基于ZigBee技術(shù)的電梯無線通訊系統(tǒng)研究*

葉 凱，趙國軍，湯晨昱

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

0 引 言

在傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)各模塊之間的通訊主要采用隨行電纜，然而隨著使用時(shí)間延長，隨行電纜線路疲勞易斷，并且由于樓層的日趨增高，井道中隨行電纜的長度也不斷增加，存在著安全隱患。

于此同時(shí)，Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等無線通訊技術(shù)也逐漸被應(yīng)用到電梯控制領(lǐng)域。例如德國奔克公司研發(fā)的BP308電梯控制系統(tǒng)中包括了基于藍(lán)牙通訊的WinMos-300手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能通過手機(jī)獲取和修改電梯參數(shù)，同時(shí)還能兼容Wi-Fi通訊方式。中國移動(dòng)和沈陽藍(lán)光網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司共同推出了互聯(lián)網(wǎng)電梯無線遠(yuǎn)程監(jiān)控產(chǎn)品“電梯衛(wèi)士”，能夠?qū)㈦娞葸\(yùn)行、故障、維護(hù)數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS傳輸?shù)诫娞菘刂乒芾砥脚_[1]。由此可以看出：目前無線通訊技術(shù)主要多應(yīng)用于電梯監(jiān)控通訊，尚未被應(yīng)用于電梯的轎廂通訊中。

因此，本文將提出一套電梯無線通訊系統(tǒng)，將ZigBee技術(shù)運(yùn)用到電梯轎廂通訊系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)電梯無隨行電纜化。

1 電梯控制系統(tǒng)無線通訊方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電梯無線通訊系統(tǒng)主要是針對電梯主控制器與轎廂控制器以及端口與速度控制器之間的通訊。

轎廂控制器主要包括兩個(gè)模塊：安裝在轎廂內(nèi)的轎廂串行板和安裝在轎頂檢修盒中的轎頂板。轎廂串行板主要負(fù)責(zé)轎廂內(nèi)樓層顯示、轎廂內(nèi)呼梯等功能。轎頂板主要負(fù)責(zé)轎廂照明、風(fēng)扇控制，同時(shí)為轎廂上的各個(gè)開關(guān)提供接口電路。轎廂控制器采集到上述一系列信號后，將信號轉(zhuǎn)化打包成報(bào)文，通過ZigBee無線通訊發(fā)送給電梯主控制器，主控制器接收到信息后反饋相應(yīng)控制數(shù)據(jù)給轎廂控制器，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。端口與速度控制器的主要功能是負(fù)責(zé)采集電梯控制系統(tǒng)內(nèi)中電氣信號的輸入，并通過串行通訊將采集到的信號發(fā)送至電梯主控制器，同時(shí)根據(jù)從電梯主控制器發(fā)送的輸出信號控制相應(yīng)電氣輸出端口，其中包括變頻器多段速信號、行駛方向控制信號，主接觸器、抱閘接觸器控制信號和緊急電動(dòng)等信號。

于此同時(shí)，該板還要根據(jù)電梯主控制器轉(zhuǎn)發(fā)的電梯井道數(shù)據(jù)信號實(shí)時(shí)地計(jì)算出電梯速度值，并將得到的速度值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電壓模擬量輸出給變頻器從而控制電梯正常運(yùn)行。

無隨行電纜電梯安裝示意圖如圖1所示。

圖1 無隨行電纜電梯安裝示意圖

2 ZigBee無線通信介紹

2.1 ZigBee硬件設(shè)計(jì)

本文采用ZigBee無線通訊模塊接口，經(jīng)綜合考慮成本、通訊距離等因素，采用浙江瑞瀛科技有限公司RE3SP模塊，該模塊主芯片為STM32W108[2]，具有良好的RF性能，同時(shí)該芯片內(nèi)部還固化有SimpleMac協(xié)議棧[3]。

本文還需要對電梯轎廂通訊接口的ZigBee芯片和TJA1050芯片的TXD(即主芯片端的RXD)線路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

ZigBee通訊接口電路原理圖如圖2所示。

圖2 ZigBee通訊接口電路原理圖

2.2 ZigBee無線組網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)

依照IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有以下兩類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[4-5]：

第一類是全功能設(shè)備(FFD)。它不僅充當(dāng)個(gè)人局域網(wǎng)中的協(xié)調(diào)器，而且與其他設(shè)備進(jìn)行信息交互，同時(shí)也可作為普通節(jié)點(diǎn)使用。因此，全功能設(shè)備可以適合任何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

第二類是精簡功能設(shè)備(RFD)。該設(shè)備的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但是攜帶的資源以及通訊能力有限。它只能和FFD設(shè)備進(jìn)行通信，不能充當(dāng)協(xié)調(diào)器，并且只適合星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

在同一物理通信范圍內(nèi)，一個(gè)無線局域網(wǎng)的組成需要至少兩個(gè)設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常用的有兩種：星型網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要至少一個(gè)FFD設(shè)備來充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中ZigBee本身就可以充當(dāng)PAN協(xié)調(diào)器[6-8]，網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行雙向通信。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)由一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器以及若干個(gè)RFDFFD設(shè)備組成，PAN協(xié)調(diào)器必須作為中心節(jié)點(diǎn)[9-11]。該拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)與點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)不同的是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的FFD設(shè)備通過一個(gè)唯一的64位標(biāo)識符來成為網(wǎng)絡(luò)中PAN協(xié)調(diào)器后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)則組建完成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)浜忘c(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)浜忘c(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了提高通訊效率，本文采用點(diǎn)對點(diǎn)主從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞健?/p>

3 系統(tǒng)通訊軟件設(shè)計(jì)

電梯主控制器和端口與速度控制器的通訊采用有線RS485通訊方式，而電梯主控制器與電梯轎廂控制器則采用ZigBee無線通訊方式。因此本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)無線通訊協(xié)議能夠完成電梯主控制器、端口與速度控制器、電梯轎廂控制器3者之間的通訊。

具體系統(tǒng)無線通訊軟件時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)無線通訊軟件時(shí)序圖

在本文電梯無線通訊系統(tǒng)軟件通訊協(xié)議中，一個(gè)完整的通訊周期tcp共分為12幀。可以根據(jù)通訊內(nèi)容的不同將通訊周期分為3個(gè)不同通訊階段，其中分別為輸入幀通訊階段、繼電器幀通訊階段和輸出幀通訊階段。在輸入幀通訊階段，電梯主控制板會(huì)定時(shí)發(fā)送一幀輸入詢問幀，電梯轎廂控制板和端口與速度控制板在接收到輸入詢問幀后會(huì)按照特定的時(shí)序各回復(fù)一幀應(yīng)答幀，用來返回各控制板自身所采集到的輸入端口信號；在繼電器通訊幀和輸出通訊幀階段，同理電梯主控制板會(huì)定時(shí)發(fā)送一幀詢問幀，在接收到相應(yīng)的詢問幀后，電梯轎廂控制板和端口與速度控制板則會(huì)對詢問幀的內(nèi)容進(jìn)行解析，完成對繼電器以及其他輸出端口的控制并按照特定的時(shí)序回復(fù)應(yīng)答幀。另外由于端口與速度控制板需要獲取轎廂在井道內(nèi)實(shí)時(shí)位置信息，故無線電梯主控制板會(huì)在每個(gè)通訊階段最后發(fā)送一幀電梯井道數(shù)據(jù)幀。

在系統(tǒng)各個(gè)通訊階段內(nèi)，數(shù)據(jù)幀詳細(xì)定義如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀詳細(xì)定義表

為滿足電梯控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性需要，要求通訊方案每個(gè)通訊周期tcp應(yīng)不大于50 ms。該系統(tǒng)無線通訊波特率采用57 600 Baud，并且每幀的通訊數(shù)據(jù)量已經(jīng)固定，因此可以計(jì)算得到通訊過程中每幀數(shù)據(jù)幀通訊所用時(shí)間，從而可以得到一個(gè)完整通訊幀的通訊周期。為了保證系統(tǒng)通訊的實(shí)時(shí)性，本研究通過計(jì)算得到兩幀數(shù)據(jù)間的通訊間隔td1=td2=td3=2 ms，各個(gè)通訊階段通訊間隔tm=5 ms。

綜合考慮通信可靠性等方面原因，該系統(tǒng)無線通訊方案采用通用異步串行的通訊方式，其中電梯主控制器與端口與速度控制器之間的通訊采用RS485半雙工異步通訊方式進(jìn)行通訊，電梯主控制器與電梯轎廂控制器之間則采用ZigBee方式。

本文無線通訊軟件接收中斷的流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)無線通訊軟件接收中斷流程圖

通訊建立后，系統(tǒng)軟件接收中斷程序首先判斷首字節(jié)是否為數(shù)據(jù)幀幀頭，在確定數(shù)據(jù)幀幀頭接收完成后，開始接收第2個(gè)字節(jié)即幀數(shù)據(jù)幀長度字節(jié)，根據(jù)該字節(jié)內(nèi)容可以知道當(dāng)前通訊數(shù)據(jù)幀的總字節(jié)數(shù)，然后按照通訊幀的長度接收剩余通訊幀數(shù)據(jù)字節(jié)，并且在接收完校驗(yàn)字節(jié)后進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，當(dāng)校驗(yàn)通過后則認(rèn)為該幀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，最后將根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的特征代碼將數(shù)據(jù)幀存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理緩存中。

4 實(shí)驗(yàn)測試

本文搭建的系統(tǒng)無線通訊方案測試平臺如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)無線通訊測試平臺

其中包括無線電梯主控制器、電梯智能轎廂控制器、端口與速度控制器、ZigBee無線模塊，開關(guān)電源、示波器等。

4.1 系統(tǒng)無線通訊協(xié)議測試

系統(tǒng)無線通訊的協(xié)議測試是運(yùn)用示波器對主控制板上CAN通訊收發(fā)器的發(fā)送端(TXD)和接收端(RXD)進(jìn)行波形測量。由于CAN收發(fā)器具有自發(fā)自收的功能，所以若通訊正常完整，則在示波器上可以看到主控制器發(fā)送的詢問幀、井道信息數(shù)據(jù)幀以及接收到相應(yīng)轎廂控制器和端口與速度控制器返回的應(yīng)答幀。

測試點(diǎn)1：電梯主控制板CAN通訊收發(fā)芯片TJA1050TXD引腳。

測試點(diǎn)2：電梯主控制板CAN通訊收發(fā)芯片TJA1050RXD引腳。

系統(tǒng)通訊周期波形圖從左至右3個(gè)虛線框內(nèi)分別為通訊3個(gè)階段，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)無線通訊串口波形

本文所設(shè)計(jì)的電梯無線通訊方案的通訊周期可以控制在50 ms以內(nèi)，在一個(gè)完整的通訊周期內(nèi)，針對每個(gè)通訊階段，當(dāng)電梯主控制器發(fā)送一幀詢問幀后，轎廂控制器和端口與速度控制器分別會(huì)在2 ms和4 ms左右后返回相應(yīng)的應(yīng)答幀，主控制器會(huì)在接收完畢兩幀應(yīng)答幀數(shù)據(jù)并延時(shí)2 ms左右后，廣播一幀井道數(shù)據(jù)信息幀。另外由圖中可以看到：每個(gè)通訊階段的時(shí)間間隔均在2 ms左右。通過實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可知：系統(tǒng)無線通訊過程與前文所制定的通訊協(xié)議相符，可以滿足實(shí)時(shí)性要求。

4.2 系統(tǒng)無線通訊異常測試

本文對通訊出現(xiàn)異常的情況進(jìn)行測試。采用直接斷開電梯主控制器和轎廂控制器之間的通訊信號，即斷開轎廂控制器端ZigBee模塊供電電源來模擬通訊異常，觀察端口與速度控制板上抱閘繼電器響應(yīng)情況。

測試點(diǎn)1：端口與速度控制器抱閘繼電器控制端引腳。

測試點(diǎn)2：電梯主控制板CAN通訊收發(fā)芯片TJA1050接收引腳。

無線通訊異常時(shí)測試波形圖如圖8所示。

圖8 無線通訊異常時(shí)測試波形圖

系統(tǒng)無線通訊波形圖中缺少來自轎廂控制器的應(yīng)答幀，因此當(dāng)電梯主控器在連續(xù)3個(gè)的通訊周期內(nèi)無法檢測到正常的通訊數(shù)據(jù)幀時(shí)，則認(rèn)為通訊異常，輸出信號停止電梯的運(yùn)行。

4.3 系統(tǒng)緊急響應(yīng)延時(shí)測試

具體測試方式為：在系統(tǒng)建立正常通訊一段時(shí)間后，按下轎頂急停開關(guān)按鈕，轎廂控制器在檢測到轎頂急停信號后將分別通過無線通訊方式告知電梯主控制器，電梯主控制器接收到急停信號后發(fā)送停梯信號到端口與速度控制板，由端口與速度控制器驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)抱閘接觸器的繼電器來控制電梯的運(yùn)行。

測試點(diǎn)1：端口與速度控制器上抱閘繼電器控制端引腳。

測試點(diǎn)2：轎廂控制器急停開關(guān)按鈕輸入端引腳。

無線通訊下繼電器的響應(yīng)時(shí)間波形分別如圖9所示。

圖9 無線通訊響應(yīng)時(shí)間波形圖

可以看到：無線通訊方式對急停信號的響應(yīng)時(shí)間Twr≈280 ms，但是由于人為操作按鈕的時(shí)間一般需要200 ms～300 ms，故無線通訊方式也能滿足緊急情況下響應(yīng)延時(shí)要求。

4.4 系統(tǒng)無線通訊距離測試

筆者對系統(tǒng)ZigBee通訊距離進(jìn)行測試。本文選取同樣空曠操場用來模擬井道進(jìn)行通訊距離測試，示意圖如圖10所示。

圖10 無線通訊距離測試示意圖

圖中，點(diǎn)A代表電梯主控制板所在位置，由測試人員手持轎廂控制板B沿箭頭指示方向移動(dòng)，實(shí)際測試距離按每步數(shù)0.5 m進(jìn)行計(jì)算。

具體測試方法：由測試人員甲將電梯主控制板放置在點(diǎn)A，并且駐點(diǎn)觀察主板液晶顯示器內(nèi)容。由測試人員乙分別手持帶有3種不同天線增益的ZigBee無線轎廂控制板沿箭頭指示方向緩慢移動(dòng)，并實(shí)時(shí)觀察轎廂控制板上無線通訊指示燈變化。若通訊正常，則甲可以觀察到主控制板顯示“no entry”；若通訊異常，則顯示“no CSBE-connection”。同樣的，當(dāng)電梯轎廂板接收到主控板發(fā)送的信息時(shí)指示燈亮，當(dāng)回復(fù)應(yīng)答數(shù)據(jù)幀時(shí)燈滅。若通訊正常，則測試人員乙可以觀察通訊指示燈均勻閃爍，若觀察到通訊指示燈閃爍不均勻、常亮或常滅，則認(rèn)為通訊故障。因此，當(dāng)系統(tǒng)檢測到通訊完全斷開時(shí)，此時(shí)AB之間的距離即為該增益下最遠(yuǎn)通訊距離。

該系統(tǒng)在3種不同天線增益下ZigBee無線模塊間的最遠(yuǎn)通訊距離如表2所示。

表2 不同天線增益下通訊距離

由表2可知：當(dāng)本文所設(shè)計(jì)電梯主控制器和轎廂控制器ZigBee模塊攜帶14dBi平板天線增益時(shí)，其實(shí)際最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)160 m。若目前國內(nèi)建筑按照單層高度為3 m計(jì)算，則該系統(tǒng)可以滿足最高約50樓層建筑物電梯無線通訊，因此，該系統(tǒng)無線通訊方案可以達(dá)到一般樓層里對電梯通訊距離要求。

5 結(jié)束語

本文提出了一種電梯無線通訊方案，并通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺對系統(tǒng)可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠滿足電梯控制系統(tǒng)的通訊實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、通訊距離等要求，并且能對無線通訊故障和緊急信號傳遞及時(shí)響應(yīng)。

另外，由于現(xiàn)代化的電梯大樓里可能會(huì)存在Wifi覆蓋，而ZigBee同樣作為無線通訊，兩者都主要工作在2.4 GHz頻段，可能會(huì)有相互干擾的問題，本文建議從以下兩個(gè)方面考慮來解決：動(dòng)態(tài)信道的分配和功率的控制[12]。動(dòng)態(tài)信道分配即在設(shè)備工作時(shí)，首先對ISM頻段進(jìn)行掃描，判斷選取最佳的傳輸信道，避免兩者占用相同信道；功率控制即考慮適當(dāng)降低無線系統(tǒng)發(fā)射功率來削弱信號間的相互干擾，以此來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

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[1] 李 毅.基于無線通訊網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程電梯監(jiān)控系統(tǒng)[C].第十二屆中國科協(xié)年會(huì)論文集，福州:福州出版社，2010.

[2] STMicroelectronics group of companies. STM32W108 Wireless system-on-chip Datasheet Revision2.1[M]. Geneva: STMicroelectronics group of companies，2000.

[3] 浙江瑞瀛網(wǎng)絡(luò)科技有限公司. REXBEE產(chǎn)品手冊[M].杭州：浙江瑞瀛網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，2011.

[4] 邱 鐵. STM32W108嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2014.

[5] 沈建華，郝立平. STM32W無線射頻ZigBee單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2010.

[6] YAO Y K， WANG G. Efficient distributed address assignment alg orithm based on toplogy maintenance in Zigbee networks[J].TheJournalofChinaUniversitiesofPostsandTelecommunications，2013，20(3):53-59.

[7] FRANCESCA C， ANNA A.Cross-layer network formation for energy-efficient IEEE 802.1.5.4/ZigBee wireless sensor networks[J].AdHocNetworks，2013，11(2):672-686.

[8] HYUNJUE K， CHUNG J M. Secured communication protocol for internetworking ZigBee cluster networks[J].ComputerCommunications，2009，32(13):1531-1540.

[9] 張雪坤，陳金鷹，季翔宇. ZigBee技術(shù)在傳感網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].通信與信息技術(shù)，2010(2):48-50.

[10] 寧炳武. Zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，2007.

[11] 楊 鵬.基于ZigBee的油田監(jiān)控系統(tǒng)無線組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究[D].西安：西安石油大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，2012.

[12] 姜 偉，朱 凱，劉 童.淺談ZigBee和Wi-Fi的共存和干擾[J].科技視界，2013(16):43-43.