張 凱 龐玉凱

基于ZigBee網(wǎng)路的電梯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張 凱 龐玉凱

本文介紹了基于ZigBee技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合的電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)中心兩部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是系統(tǒng)的前端系統(tǒng)，利用ZigBee CC2530微控器搭建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)集合多種傳感器對(duì)電梯的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；監(jiān)測(cè)中心以LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境，是電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)的后端系統(tǒng)，主要完成數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)分析等功能。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比、操作簡(jiǎn)單、容易擴(kuò)展，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及城市規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，高層建筑發(fā)展的越來(lái)越多，而電梯作為一種高層建筑中常用的垂直交通工具，已經(jīng)廣泛的運(yùn)用在人們?nèi)粘Ｉ钪小Ｒ虼?，電梯能否安全可靠的運(yùn)行直接關(guān)系到人們的生命安全。近幾年來(lái)，由于電梯故障造成的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失屢有發(fā)生，電梯安全運(yùn)行越來(lái)越受人們的關(guān)注。因此，對(duì)電梯安全監(jiān)控顯得尤為重要。

現(xiàn)在所使用的大部分電梯都由專業(yè)維修人員上門進(jìn)行定期檢查，維護(hù)和故障處理。由于電梯分布區(qū)域廣，傳統(tǒng)的人工處理以及故障處理的做法明顯存在不足，同時(shí)也沒(méi)有詳細(xì)的參數(shù)記錄，這就要求維修人員需要對(duì)電梯進(jìn)行全方位的檢查才能找出故障原因，從而使維修人員工作效率下降。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的電梯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集電梯運(yùn)行狀態(tài)，以無(wú)限方式傳輸至監(jiān)測(cè)中心，讓管理人員可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)電梯運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的智能化維護(hù)與管理。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)一方面可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯狀態(tài)，對(duì)故障進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，另一方面能夠?qū)﹄娞荻〞r(shí)準(zhǔn)確維保提供技術(shù)支持。

電梯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

電梯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。主要包括兩部分：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位監(jiān)測(cè)中心。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)是一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它由部署在電梯內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信的方式形成一個(gè)多跳、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息。從其結(jié)構(gòu)上看主要包括傳感器模塊、ZigBee終端模塊以及ZigBee協(xié)調(diào)器模塊。傳感器模塊集合多種傳感器，而這些傳感器包含：門開關(guān)傳感器、基站感應(yīng)器、上下極限感應(yīng)器以及紅外人體傳感器，通過(guò)這些傳感器的整合用于感知電梯運(yùn)行過(guò)程中主要參數(shù)；ZigBee終端模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器模塊感知信號(hào)的處理以及將這些數(shù)據(jù)以無(wú)線的方式發(fā)送至協(xié)調(diào)器的功能；協(xié)調(diào)器模塊負(fù)責(zé)收集終端傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心。

監(jiān)測(cè)中心是在普通的PC機(jī)上以LabVIEW為開發(fā)工具設(shè)計(jì)相關(guān)的監(jiān)控軟件，按照其功能可分為數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及報(bào)警四部分。

電梯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備主要分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端三種類型。它們的硬件結(jié)構(gòu)是一樣的，只是相應(yīng)的程序不同，實(shí)現(xiàn)功能不同。其中協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建管理，終端節(jié)點(diǎn)、路由器和監(jiān)測(cè)中心之間數(shù)據(jù)的傳送。路由器主要功能是將網(wǎng)絡(luò)中將相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。終端節(jié)點(diǎn)又可以稱作傳感器節(jié)點(diǎn)，主要功能是采集傳感器檢測(cè)到數(shù)據(jù)并發(fā)送出去。

圖1 電梯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

圖2 數(shù)據(jù)采集過(guò)程

根據(jù)實(shí)際需求，本設(shè)計(jì)采用ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電梯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。由于電梯監(jiān)測(cè)需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，同時(shí)在功耗較小的情況下，還要盡量延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間?；谝陨弦?，綜合考慮性價(jià)比，在本系統(tǒng)中硬件電路的設(shè)計(jì)將以CC2530為核心，ZigBee硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)分為傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電梯安全監(jiān)控功能。

監(jiān)測(cè)中心PC機(jī)通過(guò)串口向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)供電，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)收集傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，并通過(guò)串口發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心PC機(jī)。傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)電梯運(yùn)行狀態(tài)的采集。

系統(tǒng)傳感器模塊的選型與硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采集的電梯運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)主要有：電梯轎門門開關(guān)狀態(tài)、電梯內(nèi)有無(wú)人、電梯當(dāng)前所在樓層等。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)以CC2530中的8051CPU為核心，主要完成電梯安全運(yùn)行參數(shù)的感知與無(wú)線傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)采用RFD設(shè)備，只需很少的資源和存儲(chǔ)容量，因此供電方式使用電池供電。為了節(jié)省電能，傳感器節(jié)點(diǎn)工作方式采用定時(shí)喚醒的間歇工作方式，每隔10s將傳感器節(jié)點(diǎn)從休眠狀態(tài)喚醒開始數(shù)據(jù)采集，并向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，發(fā)送完成后又進(jìn)入休眠狀態(tài)。

電梯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)中心主要對(duì)獲得的電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和顯示，并分析電梯是否處于健康運(yùn)行狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)不再安全范圍內(nèi)，則通過(guò)監(jiān)測(cè)中心界面的報(bào)警指示燈提醒相關(guān)人員及時(shí)處理，預(yù)防危險(xiǎn)事故發(fā)生。監(jiān)測(cè)中心與傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的交互由ZigBee協(xié)調(diào)器完成，它們之間通過(guò)RS-232串口進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)通信，串口通信是基于VISA（虛擬儀器軟件架構(gòu)）來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)用LabVIEW中VISA庫(kù)函數(shù)并配置與協(xié)調(diào)器相一致的參數(shù)，就可識(shí)別協(xié)調(diào)器發(fā)送過(guò)來(lái)的串口數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)分析，對(duì)電梯的安全性進(jìn)行判定，并決定是否啟動(dòng)報(bào)警功能。

數(shù)據(jù)采集過(guò)程

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇了星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)電梯安全運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)組成。在本系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)采用周期點(diǎn)播的方式，主要完成電梯相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和以及無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)，每隔10s采集并發(fā)送一次電梯狀態(tài)至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；ZigBee協(xié)調(diào)器的主要功能就是組建并且管理整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接收各終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，報(bào)警信息，并與監(jiān)測(cè)中心PC機(jī)進(jìn)行交互以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電梯系統(tǒng)的監(jiān)控。ZigBee節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示。

結(jié)語(yǔ)

本文采用低功耗、低成本、自組織、短距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)組建智能化電梯安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)無(wú)須布線，靈活性和可擴(kuò)展性都大大增加。節(jié)點(diǎn)大范圍地分布于電梯轎廂內(nèi)及轎頂上，某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的損壞并不會(huì)影響系統(tǒng)的整體性，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電梯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從功耗、成本、穩(wěn)定性和可靠性都擁有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于更好地保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重大的意義。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.005