基于ZigBee的电梯环境调节与安全预警系统

吉泽欢，蔺超文，孙 根，杨 凯

（徐州工程学院 江苏 徐州 221008）

电梯已经深深地渗透到我们日常生活中，在我们的生活中扮演着重要的角色，尤其是随着现代化步伐的加快，城市的建筑物越来越高，电梯为我们上下楼节约了宝贵的时间，电梯无形中已经成为了人们路途中移动的“家”。然而作为“家”的电梯却还存在很多安全隐患、环境恶劣以及能源浪费等问题，这与以人为本[1]、节约能源等小康社会的基本要求不符合，在一定程度上降低了人们的生活质量。

目前致力于电梯研究的科研人员比较多，但将无线技术和传感器技术都融入电梯的还不多，大多只是研究其中的某一方面，较为不全面，例如有些对电梯的改进只注重变速调节、运行速度、并联控制、各类电梯专用等方面，而对电梯智能识别控制、电梯外部监控、绿色节能等研究较少，随着能源问题的日益突出和人们对生活质量的要求越来越高，对电梯节能技术和安全舒适方面的研究与应用已经是众多电梯生产商的目标[2]。而纯粹的节能技术例如最新成果节能再生器只是对电梯机械位能的重利用，未涉及电梯本身多余耗能，对电梯的轿厢监控系统不能监控到轿厢外部环境，总之对现有电梯的改进没有明显的效果。本文所介绍的这套电梯系统正是基于这样的背景产生的。

1 系统硬件组成

1.1 单片机控制电路

单片机控制电路组织和控制每个传感器和执行机构进行有序协调的工作。单片机选用美国德州仪器公司生产的CC2530F256[3]，可以提供两个USART，其中一个用于和控制电梯运行的PLC通信，这样可以在原有电梯的基础上改进，减小开发成本，另外一个USART用于和加速度计MPU6000通信，采集加速度计的数据。此外这一款单片机内部集成了ZigBee[4]模块，可以将采集到的数据通过无线方式发送到控制中心，用于分析处理。

1.2 温湿度传感器AM2302

AM2302数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个AM2302传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。因此这款传感器可以及时地检测电梯轿厢内的温湿度，然后启动交流风机或空调装置调节轿厢内的温湿度，这样可以让乘客更加舒适地乘坐电梯。

1.3 烟雾传感器模块MQ-2

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。因此将这款传感器用在轿式电梯中可以有效地检测到轿厢内的烟雾浓度从而预防火灾的发生。

1.4 人体红外感应模块HC-SR501

HC-SR501 是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778 探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。将这个模块用于电梯中可以有效地检测到电梯内外是否有人，这样就可以解决乘客按过电梯按钮后离开的问题，从而减少电梯运行的耗能和其他人等待电梯的时间。

1.5 光强度模块BH1750FVI

BH1750FVI 是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。将这个模块用在电梯中可以检测电梯轿厢内的光强度，从而适当地调节轿厢内的照明灯光强度，这样可以节约电能和延长照明灯的使用寿命。

1.6 加速度传感器MPU-6050[5]

MPU-6050是全球首例9轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（DigitalMotionProcessor），可用I2C[6]接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C接口输出一个9轴的信号。MPU-6050也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。 MPU-6050对陀螺仪和加速度计分别用了3个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为± 250，± 500，± 1 000，±2 000°/秒（dps），加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16 g。 一个片上1 024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。和所有设备寄存器之间的通信采用400 kHz的I2C接口。另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。 芯片尺寸4×4×0.9 mm，采用QFN封装（无引线方形封装），可承受最大10 000 g的冲击，并有可编程的低通滤波器。这款传感器用于电梯中可以实时地检测电梯运行的加速度，从而感知到电梯运行是否处于故障状态，这样就可以及时告知乘客脱离危险，有预警作用。

1.7 声音传感器模块

声音传感器模块就是用于检测电梯轿厢内的声音，包括电梯运行时的声音和轿厢内乘客的说话声。当电梯运行故障时会发出特定范围内频率的声音，这种特定频率的声音可以被监测到，从而发出预警信号让乘客规避危险。当电梯运行故障不能打开轿厢门并且乘客被困在轿厢内时，乘客可以通过声音传感器和外部营救人员对话，这样有利于解救被困乘客。

2 系统软件功能

基于ZigBee的电梯环境调节与安全预警系统的终端软件主要完成各模块初始化设置、采集传感器数据、发送采集到的数据、接收控制中心发来的数据、控制执行机构工作等。软件功能框图如图1所示。

图1 软件功能框图Fig.1 Functional block diagram of the software

3 结束语

本文设计的基于ZigBee的电梯环境调节与安全预警系统具有如下特点：1）对电梯轿厢内的环境能起到优化调节作用；2）电梯如果出现故障能及时发出警报并且通知控制中心；3）消除人们误按乱按电梯按钮导致的不良影响；4）节省乘客时间和节约电梯运行耗能。该系统工作稳定可靠，成本低廉，适合目前各种轿式电梯的改造。

[1] 杨敏．浅析“以人为本”在电梯产品设计中的体现[J]．中国电梯，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，刘家臣，范林玉,等．基于电梯智能监控与节能分析[J].计算机应用，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，刘盛德，胡咸斌．ZigBee技术及应用［M］．北京：北京航空航天大学出版社，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单片机C语言教程 [M]．北京：电子工业出版社，2009.