程貝貝　姚婭川　張文星

摘要：電梯是人們生活中的一種便捷工具，電梯制動器是電梯的主要安全裝置，對電梯制動器進(jìn)行實時監(jiān)測非常重要。設(shè)計了一種基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)的實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過布置在電梯制動器上的多個傳感器節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳送給中心節(jié)點進(jìn)行存儲和處理，使用GPRS無線通信模塊將處理好的數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心，達(dá)到實時監(jiān)測的目的。

關(guān)鍵詞：電梯制動器；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； Zigbee； GPRS

DOIDOI：10.11907/rjdk.151847

中圖分類號：TP303

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）008013802

0 引言

當(dāng)前，電梯的安全性和可靠性成為社會非常關(guān)注的問題，即使電梯控制系統(tǒng)采取了預(yù)防和保護(hù)措施，但電梯事故還是頻頻發(fā)生。 電梯在運行中如果突然停電或者供電線路發(fā)生故障，電梯制動器就會制動電梯停止。因此，電梯制動器的正常運行非常重要。當(dāng)前，國內(nèi)還沒有預(yù)防措施，只有當(dāng)制動器出現(xiàn)問題后，才進(jìn)行人工修理，這樣就增加了電梯的安全隱患。本文提出了一種通過Zigbee和GPRS技術(shù)對電梯制動器進(jìn)行實時監(jiān)測的系統(tǒng)[1]，無線傳感器節(jié)點通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，把采集到的數(shù)據(jù)傳送給中心節(jié)點進(jìn)行處理分析，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心進(jìn)行實時監(jiān)測，以預(yù)測電梯制動器的故障并及時排除故障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

電梯制動器監(jiān)測系統(tǒng)主要由無線傳感器采集節(jié)點、GPRS網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成?？傮w設(shè)計見圖1。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器終端節(jié)點硬件設(shè)計

本文的傳感器節(jié)點采用最簡單的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳感器終端節(jié)點是監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，用來監(jiān)測電梯制動器的振動狀態(tài)、溫度、制動器電機電流以及噪聲等狀況。該節(jié)點主要由4個模塊構(gòu)成：傳感器模塊、微處理器模塊、射頻收發(fā)模塊、電源供給與管理模塊。該設(shè)計選用了TI公司生產(chǎn)的無線通信模塊CC2530作為微處理器模塊及射頻收發(fā)模塊，結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框架

圖2 傳感器終端節(jié)點硬件結(jié)設(shè)計構(gòu)

2.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)電梯制動器在運行時，對其相關(guān)參數(shù)因子進(jìn)行采集，采集到的物理量經(jīng)過調(diào)理電路后進(jìn)入CC2530模塊進(jìn)行分析處理。本文采用的傳感器型號有PT100溫度傳感器、SAT9200振動傳感器、LEMHAS100S電流傳感器、CN61M BRZS1噪聲傳感器。

2.1.2 微處理器和射頻收發(fā)模塊CC2530

CC2530是用于2.4GHzIEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE標(biāo)準(zhǔn)上的。它具有成本低、功耗低、領(lǐng)先的RF性能（選擇性和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)）等優(yōu)越性，這些優(yōu)點增強了8051MCU內(nèi)核，給傳感器節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來了很大的便捷性。CC2530能夠配備并兼容TI的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，能夠完成一般低功耗無線通信，還可以配備專門的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧使開發(fā)變得簡化。該芯片的MCU是有優(yōu)良性能和代碼預(yù)取功能的8051微控制器內(nèi)核，它是一種運用在低功耗系統(tǒng)中的芯片，以工作和休眠之間的轉(zhuǎn)換工作方式來確保低能源消耗。

2.2 傳感器中心（網(wǎng)關(guān)）節(jié)點硬件設(shè)計

中心節(jié)點是數(shù)據(jù)匯集和融合中心，把多個端節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯集，分析處理和存儲，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控中心。傳感器中心節(jié)點的結(jié)構(gòu)除了射頻收發(fā)模塊和CC2530處理模塊外，還需要GPRS模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器鏈接。

本系統(tǒng)GPRS模塊采用華為公司EM310GSM的GPRS通信模塊。EM310是一款雙頻兼容型GSM/GPRS通信模塊，工作頻段為EGSM900/GSM1800，硬件兼容MC55，主要用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、無線POS機、遠(yuǎn)程測試等領(lǐng)域。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要有傳感器節(jié)點軟件設(shè)計、中心（網(wǎng)關(guān)）節(jié)點軟件設(shè)計和監(jiān)控中心軟件設(shè)計3部分。傳感器節(jié)點的主要功能是信息數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送；中心節(jié)點的主要功能是數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲以及GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送，另外還要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理；監(jiān)測中心對GPRS發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、實時顯示和管理。

3.1 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

本文的傳感器節(jié)點軟件設(shè)計基于TinyOS操作系統(tǒng)，使用NesC語言編程。傳感器節(jié)點的主要工作分為兩步：①入網(wǎng)；②數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。初始化CC2530芯片，然后與中心節(jié)點建立連接。網(wǎng)絡(luò)建立使用App_SendAssociate.Request函數(shù)向中心節(jié)點發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請求，成功后就進(jìn)入工作的第②步。節(jié)點進(jìn)入低功耗模式，進(jìn)行睡眠/喚醒交換的工作模式，傳感器在采集和分析數(shù)據(jù)兩個周期之間工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析。采集數(shù)據(jù)完畢后，對需要上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的打包傳送，流程見圖3。

3.2 中心節(jié)點軟件設(shè)計

中心節(jié)點是本系統(tǒng)的重要組成部分。初始化CC2530協(xié)議棧，相關(guān)設(shè)備實施參數(shù)配置等工作后，中心節(jié)點多次掃描空信道，直到找到空信道，建立網(wǎng)絡(luò)成功。網(wǎng)絡(luò)建立成功后接收數(shù)據(jù)，而后將數(shù)據(jù)處理，在SD上存儲，數(shù)據(jù)打包并發(fā)送給GPRS模塊。軟件流程見圖4。

圖3 傳感器節(jié)點軟件流程

圖4 中心節(jié)點軟件流程

中心節(jié)點選用Unix作為嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩部分：操作系統(tǒng)內(nèi)核（最貼近硬件）、系統(tǒng)外殼（貼近用戶）。外殼由Shell解釋程序，支持程序設(shè)計的各種語言。

3.3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計

監(jiān)控中心上位程序設(shè)計采用C語言開發(fā)，對GPRS傳送來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行接收、處理、存儲并顯示。監(jiān)控中心對采集來的電梯制動器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析處理，將處理好的有效信息以曲線圖和數(shù)據(jù)表的形式顯示。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)可以有效解決電梯安全性和可靠性問題，對電梯安全運行最核心部件——電梯制動器進(jìn)行實時監(jiān)測，能有效降低電梯事故率，保證人員安全。基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計，體現(xiàn)了實時監(jiān)測這一優(yōu)勢。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）