基于Zigbee和物聯網的智能電梯系統設計

蔡宜均 李蘭英 薛博 劉峰

摘? 要：文章介紹了一種基于Zigbee和物聯網技術，以FPGA和Arduino為主控芯片的一種智能電梯系統。該系統可實現乘客通過手機APP實現乘梯預約和查看電梯的載重情況，擇優選擇電梯的功能。另外，當樓層發生危機情況時，電梯可以幫助乘客疏散到安全的樓層。測試結果表明：系統實現了設計目標。

關鍵詞：電梯預約;Zigbee;物聯網;FPGA

中圖分類號：TP311.52? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0043-02

Abstract： This paper introduces an intelligent elevator system based on Zigbee and Internet of things technology， with FPGA and Arduino as the main control chips. The system can realize the passenger through the mobile phone APP to make a reservation and view the load of the elevator， select the function of the elevator. In addition， when there is a crisis on the floor， the elevator can help passengers evacuate to a safe floor. The test results show that the system has achieved the aim of the design.

Keywords： elevator reservation; Zigbee; Internet of things; FPGA

引言

在高層建筑中，電梯成為了人們出行的唯一工具。據統計，截止到2017年，我國電梯設備達到562.7萬臺，占全國特種設備的43.4%[1]。但乘客等待乘梯時間較長，導致出行效率低的情況一直存在。同時，發生火災時，樓梯往往是人們逃生的首選。但樓層較高時，樓梯疏散比較慢，而在國內外已經有利用電梯成功疏散的案例，例如 2001 年 911 恐怖襲擊中，利用電梯疏散超過 3000人[2]。目前，一些電梯已經具有了防火的功能，甚至為達到防火功能，對電梯內部結構進行特殊設計。

結合物聯網技術和無線通訊技術，本文設計了一個基于Zigbee和物聯網平臺的智能電梯控制系統，該系統在保證電梯正常運行的同時，既能滿足乘客快速出行的需求，也能滿足監控中心在火災或事故發生時借助電梯疏散用戶的需求。

1 系統整體設計

Zigbee網絡是一種功耗低、成本低、網絡容量大、傳輸距離短、時延短和適合少量數據傳輸的無線網絡技術。另外，Zigbee網絡具有自組適應網的優勢，可以形成星型、樹形和網狀網三種類型的網絡。本文采用DIGI公司串口模塊Xbee 2C，在1200m內采用星型網絡，若超過1200m則采用樹狀或網狀結構。

該系統由電梯控制模塊、網關控制模塊、物聯網平臺三部分組成。采用Zigbee星型網絡和物聯網平臺的智能電梯系統總體結構如圖1所示。分散部署的電梯通過Zigbee網絡中的終端與協調器通訊，網關接口通過協調器接收分散在不同地點的電梯上傳的承載重量、溫度等運行狀況數據，并通過GPRS模塊或WiFi模塊將數據上傳到云端，供乘客和監控中心查看電梯情況。另外，網關接口在檢測到電梯運行狀況異常時，將通過短信的方式發送給監控中心和維修人員，以便及時救援與維修。管理人員可通過上位機監控軟件查看電梯的運行狀況，對電梯進行緊急控制，乘客可以通過移動終端在特定時間預約電梯。云平臺選用Onenet實現，負責存儲乘客預約電梯的時間，在指定的時間通過WiFi或GPRS模塊向協調器發送指令，協調器下發預約指令到電梯控制器，調度指定的終端電梯到達指定的位置，從而實現預約功能。各個樓層安裝的煙霧報警器通過WiFi模塊或GPRS模塊將報警信息上傳云平臺，在檢測到該樓層發生火情時，云平臺可短信告知管理人員，管理人員啟動疏散命令，將乘客送到安全樓層。

2 硬件設計

智能電梯系統硬件設計包括兩部分：電梯控制系統設計和網關控制系統的設計。

考慮到FPGA的高可靠性，智能電梯控制系統采用FPGA作為控制器，其原理框圖如圖2所示。具體包括：FPGA可編程門陣列、電機驅動模塊，樓層及上下選擇按鍵模塊，Zigbee通訊模塊，運行狀態數據監測模塊，樓層顯示模塊，電源模塊，故障報警模塊等。

其中ZigBee模塊通過串口與FPGA連接，其余通過數字I/O接口與FPGA連接。XBee 2C模塊設置為終端或者路由器。

網關接口硬件包括Arduino[3]單片機、Zigbee通訊模塊、WiFi模塊和GPRS模塊等。Arduino選擇四串口的Mega 2560型號，Zigbee通訊模塊選用DIGI公司的Xbee 2C模塊[4-5]，并設置為協調器。WiFi選用ESP-01S串口模塊[6]，GPRS模塊可選擇4G模塊，負責短信報警，其中Xbee模塊、WiFi、GPRS模塊均通過串口與Arduino通訊。

3 軟件設計

基于Zigbee和物聯網平臺的智能電梯系統軟件設計包括四部分：電梯控制軟件、上位機監控軟件、網關接口軟件、電梯預約APP軟件。

3.1 電梯控制軟件

電梯控制軟件采用硬件描述語言實現，實現電梯運行狀態數據的檢測，電梯的運行控制，以及檢測數據的上傳和控制命令的接收等功能。

檢測數據包括樓層、載重、電梯門開關狀態、煙霧狀態、溫度等。當某樓層檢測到火警時，運行中的電梯會變為火警疏散模式，電梯會禁止響應電梯禁停區的叫梯，電梯禁停區為著火層及上下相鄰樓層。當有其他安全樓層的乘客進入電梯時，電梯會將高層住戶送到安全疏散層，安全疏散層可以設為禁停區的下一層。電梯將一批乘客送到安全疏散層后將會再次返回到其它安全樓層疏散其他的乘客。

3.2 上位機監控軟件

上位機監控軟件基于Onenet云平臺進行開發，Onenet云平臺是中國移動針對物聯網推出的開發平臺，具有免費、易用等特點。通過電梯上位機監控軟件，監控中心管理人員可以對電梯系統進行監控，可以實時監測電梯的運行狀態，控制電梯的啟停等。

3.3 網關接口軟件

網關接口軟件負責電梯運行數據的上傳和命令的下發。ZigBee無線傳輸采用ZigBee_API協議，各個電梯節點和協調器之間保持通信，各個節點每隔固定時間向協調器發送幀數據，協調器也可以向節點發出巡回查詢命令，收到命令的節點上傳數據幀。同時協調器還負責接收云端的命令數據，并下發到電梯。表 1給出了無線傳輸過程中發送包幀的格式。

3.4 電梯預約APP軟件

電梯預約APP的主要功能是展示電梯的狀態信息以及為用戶提供預約服務。軟件在初始化之后會實時檢測電梯當前是否可用，若當前電梯不可用，則用戶將無法進行預約服務，若當前電梯可用，則用戶將進入軟件主界面準備進一步的操作。

軟件的主界面顯示當前電梯的綜合狀態，主要包括電梯的可用性、電梯當前所處樓層、當前乘梯的人數等。用戶可根據當前電梯的狀態來自行決定是否進行預約。若進行預約服務，軟件將會詢問用戶當前所處樓層、前往的目標樓層、乘梯的人數等。如果預約成功，將會提示預約成功的狀態，并當電梯抵達用戶所在樓層時給出震動提示;如果預約失敗將會反饋給用戶預約失敗的原因，以便于用戶再做其他選擇。

4 結束語

科學技術不斷發展的背景下，現有的電梯系統已經不能滿足人們想要快速出行以及發生危急狀況時，能快速安全進行疏散的需求，本設計通過將Zigbee網絡與物聯網云平臺應用于電梯，幫助乘客以預約電梯的方式快速出行，相對于傳統的僅能定點實時叫梯的方式，在出行上具有省時、提高出行效率的優勢。同時在有危機情況如火災發生時，能夠及時通知監控中心，同時也能調度電梯，幫助將人群疏散到安全樓層，提高了疏散的速度。該系統提高了住戶的出行效率，同時也使電梯的安全性、穩定性、有效性有了提升。

參考文獻：

[1]李春生.電梯困人事故救援方法的分析與探討[J].機電工程技術，2019.

[2]施曉亮，戎蒙恬.基于ZigBee技術的電梯層站召喚解決方案[J].信息技術，2007.

[3]程晨.Arduino 開發實戰指南[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4]Digi International Inc. Wireless Connectivity Kit Getting Start-ed Guide.

[5]Digi International Inc. XBee/XBee -PRO S2C 802.15.4， RF Module User Guide，2017.