摘要：隨著城市建筑物高度不斷提升，直升梯運(yùn)行時(shí)間逐漸增加，電梯運(yùn)行期間轎門(mén)關(guān)閉，轎廂空間受限，電梯內(nèi)如有個(gè)別乘客吸煙，會(huì)造成已經(jīng)進(jìn)入轎廂的其他乘客被動(dòng)吸煙。由于個(gè)人乘梯習(xí)慣和身體狀況各不相同，且乘客在乘坐電梯時(shí)無(wú)法預(yù)知其他人是否會(huì)吸煙，尤其是孕婦、兒童或病人等特殊群體乘坐電梯時(shí)，對(duì)于轎廂內(nèi)是否有人吸煙的情況需要有相關(guān)提示信息和解決方法。本文出于對(duì)電梯運(yùn)行中的乘客實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的轎廂禁煙排煙報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ZigBee無(wú)線傳輸通信技術(shù)，通過(guò)MQ-2傳感器模塊對(duì)轎廂內(nèi)煙霧濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用CC2530芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)轎廂內(nèi)禁煙的語(yǔ)音提示和轎頂排風(fēng)扇排煙開(kāi)啟、大廳候梯處亮燈報(bào)警進(jìn)行無(wú)線控制，以提高乘客舒適度和安全性的乘梯體驗(yàn)，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；嵌入式；煙霧傳感器；CC2530

一、引言

河南省曾出現(xiàn)因轎廂內(nèi)吸煙造成傷亡糾紛的案例。一年輕男子與吸煙老人發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)，最終老人心臟病復(fù)發(fā)猝死。雖然此次事件為偶發(fā)且存在一定的突發(fā)性，但是密閉空間內(nèi)煙霧濃度急速升高，的確會(huì)造成電梯同乘人員身體和心理上的不適?，F(xiàn)代電梯企業(yè)在電梯系統(tǒng)研發(fā)階段，一直致力于完善自身功能和升級(jí)用戶體驗(yàn)，也越來(lái)越關(guān)注乘客的乘坐體驗(yàn)和舒適度。采用人性化基準(zhǔn)的電梯設(shè)計(jì)理念，可以提高電梯系統(tǒng)的實(shí)用性、藝術(shù)性和親和感[1]。直升梯現(xiàn)階段應(yīng)用的電梯排風(fēng)系統(tǒng)，大部分是基于空氣凈化或溫度調(diào)節(jié)的作用，且管理員或者物業(yè)擁有啟用的控制權(quán)限，乘客無(wú)權(quán)開(kāi)啟或關(guān)閉。為解決密閉轎廂內(nèi)的煙霧排煙問(wèn)題，提高電梯設(shè)計(jì)上的人文主義關(guān)懷因素，本文設(shè)計(jì)了一款基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的轎廂禁煙排煙報(bào)警系統(tǒng)，在無(wú)法通過(guò)乘客自覺(jué)來(lái)杜絕吸煙現(xiàn)象時(shí)，通過(guò)轎廂的自動(dòng)排煙系統(tǒng)快速凈化轎廂內(nèi)空氣，同時(shí)減少轎廂內(nèi)人員發(fā)生沖突的可能性。本文設(shè)計(jì)的防排煙系統(tǒng)獨(dú)立于電梯的排風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，制造成本低，轎廂上改造方便，占用空間小，方便量產(chǎn)[2]。

二、系統(tǒng)概述

帶有煙霧傳感器的無(wú)線傳輸模塊固定在轎廂內(nèi)高于乘客頭頂位置的轎壁上，可根據(jù)轎廂尺寸確定模塊數(shù)量。轎頂及大廳候梯處設(shè)置三處CC2530無(wú)線控制接收模塊，分別控制轎頂排風(fēng)扇、轎廂內(nèi)語(yǔ)音提示器以及大廳顯示屏。當(dāng)轎廂內(nèi)有人吸煙時(shí)，煙霧傳感器檢測(cè)到煙霧濃度超過(guò)設(shè)定值，通過(guò)轎廂內(nèi)無(wú)線傳輸模塊將信號(hào)傳輸至轎頂及大廳處的CC2530模塊，控制轎頂排風(fēng)扇開(kāi)啟，轎廂內(nèi)語(yǔ)音提示“請(qǐng)勿在轎廂內(nèi)吸煙”，大廳門(mén)楣處LED亮燈提示“轎廂內(nèi)有人吸煙”。除了開(kāi)啟自動(dòng)排煙裝置，轎廂選層器及大廳呼梯盒處均設(shè)置手動(dòng)開(kāi)關(guān)按鈕，當(dāng)轎廂內(nèi)或大廳候梯特殊人群發(fā)現(xiàn)電梯內(nèi)有人吸煙，或者轎廂內(nèi)乘客對(duì)于較低濃度煙霧仍體驗(yàn)不適時(shí)，可手動(dòng)開(kāi)啟轎廂排風(fēng)扇，迅速凈化轎廂內(nèi)空氣。

三、硬件設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證本轎廂禁煙排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性和實(shí)用性，本系統(tǒng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)室可實(shí)施驗(yàn)證的簡(jiǎn)化回路。該實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)回路可實(shí)現(xiàn)煙霧閾值檢測(cè)、煙霧濃度超閾值無(wú)線傳感器通傳、無(wú)線控制繼電器啟動(dòng)、無(wú)線控制點(diǎn)燈、無(wú)線控制蜂鳴器報(bào)警等系統(tǒng)功能。

（一）煙霧傳感器

本系統(tǒng)采用的煙霧傳感器為MQ-2傳感器模塊。該型號(hào)煙霧傳感器可以用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置，適宜于吸煙產(chǎn)生的煙霧探測(cè)，其靈敏度可根據(jù)數(shù)字電位器調(diào)節(jié)。MQ-2傳感器工作電壓為5V，要求使用前供電預(yù)熱2分鐘以上，工作時(shí)傳感器稍微發(fā)燙屬于正?，F(xiàn)象。該煙霧傳感器具有廣泛的探測(cè)范圍，其特點(diǎn)為靈敏度高，快速響應(yīng)恢復(fù)，穩(wěn)定性強(qiáng)，以及超長(zhǎng)壽命。

（二）無(wú)線控制系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)ZigBee無(wú)線傳輸模塊選用的是TI（德州儀器）的CC2530。CC2530是德州儀器研發(fā)生產(chǎn)的第二代ZigBee/IEEE 802.15.4 兼容片上系統(tǒng)，具有優(yōu)化的 8051 MCU 內(nèi)核和適用于2.4 GHz 免許可 ISM/SRD 頻段無(wú)線電。該模塊內(nèi)帶功放芯片CC2591，增加了無(wú)線通信距離，在標(biāo)準(zhǔn)200m以內(nèi)的井道長(zhǎng)度范圍可實(shí)現(xiàn)可靠無(wú)線信號(hào)通傳。

（三）其他硬件裝置

實(shí)驗(yàn)用繼電器采用焊接在開(kāi)發(fā)板上的一路繼電器模塊（光耦），低電平觸發(fā)，接線方式為VCC信號(hào)接電源正極，GND信號(hào)接電源負(fù)極，IN信號(hào)輸入端，接CC2530的P04引腳。

實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證回路語(yǔ)音播報(bào)使用有源蜂鳴器作為報(bào)警器，使用LED顯示燈表示排風(fēng)扇的開(kāi)閉。手動(dòng)開(kāi)關(guān)和LED指示燈為實(shí)驗(yàn)用常規(guī)品。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，編程需實(shí)驗(yàn)用PC 機(jī)一臺(tái)，安裝WIN7、WIN8、WIN10等系統(tǒng)，同時(shí)注意安裝IAR 環(huán)境時(shí)要使用管理員權(quán)限，以免程序運(yùn)行時(shí)報(bào)錯(cuò)。

四、程序設(shè)計(jì)

（一）流程設(shè)計(jì)

綜合考慮本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的用戶需求初衷，方便乘梯用戶操作，該系統(tǒng)流程詳細(xì)設(shè)計(jì)如下。

①在轎廂內(nèi)安裝煙霧傳感器，檢測(cè)轎廂內(nèi)煙霧濃度變化。

②在每個(gè)煙霧傳感器上連接無(wú)線傳輸裝置，轎廂內(nèi)煙霧濃度高過(guò)設(shè)定值，無(wú)線傳輸裝置將信號(hào)傳遞至轎頂排風(fēng)扇、轎廂內(nèi)語(yǔ)音報(bào)警裝置及大廳呼梯盒處的無(wú)線接收裝置。

③轎頂處無(wú)線接收裝置接收到煙霧濃度過(guò)高信號(hào)，開(kāi)啟排風(fēng)裝置，轎廂內(nèi)語(yǔ)音提示“轎廂內(nèi)請(qǐng)勿吸煙”。

④大廳呼梯盒處無(wú)線接收裝置接收到煙霧濃度過(guò)高信號(hào)，門(mén)楣處文字提示“轎廂內(nèi)有人吸煙”。

⑤轎廂內(nèi)選層器及大廳呼梯盒設(shè)置手動(dòng)開(kāi)啟排煙裝置按鈕。

⑥按下手動(dòng)排風(fēng)按鈕，排風(fēng)扇繼續(xù)開(kāi)啟。

（二）程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)

該系統(tǒng)的程序運(yùn)行需要基于IAR 開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序編寫(xiě)和運(yùn)行。嵌入式 IAR Embedded Workbench IDE能夠提供一個(gè)任何可用的工具都可以完整地嵌入其中的框架，包括高度優(yōu)化的IAR AVR C/C++編譯器，AVR IAR匯編器，通用 IAR XLINK Linker，IAR XAR庫(kù)創(chuàng)建器和IAR XLIB Librarian等。嵌入式 IAR Embedded Workbench適用于大量 8 位、16 位以及 32 位的微處理器和微控制器，使用戶在開(kāi)發(fā)新的項(xiàng)目時(shí)也能在所熟悉的開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行。嵌入式 IAR Embedded Workbench能有效提高用戶的工作效率，為用戶節(jié)省大量時(shí)間，它為用戶提供一個(gè)易學(xué)和具有最大量代碼繼承能力的開(kāi)發(fā)環(huán)境，以及對(duì)大多數(shù)和特殊目標(biāo)的支持。程序運(yùn)行須使用IAR8.10編寫(xiě)程序代碼和進(jìn)行程序運(yùn)行，同時(shí)需要SmartRF Flash Programmer 和仿真器，實(shí)現(xiàn)電腦與CC2530無(wú)線傳感器模塊程序互傳。

（三）程序設(shè)計(jì)

1.無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)空氣煙霧濃度功能

MQ-2傳感器模塊在無(wú)空間氣體影響或者氣體濃度未超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，數(shù)字接口DO口輸出高電平，模擬接口A0電壓基本為0v左右。傳感器模塊數(shù)字量輸出D0與CC2530電路板的P0_5直接相連，通過(guò)CC2530來(lái)檢測(cè)高低電平，由此來(lái)判斷環(huán)境氣體濃度是否超標(biāo)。當(dāng)環(huán)境煙霧濃度為0或低于設(shè)定值時(shí)，CC2530的P0_5保持高電平；當(dāng)煙霧傳感器監(jiān)測(cè)到環(huán)境煙霧濃度高于設(shè)定值時(shí)，模塊數(shù)字接口D0輸出低電平，CC2530的P0_5引腳收到低電平信號(hào)。

無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)空氣煙霧濃度主程序如下：

配置 P0_5：

P0DIR amp;= ～0x20; //配置與 MQ-2 連接的 P0_5 為輸入口

#define DATA_PIN P0_5 //定義 P0_5 為傳感器的輸入端

主要程序示例：

#include lt;ioCC2530.hgt;

typedef unsigned char uchar;

typedef unsigned int uint;

#define LED1 P1_0 //定義 P1_0 口為 LED1 控制端

#define DATA_PIN P0_5 //定義 P0_5 口為傳感器的輸入端

2.CC2530控制排風(fēng)扇及語(yǔ)音報(bào)警器

該系統(tǒng)采用CC2530芯片控制繼電器通、斷電，以實(shí)現(xiàn)控制轎頂風(fēng)扇開(kāi)、關(guān)和語(yǔ)音提示開(kāi)、關(guān)功能。在實(shí)驗(yàn)中將繼電器焊接在開(kāi)發(fā)板J9支座上，使用ZigBee CC2530的 P0_4 口作為繼電器的信號(hào)輸入端，高電平繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合；低電平繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)。

主要程序示例下：

#include lt;ioCC2530.hgt;

typedef unsigned char uchar;

typedef unsigned int uint;

#define DATA_PIN P0_4 //定義 P0_4 定義為輸出口

3.CC2530控制大廳提示燈

此功能基于Q2530SB板和CC2530 BasicRF（無(wú)線點(diǎn)燈）實(shí)現(xiàn)，轎廂內(nèi)設(shè)置的CC2530（終端 A）定義為發(fā)射模塊，大廳門(mén)楣處設(shè)置的 CC2530（終端 B）定義為接收模塊。

主要程序示例：

#define RF_CHANNEL 25// 2.4 GHz 射頻通道

// 基本射頻地址定義

#define PAN_ID" "0x2007

#define SWITCH_ADDR" "0x2520

#define LIGHT_ADDR" "0xBEEF

#define APP_PAYLOAD_LENGTH" "1

#define LIGHT_TOGGLE_CMD" "0

// 應(yīng)用程序狀態(tài)

#define IDLE" "0

#define SEND_CMD" "1

// 應(yīng)用程序角色

#define NONE" "0

#define SWITCH" "1

#define LIGHT" "2

#define APP_MODES" "2

4.手動(dòng)開(kāi)啟排風(fēng)扇功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)將手動(dòng)開(kāi)關(guān)裝置在轎廂選層器的下部位置，方便老人小孩或者殘疾人操作。如自動(dòng)運(yùn)行的排風(fēng)扇無(wú)法將轎廂內(nèi)空氣更新到符合乘客要求，乘客可按下手動(dòng)排風(fēng)按鈕，排風(fēng)扇繼續(xù)開(kāi)啟。如冬季轎廂內(nèi)因排風(fēng)扇開(kāi)啟造成溫度過(guò)低，也可手動(dòng)關(guān)閉排風(fēng)扇。此功能為系統(tǒng)追加功能，改造時(shí)需增加控制線纜。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)回路測(cè)試結(jié)果基本符合驗(yàn)證系統(tǒng)可行性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在MQ-2傳感器模塊附近燃燒香煙，監(jiān)測(cè)附近煙霧濃度變化，煙霧濃度高過(guò)設(shè)定值，傳感器傳輸?shù)碗娖街罜C2530無(wú)線傳輸裝置（終端A），該裝置監(jiān)測(cè)到輸入信號(hào)，觸發(fā)控制風(fēng)扇和語(yǔ)音開(kāi)關(guān)的繼電器，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中使用LED指示燈代替風(fēng)扇、蜂鳴器代替語(yǔ)音裝置的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，同時(shí)將信號(hào)傳遞至CC2530（終端B），實(shí)現(xiàn)無(wú)線點(diǎn)燈。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的轎廂禁煙排煙報(bào)警系統(tǒng)回路簡(jiǎn)單，改造內(nèi)容少，標(biāo)準(zhǔn)功能無(wú)需電纜，不占空間，方便安裝，便于量產(chǎn)，能夠增強(qiáng)直升梯使用中的人文性設(shè)計(jì)情懷，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中具有極高的推廣價(jià)值。由于無(wú)線傳輸具有不穩(wěn)定性，傳輸距離有限等局限性，該系統(tǒng)還存在一定的優(yōu)化空間。下一階段，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方向?qū)⑴c消防報(bào)警系統(tǒng)和維保系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)[3]，擴(kuò)大該系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景范圍。

作者單位：李丹 何旭中 李丹璐 牛明霞 胡健

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)人工智能學(xué)院

參" 考" 文" 獻(xiàn)

[1]李丹.基于人性化設(shè)計(jì)理念的綠色電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊.2019（35）：221.

[2]許東輝，郭秀娟.基于ZigBee的室內(nèi)溫濕度與煙霧信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2022，27（03）：108-113.

[3]李思宇，張竣淞，劉冬梅，等.基于ZigBee的高層建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，19（01）：64-71.