吉澤歡，藺超文，孫 根，楊 凱

（徐州工程學院 江蘇 徐州 221008）

電梯已經(jīng)深深地滲透到我們?nèi)粘Ｉ钪?，在我們的生活中扮演著重要的角色，尤其是隨著現(xiàn)代化步伐的加快，城市的建筑物越來越高，電梯為我們上下樓節(jié)約了寶貴的時間，電梯無形中已經(jīng)成為了人們路途中移動的“家”。然而作為“家”的電梯卻還存在很多安全隱患、環(huán)境惡劣以及能源浪費等問題，這與以人為本[1]、節(jié)約能源等小康社會的基本要求不符合，在一定程度上降低了人們的生活質(zhì)量。

目前致力于電梯研究的科研人員比較多，但將無線技術和傳感器技術都融入電梯的還不多，大多只是研究其中的某一方面，較為不全面，例如有些對電梯的改進只注重變速調(diào)節(jié)、運行速度、并聯(lián)控制、各類電梯專用等方面，而對電梯智能識別控制、電梯外部監(jiān)控、綠色節(jié)能等研究較少，隨著能源問題的日益突出和人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，對電梯節(jié)能技術和安全舒適方面的研究與應用已經(jīng)是眾多電梯生產(chǎn)商的目標[2]。而純粹的節(jié)能技術例如最新成果節(jié)能再生器只是對電梯機械位能的重利用，未涉及電梯本身多余耗能，對電梯的轎廂監(jiān)控系統(tǒng)不能監(jiān)控到轎廂外部環(huán)境，總之對現(xiàn)有電梯的改進沒有明顯的效果。本文所介紹的這套電梯系統(tǒng)正是基于這樣的背景產(chǎn)生的。

1 系統(tǒng)硬件組成

1.1 單片機控制電路

單片機控制電路組織和控制每個傳感器和執(zhí)行機構進行有序協(xié)調(diào)的工作。單片機選用美國德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530F256[3]，可以提供兩個USART，其中一個用于和控制電梯運行的PLC通信，這樣可以在原有電梯的基礎上改進，減小開發(fā)成本，另外一個USART用于和加速度計MPU6000通信，采集加速度計的數(shù)據(jù)。此外這一款單片機內(nèi)部集成了ZigBee[4]模塊，可以將采集到的數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送到控制中心，用于分析處理。

1.2 溫濕度傳感器AM2302

AM2302數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個AM2302傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。因此這款傳感器可以及時地檢測電梯轎廂內(nèi)的溫濕度，然后啟動交流風機或空調(diào)裝置調(diào)節(jié)轎廂內(nèi)的溫濕度，這樣可以讓乘客更加舒適地乘坐電梯。

1.3 煙霧傳感器模塊MQ-2

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。因此將這款傳感器用在轎式電梯中可以有效地檢測到轎廂內(nèi)的煙霧濃度從而預防火災的發(fā)生。

1.4 人體紅外感應模塊HC-SR501

HC-SR501 是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778 探頭設計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應用于各類自動感應電器設備，尤其是干電池供電的自動控制產(chǎn)品。將這個模塊用于電梯中可以有效地檢測到電梯內(nèi)外是否有人，這樣就可以解決乘客按過電梯按鈕后離開的問題，從而減少電梯運行的耗能和其他人等待電梯的時間。

1.5 光強度模塊BH1750FVI

BH1750FVI 是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化。將這個模塊用在電梯中可以檢測電梯轎廂內(nèi)的光強度，從而適當?shù)卣{(diào)節(jié)轎廂內(nèi)的照明燈光強度，這樣可以節(jié)約電能和延長照明燈的使用壽命。

1.6 加速度傳感器MPU-6050[5]

MPU-6050是全球首例9軸運動處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器DMP（DigitalMotionProcessor），可用I2C[6]接口連接一個第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計。擴展之后就可以通過其I2C接口輸出一個9軸的信號。MPU-6050也可以通過其I2C接口連接非慣性的數(shù)字傳感器，比如壓力傳感器。 MPU-6050對陀螺儀和加速度計分別用了3個16位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為± 250，± 500，± 1 000，±2 000°/秒（dps），加速度計可測范圍為±2，±4，±8，±16 g。 一個片上1 024字節(jié)的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。和所有設備寄存器之間的通信采用400 kHz的I2C接口。另外，片上還內(nèi)嵌了一個溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有±1%變動的振蕩器。 芯片尺寸4×4×0.9 mm，采用QFN封裝（無引線方形封裝），可承受最大10 000 g的沖擊，并有可編程的低通濾波器。這款傳感器用于電梯中可以實時地檢測電梯運行的加速度，從而感知到電梯運行是否處于故障狀態(tài)，這樣就可以及時告知乘客脫離危險，有預警作用。

1.7 聲音傳感器模塊

聲音傳感器模塊就是用于檢測電梯轎廂內(nèi)的聲音，包括電梯運行時的聲音和轎廂內(nèi)乘客的說話聲。當電梯運行故障時會發(fā)出特定范圍內(nèi)頻率的聲音，這種特定頻率的聲音可以被監(jiān)測到，從而發(fā)出預警信號讓乘客規(guī)避危險。當電梯運行故障不能打開轎廂門并且乘客被困在轎廂內(nèi)時，乘客可以通過聲音傳感器和外部營救人員對話，這樣有利于解救被困乘客。

2 系統(tǒng)軟件功能

基于ZigBee的電梯環(huán)境調(diào)節(jié)與安全預警系統(tǒng)的終端軟件主要完成各模塊初始化設置、采集傳感器數(shù)據(jù)、發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)、接收控制中心發(fā)來的數(shù)據(jù)、控制執(zhí)行機構工作等。軟件功能框圖如圖1所示。

圖1 軟件功能框圖Fig.1 Functional block diagram of the software

3 結束語

本文設計的基于ZigBee的電梯環(huán)境調(diào)節(jié)與安全預警系統(tǒng)具有如下特點：1）對電梯轎廂內(nèi)的環(huán)境能起到優(yōu)化調(diào)節(jié)作用；2）電梯如果出現(xiàn)故障能及時發(fā)出警報并且通知控制中心；3）消除人們誤按亂按電梯按鈕導致的不良影響；4）節(jié)省乘客時間和節(jié)約電梯運行耗能。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，成本低廉，適合目前各種轎式電梯的改造。

[1] 楊敏．淺析“以人為本”在電梯產(chǎn)品設計中的體現(xiàn)[J]．中國電梯，201l，22(11)：41-42．YANG Min. Analysis of the manifestation of ＂ Humanist＂ on elevator design[J]. China Elevator, 2010,22(11):41-42.

[2] 洪沙，劉家臣，范林玉,等．基于電梯智能監(jiān)控與節(jié)能分析[J].計算機應用，2010, 30 (6)：278-230．HONG Sha, LIU Jia-chen, FAN Lin-yu, et al. Intelligent monitoring and energy saving analysis 0f elevators [J]. Journal of Computer Applications, 2010,30(6):278-230.

[3] Texas Instruments. A True system-on-Chip solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and zigBee applications [EB/OL].[2013-09-20].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[4] 瞿雷，劉盛德，胡咸斌．ZigBee技術及應用［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2007．

[5] InvenSense. MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification [EB/OL].[2013-09-20].http://www.invensense.com/mems/gyro/documents/PS-MPU-6000A-00v3.4.pdf.

[6]郭天祥．51單片機C語言教程 [M]．北京：電子工業(yè)出版社，2009.