通信距離會直接影響到通信速率和信號，為了能模擬井道中空曠環境，因此本次實驗選擇在浙江工業大學學校操場上進行通信測試。若實驗過程中BP304電梯主控制器端的轎廂通信出現通信延遲或者其他錯誤，將在其液晶顯示屏上報告轎廂通信故障。

圖9　無線轎廂通信系統實驗平臺

經實驗測試，電梯主控制器端一次串口通信波形如圖10所示。電梯主控制器發送完一幀詢問幀后將在1 ms內收到相應的應答幀數據；通信過程中電梯主控制器未報告轎廂通信故障(通信波形如圖11所示)，說明電梯主控制器都能在規定時間內收到應答幀數據，滿足轎廂通信系統的時間要求；系統通信有

效通信距離為165 m，目前國內一般高層建筑在100米以內，故無線轎廂通信系統的有效通信距離能夠滿足實際要求[9]。

圖10　一次無線轎廂通信電梯控制系統端通信波形　　　圖11　無線轎廂通信電梯控制系統端通信波形

6結語

本文在對SimpleMAC協議以及轎廂通信的原理分析的基礎上，重點闡述了改善無線轎廂通信效率的軟件解決方案。針對相關軟件提出了軟件優化方法，提高了系統通信的魯棒性。經實驗表明，該實時性優化策略能夠提高無線轎廂通信的效率，符合系統的時間要求。實驗所測得的系統有效通信距離為165 m，但根據自由空間傳播模型的定義，可選用較大增益的天線來增大系統的通信距離，這樣就可以滿足超高層建筑的使用要求[10]。目前國內電梯控制領域尚無ZigBee技術相關的應用，但是ZigBee技術在電梯控制領域具有廣泛的應用前景。例如電梯外呼控制系統、電梯遠程監控系統、電梯群控系統等都可采用ZigBee進行信息傳輸，這樣將大大降低電梯系統的材料成本、安裝成本以及故障排查的難度[11]。

參考文獻

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[11] 段登,邱意敏,周力.基于ZigBee技術+3G網絡的多電梯遠程監控系統[J].計算機系統應用,2011,2(3):185-189.

OPTIMISATION STRATEGY FOR WIRELESS ELEVATOR CAR COMMUNICATION WITH REAL-TIME PROPERTY BASED ON ZIGBEE

Ma NaZhao Guojun

(KeyLaboratoryofSpecialEquipmentandAdvancedManufacturingTechnology,MinistryofEducation,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,Zhejiang,China)

AbstractZigBee wireless elevator car communication using transparent data transmission has the deficiencies of information transmission delay and low communication efficiency. In light of this, we expounded three commonly used ZigBee protocol stacks, and analysed the principle of car communication. Taking ZigBee wireless module, having the core of Stm32W108 chip, as the application platform, we presented a software optimisation strategy for wireless car communication with real-time property. The strategy collects the query frame and response frame through the ends of serial port and wireless respectively with the wireless module of elevator’s main controller, and replies elevator’s main controller information within a specified time, so as to meet the time requirements of car communication. Finally, we gave the process design of correlated software. It has been demonstrated by experiment that the optimisation strategy can meet the real-time property requirement of the system; the effective communication distance for wireless car communication system can reach 165 m, this satisfies the distance demand of wireless car communication for general high-rise buildings.

KeywordsZigBeeTimingReal-time property

收稿日期：2014-11-19。馬納，碩士生，主研領域：電梯控制系統。趙國軍，教授。

中圖分類號TP3

文獻標識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.05.028