刁 莎，常曉清，陸 瑢，劉鵬博，仇潤鶴

0 引言

隨著城市化進(jìn)程加快，越來越多的高層建筑拔地而起，中國電梯市場已成為世界第一大電梯市場，隨之而來的電梯安全問題及一些電梯故障預(yù)警系統(tǒng)也備受關(guān)注。目前，國內(nèi)外對于無線的電梯故障預(yù)警系統(tǒng)，大多是基于 GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)的電梯無線預(yù)警系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳往遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。還有國內(nèi)的一些電梯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可定制基于嵌入式芯片的電梯故障監(jiān)測采集板，通過以太網(wǎng)或現(xiàn)場總線將現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入監(jiān)測中心。這種系統(tǒng)功耗大，布線麻煩，無法實(shí)現(xiàn)小區(qū)多樓多電梯監(jiān)測；且在實(shí)際應(yīng)用過程中，不同型號電梯控制接口不同，需采集的信號分布在轎廂、電梯控制機(jī)房、梯井等各個(gè)角落，需要繁瑣的布線，一些信號無法接入。國外的一些大型的電梯公司已研發(fā)出較成熟的電梯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，由于針對性較強(qiáng)，成本過高，可擴(kuò)展性小，很難在國內(nèi)應(yīng)用。

ZigBee技術(shù)是非贏利性組織ZigBee聯(lián)盟開發(fā)的，一套無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用規(guī)范[1]，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)具有自動路由功能，可根據(jù)用戶實(shí)際需求自組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的插拔對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無影響。ZigBee的節(jié)點(diǎn)功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速度快、可靠性高、成本低、體積小、移動方便，更加適合電梯監(jiān)測這種分布式的多點(diǎn)的監(jiān)測場合。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于ZigBee 的電梯無線預(yù)警系統(tǒng)系統(tǒng)，是由小區(qū)電梯終端采集節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心兩級結(jié)構(gòu)組成，兩級結(jié)構(gòu)之間通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，小區(qū)電梯終端采集節(jié)點(diǎn)采用特有的分布式結(jié)構(gòu)，每個(gè)采集點(diǎn)相對獨(dú)立，由不同類型的ZigBee無線傳感器構(gòu)成，分布于小區(qū)不同高樓不同電梯的電梯機(jī)房、電梯轎廂頂端、轎廂內(nèi)等位置。ZigBee無線協(xié)調(diào)器將各個(gè)小區(qū)電梯終端采集節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳來的電梯數(shù)據(jù)匯總并接入以太網(wǎng)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器解釋前端數(shù)據(jù)，根據(jù)國家質(zhì)檢總局和國家標(biāo)準(zhǔn)委發(fā)布的《電梯技術(shù)條件》對電梯運(yùn)行的各項(xiàng)指標(biāo)作出的明確指示，預(yù)警電梯的各種故障或參數(shù)超標(biāo)信息，及時(shí)通過人機(jī)友好界面提醒相關(guān)人員第一時(shí)間有針對性地排除電梯故障，保障人身財(cái)產(chǎn)安全，如圖1所示：

圖1 基于ZigBee 的電梯無線預(yù)警系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電梯無線預(yù)警系統(tǒng)需要大量ZigBee節(jié)點(diǎn)長時(shí)間不間斷地?zé)o線通信，須選用低成本、低功耗、可擴(kuò)展性強(qiáng)的ZigBee模塊。本系統(tǒng)選用美國digi公司的Drop-In Networking開發(fā)套件搭建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee/802.15.4 無線網(wǎng)狀網(wǎng)關(guān)、適配器、模塊、擴(kuò)展器和環(huán)境傳感器，以及基于無線的串行通訊和以太網(wǎng)通訊電纜替代設(shè)備，具備立即聯(lián)網(wǎng)功能，可用于沒有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、使用有線網(wǎng)絡(luò)受到限制、布線困難或有成本限制的場合[2]。

小區(qū)電梯終端采集節(jié)點(diǎn)選用套件中的 XBee &XBee-PRO嵌入式無線模塊，其充分結(jié)合了易于使用的網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和可全球部署的2.4GHz的收發(fā)器，簡化了網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)提供了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)功能，具有路由器休眠模式和較高的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度，網(wǎng)狀網(wǎng)可自愈和自動搜索，適合電梯現(xiàn)場長時(shí)間多點(diǎn)采集的需要。這些無線模塊分為不同類型，具有多種結(jié)構(gòu)，如搭載傳感器的一體式ZigBee無線傳感模塊，帶有串口或以太網(wǎng)接口等多種接口類型的ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。因此小區(qū)電梯終端采集節(jié)點(diǎn)既可采用一體式的帶ZigBee無線通信功能的無線傳感器，也可采用傳統(tǒng)的檢測傳感裝置與ZigBee無線傳輸模塊接口的方式。本設(shè)計(jì)結(jié)合了以上方式，靈活設(shè)置采集節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

ZigBee無線協(xié)調(diào)器置于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心端，選用digi公司的ConnectPort X2可編程網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)為ZigBee轉(zhuǎn)以太網(wǎng)/Wi-Fi網(wǎng)關(guān)，內(nèi)帶NS7520 ARM7高性能微處理器，主頻為2.4GHz，運(yùn)算速度快，8MB的RAM用于運(yùn)行下載程序和存放動態(tài)數(shù)據(jù)，4MB的FLASH用于存儲功能，通訊速率最大可達(dá)11Mbps，帶回退算法，可滿足電梯實(shí)時(shí)預(yù)警的需求。可編程網(wǎng)關(guān)基于Python開發(fā)環(huán)境，可自動實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、報(bào)警通知和設(shè)備管理任務(wù)。網(wǎng)關(guān)接收來自小區(qū)電梯終端采集節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)并通過以太網(wǎng)接口傳入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心運(yùn)用 C# 開發(fā)人機(jī)交互友好界面，無線協(xié)調(diào)器通過以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，使用TCP/IP協(xié)議建立SOCKET連接通信。

2 電梯終端檢測及無線傳感

2.1 檢測內(nèi)容的選擇

本系統(tǒng)對電梯故障進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。終端檢測模塊負(fù)責(zé)電梯端各電梯性能及實(shí)時(shí)狀態(tài)的檢測。引起電梯出現(xiàn)故障的主要原因有[3]：

1) 斷相引起停梯。當(dāng)三相電源出現(xiàn)斷相時(shí)，相序繼電器動作切斷安全回路，使電梯停止運(yùn)行。

2) 門聯(lián)鎖不通而引起的故障。按電梯的設(shè)計(jì)要求，電梯的每一層廳門及轎門都要關(guān)閉之后電梯才能啟動運(yùn)行(快車)，如果任意一層廳門或轎門沒有關(guān)閉電梯都不能運(yùn)行。

3) 電梯機(jī)房溫度大大超過《電梯技術(shù)條件》規(guī)定，使電梯控制系統(tǒng)不能可靠地工作?；蛘咭?yàn)殡妱訖C(jī)某個(gè)部位溫升超過銘牌數(shù)據(jù)，而導(dǎo)致曳引機(jī)無法正常工作。

4) 減速機(jī)滾動軸承運(yùn)轉(zhuǎn)聲音異常。軸承發(fā)燙，噪聲大。

5) 舒適感問題。電梯是一種通過機(jī)械移動進(jìn)行運(yùn)載物體的設(shè)備，電梯轎廂在移動中由于各部件的運(yùn)動而必然產(chǎn)生振動，這些振動必定對乘客的感覺產(chǎn)生影響，這就是所謂舒適感的問題[4]。

綜上，本文選擇曳引機(jī)的供電電壓、電流，機(jī)房溫度，開關(guān)門噪聲，機(jī)房噪聲，運(yùn)行噪聲，電梯轎廂的溫度，振動，加速度等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 無線傳感器的設(shè)計(jì)

曳引機(jī)的供電電壓、電流檢測選用帶 UART串行傳輸接口的霍爾傳感器，放置于電梯機(jī)房?；魻杺鞲衅饕欢私尤胍芬龣C(jī)的供電線路，另一端連接同樣帶UART串口的XBee無線傳輸模塊。電壓電流信號被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并通過無線傳輸模塊發(fā)送到ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中去，如此將傳統(tǒng)的傳感器改裝成為了無線傳感器。

同樣的，三3串口的無線傳輸模塊，分別放置在轎廂頂端、梯井以及機(jī)房。轎廂的震動以及加速度均選用加速度傳感器來測量，置于轎廂頂端。由于震動涉及乘客舒適感，因此選用靈敏度較為高的壓電加速度傳感器測量水平及垂直方向轎廂的震動，而對電梯垂直方向的加速度檢測，則選用測量范圍較大的加速度傳感器。

除了采用以上將傳統(tǒng)的檢測裝置與ZigBee無線傳輸模塊接口的方式制作無線傳感器，也可選用已有的帶 ZigBee無線通信功能的無線傳感器。置于轎廂內(nèi)的溫度傳感器以及機(jī)房內(nèi)的溫度傳感器均選用digi公司的Wall Router無線溫度傳感器，可以直接將環(huán)境的溫度轉(zhuǎn)換為無線信號發(fā)送到ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

圖2 Wall Router無線溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

Wall Router無線溫度傳感器內(nèi)部自帶處理器單元，內(nèi)置溫度傳感器獲取環(huán)境溫度，輸出電壓信號經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入處理器單元，經(jīng)過一系列濾波、矯正，傳入數(shù)據(jù)傳輸單元，數(shù)據(jù)傳輸單元再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)為無線信號發(fā)送。

以上的各采集節(jié)點(diǎn)的檢測內(nèi)容，選用的傳感器類型以及采集節(jié)點(diǎn)放置的地點(diǎn)歸納，如表1所示：

表1 傳感器選擇及分布表

3 ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)

ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)為本系統(tǒng)中支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)距離無線傳輸以及實(shí)現(xiàn)多樓多電梯實(shí)時(shí)監(jiān)測的核心。無線通信均采用digi公司的ZigBee無線通信產(chǎn)品，電梯現(xiàn)場的XBee無線節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，與位于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的ConnectPort X2可編程網(wǎng)關(guān)通過無線網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。終端無線采集節(jié)點(diǎn)采用多跳及自組織的方式組網(wǎng)，無線協(xié)調(diào)器具有自動路由功能，節(jié)點(diǎn)間自然形成網(wǎng)狀網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所有的采集節(jié)點(diǎn)均相互獨(dú)立，節(jié)點(diǎn)間無須接線，接口多樣化，安裝簡單。

本著節(jié)能低耗的目的，選取兩種不同類型的XBee無線節(jié)點(diǎn)。線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示：

圖3 無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖中1號樓與2號樓的電梯機(jī)房靠窗位置的無線節(jié)點(diǎn)（1號節(jié)點(diǎn)、2號節(jié)點(diǎn)）均選用 XBee-pro加強(qiáng)型無線收發(fā)器，其室內(nèi)傳輸距離100米，室外傳輸距離可達(dá)1500米，無線接收靈敏度-100db，傳輸功率 100mW，適合樓與樓之間遠(yuǎn)距離傳輸。其他節(jié)點(diǎn)則選用XBee普通型無線收發(fā)器。室內(nèi)傳輸距離為30米，室外可達(dá)100米，無線接收靈敏度-92db，傳輸功率僅為 1mW，適合傳輸距離稍短、但對功耗要求較高的長時(shí)間監(jiān)測場合。圖3中ConnectPort X2可編程網(wǎng)關(guān)的內(nèi)核也有一顆XBee-pro加強(qiáng)型無線收發(fā)器，與1號節(jié)點(diǎn)直接通信，保證了信號的遠(yuǎn)距離傳輸。

網(wǎng)狀網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)固，支持即插即拔，增加和刪減節(jié)點(diǎn)較為方便，不會對原有網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響[5]。在原本的節(jié)點(diǎn)傳輸能力不足或現(xiàn)場障礙物過多的場合，可根據(jù)實(shí)際情況增加路由節(jié)點(diǎn)，也可根據(jù)情況調(diào)整XBee-pro加強(qiáng)型無線收發(fā)器與XBee普通型無線收發(fā)器的布局。若隨著時(shí)間發(fā)展，一些采集項(xiàng)失去必要，也可根據(jù)需要?jiǎng)h減不必要的節(jié)點(diǎn)。

增加新節(jié)點(diǎn)的方法如下：一個(gè)新節(jié)點(diǎn)必須接收到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)發(fā)來的同步報(bào)文后才能加入網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)循環(huán)休眠節(jié)點(diǎn)上電后會周期性發(fā)送廣播同步報(bào)文請求,然后按其SP值休眠。任何在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)收到該請求都會響應(yīng)一個(gè)同步報(bào)文。由于網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)展休眠時(shí)間，這樣的話就不能相應(yīng)一個(gè)同步請求。在網(wǎng)絡(luò)休眠的時(shí)候同步一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，可以在一個(gè) sleep support節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)上電新節(jié)點(diǎn)。Sleep support節(jié)點(diǎn)會一直保持喚醒并能立即響應(yīng)同步請求。另一種方法是，網(wǎng)絡(luò)中的休眠節(jié)點(diǎn)可以通過commissioning按鈕喚醒。將新節(jié)點(diǎn)放置在休眠節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)，然后通過按commissioning按鈕2秒鐘喚醒休眠節(jié)點(diǎn)。休眠節(jié)點(diǎn)保持喚醒30秒，并會響應(yīng)同步請求。如果不用上述方法，那就必須等待網(wǎng)絡(luò)喚醒才能添加新節(jié)點(diǎn)。新節(jié)點(diǎn)應(yīng)該放置在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi),并且休眠周期要比網(wǎng)絡(luò)的喚醒周期更短。新節(jié)點(diǎn)會周期性的發(fā)送同步請求，直到網(wǎng)絡(luò)醒來并接收到一個(gè)同步報(bào)文。

4 測試及分析

設(shè)置 ConnectPort X2無線網(wǎng)關(guān)的 ip地址為192.168.18.1，數(shù)據(jù)中心的PC機(jī)通過以太網(wǎng)訪問網(wǎng)關(guān)，可搜索到整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中的全部無線節(jié)點(diǎn)以及它們的 mac地址以及無線節(jié)點(diǎn)名稱，如圖4所示：

圖4 網(wǎng)關(guān)配置界面

本文選取溫度傳感器如圖4中的Wall Router采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。8：30-17：00每隔半小時(shí)取一組數(shù)據(jù)，得溫度變化，如圖5所示：

圖5 溫度曲線圖

采集到18個(gè)數(shù)據(jù)全部為有效數(shù)據(jù)，溫度符合秋季實(shí)際溫度情況，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，說明無線通信暢通，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

5 總結(jié)

ZigBee聯(lián)盟開發(fā)了傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議棧，以及多個(gè)應(yīng)用范圍，包括家庭控制、工業(yè)自動化、電器遙控、智能能源管理等。本文將ZigBee技術(shù)引入電梯無線預(yù)警，使電梯故障預(yù)警更加低功耗、低成本，更加便捷。可預(yù)警電梯機(jī)房溫度過高，門聯(lián)鎖不通，轎廂門異常開啟，梯門回路故障，電源故障，曳引機(jī)溫度超標(biāo)，軸承噪聲過大，機(jī)房噪聲過大，轎廂加速度異常，減速機(jī)滾動軸承噪聲過大，三相電斷相停梯等故障。

[1]鐘永鋒，劉永俊.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2011.

[2]Digi International Inc. Drop-in networking professional development kit getting started guide,2008

[3]鄧君.基于 CAN 總線的電梯動態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].北京工業(yè)大學(xué),2009

[4]陳亦森.電梯振動的檢測和分析.[J]電梯工業(yè)，2006，3：5-7

[5]Huiling Zhou, Fengying Zhang, Jingyun Liu, Fenghui Zhang. A real-time monitoring and controlling system for grain storage with ZigBee sensor network. [J]IEEE Proceedings of the 5th International Conference Sep. 2009,Beijing, China