李 文 李 炎

（1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖241000；2.蕪湖市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 蕪湖241000）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，電梯作為高層建筑的重要設(shè)備為人們所熟悉，尤其是近年來在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的刺激下，電梯數(shù)量更是激增。在安裝和使用電梯時(shí)，許多建筑為了減少公攤、降低能耗，往往都采用小機(jī)房，在這樣的情況下，機(jī)房溫度往往非常高，在炎熱的夏天甚至能超過40℃。然而，根據(jù)GB7588—2003的要求，電梯運(yùn)行溫度為5～40℃，這就是說，小機(jī)房電梯無法在正常狀態(tài)下運(yùn)行，久而久之會(huì)引起許多部件的老化，甚至?xí)苯右鹬靼搴妥冾l器故障，帶來許多很難查找的軟故障。因此，電梯機(jī)房溫度成為電梯故障檢測的關(guān)鍵。本文將設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)，基于ZigBee、加速度傳感器和溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房溫度的即時(shí)檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 電梯速度及機(jī)房溫度監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線通信技術(shù)，其包括應(yīng)用層、ZigBee平臺(tái)通信棧和硬件實(shí)現(xiàn)3個(gè)層次，主要特性是功耗低、成本低、可靠性高、容量大、時(shí)延小、安全性好、有效范圍小、兼容性高。主要應(yīng)用于短距離、低速率、抗干擾能力強(qiáng)、不易進(jìn)行繁瑣布線且需要長時(shí)間對(duì)某項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控的場合。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由終端設(shè)備、路由器、協(xié)調(diào)器、監(jiān)控平臺(tái)構(gòu)成，路由器和終端設(shè)備分別安放在不同電梯的機(jī)房，用以采集電梯機(jī)房的溫度，并進(jìn)行相關(guān)的預(yù)處理和發(fā)送工作。路由器將采集和預(yù)處理的數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器上，協(xié)調(diào)器再通過RS485將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，由上位機(jī)完成對(duì)所采集的數(shù)據(jù)的最終監(jiān)控和處理，并提供監(jiān)控和報(bào)警功能。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

電梯機(jī)房溫度通過DHT11進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，電梯速度通過ADXL345進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并對(duì)采集到的溫度、速度進(jìn)行初步處理，將處理后的信號(hào)傳至協(xié)調(diào)器，再通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)經(jīng)過初步處理的數(shù)據(jù)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)由CC2530、DHT11、ADXL345和電源模塊構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.2 主控芯片

CC2530是基于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和 RF4CE的一個(gè)片上系統(tǒng)解決方案，其硬件價(jià)格便宜，軟件實(shí)現(xiàn)也很簡單。由于研發(fā)和生產(chǎn)成本較低，特別適用于需要多節(jié)點(diǎn)、易組網(wǎng)、可靠性高的場合。CC2530采用標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，具有可編程閃存、8kB的RAM等其他強(qiáng)大功能，并配備了具備抗干擾性能的2.4GHz RF收發(fā)器。CC2530有4種不同的閃 存 版 本：CC2530F32／64／128／256，分 別 具 有 32／64／128／256kB的閃存。CC2530具有多種運(yùn)行模式，不同模式之間轉(zhuǎn)換快速，特別適用于要求超低功耗的系統(tǒng)。

2.3 溫濕度檢測模塊

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)中采用DHT11采集溫度，其與MCU采用串口連接，使用單總線數(shù)據(jù)格式。向MCU傳送的數(shù)據(jù)分為小數(shù)部分和整數(shù)部分（當(dāng)前小數(shù)部分讀為0，以備后用），完整的數(shù)據(jù)傳輸為40位（高位先出）：第1～8位輸出濕度的整數(shù)部分，第9～16位為濕度的小數(shù)部分，第17～24位為溫度的整數(shù)部分，第25～32位為溫度的小數(shù)部分，第33～40位為前面4個(gè)部分相加所得結(jié)果的最后8位。具體工作方式：主機(jī)向DHT11發(fā)送一次請(qǐng)求響應(yīng)的信號(hào)，當(dāng)DHT11接收到這個(gè)信號(hào)以后向主機(jī)發(fā)送一次響應(yīng)信號(hào)，然后將40位數(shù)據(jù)一起發(fā)出，緊接著進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采樣。DHT11只能由主機(jī)開始信號(hào)觸發(fā)才能開始工作。當(dāng)主機(jī)發(fā)出開始信號(hào)后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。我們要做的是：（1）主機(jī)將總線拉低，持續(xù)18ms后再拉高。（2）等待DHT11的響應(yīng)信號(hào)。（3）延時(shí)后開始讀取數(shù)據(jù)。（4）處理數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)將DHT11的1pin接3.3V電源，4pin接地，2pin接CC2530的P0＿0，如圖3所示。

圖3 DHT11連接示意圖

2.4 速度檢測模塊

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)中的速度檢測模塊采用ADXL345，它采用3V電池供電，可連接到使用I2C數(shù)字通信協(xié)議的處理器。將ADXL345的CS引腳連接到板上的VS，就可選擇I2C模式了。SDA和SCL分別為I2C總線的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘引腳，將VDD連接到電源模塊輸出的3V電壓，將3個(gè)GND引腳接地，把ADXL345的SDO連接到CC2530的P1＿0引腳。將ADXL345的INT1和INT2連接到CC2530的IEN0和IEN1，以產(chǎn)生中斷信號(hào)。

2.5 射頻模塊

考慮到傳輸距離，為盡量減少傳輸中丟幀，通過比較射頻模塊設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用鞭狀天線。CC2530模塊采用SMT工藝批量生產(chǎn)，可靠性高，模塊工作在2.4GHz頻段，需要一個(gè)平衡—不平衡變換器?？紤]到安裝和使用方便，需盡量減小模塊體積。在射頻部分布線時(shí)，將外圍器件緊密地分布在CC2530周圍，以盡可能降低串?dāng)n和分布參數(shù)的影響。為減少電磁干擾，提高抗干擾能力，CC2530暴露的襯墊要可靠接地。

2.6 電源模塊

電源模塊采用兩片深圳市弘毅電子DC－DC升壓模塊，工作頻率為1.2MHz，效率高于95%，使用一個(gè)板載的電位器來調(diào)整電壓大小。整個(gè)電源板體積小，輸入和輸出端采用焊線的方式連接。為使輸出的波形保持為低紋波，采用多個(gè)TDK大容量陶瓷電容并聯(lián)進(jìn)行濾波。全磁屏蔽電感設(shè)計(jì)，無輻射。Vin＋輸入正，Vin－輸入負(fù)，Vout＋輸出正，Vout－輸出負(fù)。其中一片可輸出3.3V電壓為CC2530和DHT11供電，另一片可輸出3V電壓為ADXL345供電（圖4）。

圖4 系統(tǒng)硬件示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用TI公司免費(fèi)提供的Z－Stack，它是與CC2530射頻芯片配套的ZigBee協(xié)議棧。使用瑞典公司IAR開發(fā)的軟件來開發(fā)具體的應(yīng)用程序，其核心思想是提供一個(gè)OSAL的協(xié)議棧調(diào)度程序。用戶無法知道ZigBee協(xié)議棧的具體細(xì)節(jié)，在進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)時(shí)調(diào)用API可實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議棧各層的相應(yīng)任務(wù)。

軟件處理流程如圖5所示。ZigBee協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的“大腦”，主要功能是管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及儲(chǔ)存節(jié)點(diǎn)信息。它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備，當(dāng)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID建立通信鏈路及路由，并完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送。ZigBee協(xié)調(diào)器完成網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和配置后，數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過路由器加入網(wǎng)絡(luò)，建立通信鏈接，采樣到數(shù)據(jù)后處理，并通過路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集和轉(zhuǎn)發(fā)，被協(xié)調(diào)器接收后將按照網(wǎng)絡(luò)地址儲(chǔ)存。通過程序處理后，再通過RS485接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)。溫度、速度路由節(jié)點(diǎn)的采樣流程如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)軟件示意圖

圖6 路由器節(jié)點(diǎn)采樣示意圖

4 性能測試

系統(tǒng)在某小區(qū)應(yīng)用，我們選取該小區(qū)其中3臺(tái)電梯的機(jī)房進(jìn)行測試，這些電梯都屬于小機(jī)房電梯，機(jī)房面積僅為普通機(jī)房的1／3，同時(shí)，由于通風(fēng)狀態(tài)不是非常好，造成夏天的時(shí)候機(jī)房溫度往往高于40℃。測試中，在每個(gè)機(jī)房中各放置一個(gè)溫度檢測節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器通過RS485接口與監(jiān)控平臺(tái)通信。表1為某一電梯機(jī)房內(nèi)溫度33.6℃時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的測量值與實(shí)際測得值的比較，其中傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的測量值是通過溫濕度傳感器測量出來的，實(shí)際測得值是通過經(jīng)過檢定的溫濕度計(jì)讀出的。數(shù)據(jù)表明溫度誤差值最大為0.3℃，經(jīng)過分析，誤差原因是傳感器的測量精度比經(jīng)過檢定的溫濕度計(jì)差，因而是完全可以滿足使用要求的。

表1 系統(tǒng)性能測試結(jié)果

5 結(jié)語

該系統(tǒng)通過終端設(shè)備進(jìn)行機(jī)房溫度采集，再匯聚到路由器，然后通過路由器發(fā)送至協(xié)調(diào)器，最后通過RS485傳輸給上位機(jī)，從而完成整個(gè)監(jiān)控過程。其中，終端設(shè)備采用CC2530為核心，由DHT11、ADXL345采集數(shù)據(jù)，這樣的組合結(jié)構(gòu)簡單、傳輸效率高、檢測精度高、可靠性強(qiáng)，且檢測節(jié)點(diǎn)的功耗很低，便于長期對(duì)機(jī)房溫度進(jìn)行全方位監(jiān)控。同時(shí)，由于免除了布線的繁瑣，安裝難度大大降低，這就大大增強(qiáng)了這一系統(tǒng)的通用性和實(shí)用性，使之便于廣泛推廣應(yīng)用。

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