ZigBee+3G网络在新型井道式电梯监控系统中的应用

Application of ZigBee+3G Network in New Type

of Hoistway Elevator Monitoring System

闫学勤　谢丽蓉　程志江　陈志军

(新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐　830047)

ZigBee+3G网络在新型井道式电梯监控系统中的应用

Application of ZigBee+3G Network in New Type

of Hoistway Elevator Monitoring System

闫学勤谢丽蓉程志江陈志军

(新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐830047)

摘要：针对井道式电梯布线困难、检修维护以及人工成本较高的现状，结合电梯易发故障的原因，将ZigBee技术和3G网络应用于电梯监控系统。系统通过ZigBee无线传感器网络获得电梯终端采集数据，解决了布线困难、费用高的问题，并以嵌入式芯片S3C2440A为主控模块，设计实现了ZigBee模块与3G模块的通信，从而将现场数据传输到监控中心以评判电梯工作状态。系统整体方案设计合理，为井道式电梯故障诊断和健康状态的分析提供了网络化信息服务。

国家自然科学基金资助项目(编号：51264036)；

新疆维吾尔自治区教育厅高校科研计划青年基金资助项目(编号：XJEDU2012S06)；

2013年新疆维吾尔自治区重点技术创新基金资助项目(编号：XJZDCX2013424)。

修改稿收到日期：2014-06-28。

第一作者闫学勤(1978-),女，现为新疆大学电力系统及其自动化专业在读博士研究生，讲师；主要从事智能控制系统应用及物联网技术方面的研究。

关键词：S3C2440AZigBee3G无线传输电梯远程监控

Abstract：In order to solve the difficulties of wiring, detection, maintenance and higher labor costs for hoistway elevators, the ZigBee technology and 3G network are applied in elevator monitoring system by considering the reasons prone to failures of elevators. The wiring and high costs problems are solved through capturing collected data of elevator terminal by ZigBee wireless sensor network. In addition, by adopting embedded chip S3C2440A main control module, the communication between ZigBee module and 3G module is implemented. The overall design strategy of the system is reasonable, it provides networked information services for fault diagnosis and health status analysis on hoistway elevators.

Keywords：S3C2440AZigBee3GWireless transmissionElevatorRemote monitoring

0引言

随着城市化进程加快，我国已成为世界第一大电梯市场。伴随着电梯老龄化和身边电梯事故的频繁发生，电梯安全运行问题及电梯故障预警系统的应用越来越得到社会的广泛关注。虽然电梯维保单位会定期对电梯进行养护，但目前主要还是依靠被困人员、保安等现场人员来发现电梯故障。这往往导致救助不及时进而出现对被困人员的二次伤害，且由于乘客对故障描述不到位，影响故障的有效抢修。因此，研究开发电梯监控系统是非常有现实意义的。

尽管国外电梯监控系统可采用有线/无线等多种传输方式，但由于造价高、对象具体扩展性小，在国内很难引入实际应用。国内电梯监控主要采用有线方式传输，由于所采集的电梯信号分布在轿厢、电梯机房、井道等各个角落，布线繁琐，造成布线困难、部分信号无法获取，增加了电梯控制的不可靠性。随着电梯楼层的增加，轿厢随行电缆长度也相应加长，制造成本加大。电梯长期高负荷使用后，随行电缆易折损破坏，造成无法预知的安全问题[1]。

目前，国内也有采用GPRS/GSM方式将数据传送到管理系统中心，但系统功耗大，无法满足大量数据传输等要求[2]。鉴于ZigBee技术方便快捷、成本低且能解决布线问题和提高检修人员排查故障效率，并结合3G网络传输速度快的特点，本文提出了一种将ZigBee技术和3G网络应用到新型井道式电梯监控系统的方案，具有工程实际意义。

1系统总体方案设计

为了方便改造老旧电梯并保证电梯运行安全，本设计方案是独立于原有电梯控制系统的。系统主要由传感器终端节点、无线协调器节点和上位监控中心三部分组成。系统结构图如图1所示。传感器终端节点主要是由分布在各电梯轿厢内及轿顶上的传感器节点构成，负责监控电梯运行参数，并将采集到的数据通过ZigBee无线网络送到位于机房内的无线协调器节点。无线协调器节点通过3G方式将数据发送到远程监测中心。监测中心对获得的电梯运行数据进行存储、处理和显示，并分析电梯是否处于健康运行状态。如果数据不在安全范围内，则会立即通知物业公司和电梯维保单位及时处理，预防危险事故发生。

图1　系统结构图

2系统硬件设计

2.1　ZigBee模块介绍

ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗个域网协议，是一种短距离、低功耗、低成本的无线组网通信技术。该技术工作在2.4 GHz频段，由于加入了免费授权，该频段在任何地方使用都是免费的。

ZigBee网络包含协调器、汇聚节点(路由器)和传感器节点(终端设备)三种设备类型。在本系统中，传感器采集终端节点属于传感器节点类型，无线网关节点属于协调器类型。

系统所采用的ZigBee模块是由TI公司生产的CC2530作为核心芯片，完成节点通信。CC2530芯片内部集成高性能的8051 MCU和支持2.4 GHz IEEE 802.15.4射频收发模块，通过无线RF模块完成数据收发；具有8 kB的RAM、256 kB程序存储器和标准的UART和SPI，可以直接与其他终端设备实现串口通信；具有8 路输入配置，分辨率为12 位ADC，可通过A/D口采集电梯运行数据，并具有多种通信接口，满足设计需要[3]。

2.2　传感器采集终端节点设计

引起电梯发生事故的因素有很多，通过对大量电梯事故的调研发现，产生事故的主要原因包括：制动器失效、振动和噪声、超载保护装置失效等。因此，考虑到电梯安全运行，本系统主要选择的监控传输参数包括轿厢速度、轿厢载重、门锁开关感应、人体感应、振动信号、运行方向等。系统轿厢终端传感器采集节点如图2所示。在设计中，由于CC2530芯片性能满足传感器采集终端节点的设计要求，因此该节点采用CC2530芯片作为主控MCU，利用加速度传感器采集电梯振动信号，称重传感器获得轿厢载质量，激光测距仪获得电梯运行方向及速度等参数。同时，整合利用光电开关、红外人体感应器及霍尔开关等信号，最终完成对电梯开关门信号、电梯冲顶/蹲底、电梯困人、运行超时等情况发生的判断。当电梯发生突发情况时，为了能使乘客及时稳定情绪，在设计上采用语音提示模块ISD1760，对乘客给予操作指示及自我保护提示，尽量避免对乘客造成二次伤害[4-5]。此外，系统还加入报警提示及键盘交互，提高控制和配合效率。

图2　轿厢终端传感器采集节点硬件结构图

为了保证将电梯信号能够可靠高效地传输到机房内的无线网关节点，系统在采集节点上还扩展了配合CC2530芯片的射频前端芯片CC2591。CC2591是TI公司推出的工作频率为2.4 GHz、面向低功耗与低电压无线应用、集成度很高的射频前端芯片。CC2591集成了可将输出功率提高+22 dBm的功率放大器以及可将接收机灵敏度提高+6 dBm的低噪声放大器，其可将传输范围从100 m扩展到1 000 m，从而扩大了ZigBee无线网络的覆盖范围。

2.3　无线协调器节点设计

无线协调器节点除了要完成与传感器采集终端节点的通信之外，还要将获得的数据通过3G网络送达到监控中心，或将中心指令下传到终端节点，实现监控中心与终端节点的无线通信。无线协调器节点硬件包括ARM9主控模块、CC2530芯片、3G模块、LCD显示以及传感器检测等部分，硬件结构如图3所示。

图3　无线协调器节点硬件结构图

图3中，温度传感器采集曳引机温度，旋转编码器采集曳引机速度，并与所采集到的轿厢速度进行对比和判断。

无线协调器节点采用的主控芯片是以ARM920T为内核的S3C2440A芯片。芯片主频为400 MHz，采用16/32位RISC指令集，集成了通用的串口控制器、USB主机接口与USB设备接口、A/D转换器和GPIO等。在设计中，系统主控芯片S3C2440A通过SPI总线与CC2530相连接，通过ZigBee无线通信方式获得传感器采集节点上的电梯运行参数，并对接收到的数据进行综合分析处理，根据编写的内部软件传达对终端节点的控制和操作[6-8]。同时，还将数据传输到远程监测中心，判断电梯健康状态。

无线协调器节点与远程中心通信是利用3G模块来完成实现的。本次采用的是华为公司的EM770W WCDMA模块。该模块提供通用Mini PCI Express接口，集成了全速USB2.0接口且内置TCP/IP协议栈。系统主控模块通过USB主机接口与3G无线网卡设备EM770W模块相连用于数据传输，实现与远程监控中心的网络连接。它的数据通信速度远高于2G模式下的传输速率。使用3G模块通信时最关键的设计是SIM卡的设计，它关系到通信是否正常及费用的扣取。在设计过程中，SIM卡座一般应该距离模块接口较近的位置，避免因走线过长，使波形严重变形，从而影响信号的通信[9]。SIM卡的CLK及I/O信号的走线需包地处理。

3系统软件设计

3.1　传感器终端节点设计

传感器终端节点是电梯远程监控系统中的重要机构，它的核心任务是完成对电梯内各个传感器的信息采集，并实现ZigBee网络传输，接收控制中心节点的指令，对被控电梯进行操作。该节点主要是通过操作系统将传感器驱动程序、执行控制程序以及ZigBee协议栈结合起来有效合作，采用C语言编写，实现网络节点的加入以及数据和指令的传输[10]。在设计中，采用IAR Embedded Workbench for 8051构建ZigBee网络的软件开发环境，采用TI公司推出的ZigBee协议栈2007版。

ZigBee协议栈运行在操作系统抽象层(operating system abstraction layer，OSAL)上，OSAL操作系统是按照任务调度机制来运行，因此只有触发任务事件后才能实现任务调度。传感器采集节点控制流程图如图4所示。

图4　传感器采集节点流程图

部分程序代码如下所示。

typedefACQU_ADDR unsigned short;

typedefACQU_DATA unsigned char;

void main()

{ InitialAD();

init_lcd();

init_zigbee();

ACQU_ADDR addr=anst[2];

ACQU_DATA set_paw(PSW_Pispar(data));

data=read(addr，MEM_INT_RAM);

write(A_ADDR,MEM_INT_RAM,data);

}

3.2　无线协调器节点与3G模块通信设计

无线协调器节点软件设计主要包括作为协调器与采集节点的ZigBee模块的通信和协调器与3G模块的通信,以实现将数据上传到Internet上。本文主要介绍协调器主控芯片与3G模块的通信。

本节点主控芯片S3C2440A采用USB主机方式与从机EM770W进行通信。首先对EM770W模块进行参数配置，将数据接收方式设为主动上报方式。然后主控芯片通过USB接口向EM770W模块发出AT指令，与目标上位机建立TCP/IP连接，实现利用带宽码分多扯(wideband code division multiple access，WCDMA)网络与远程监控平台进行数据传输，同时也接收远程监测中心发送过来的配置指令和控制指令，并按照控制指令控制无线节点。其协调器节点MCU程序流程图如图5所示。

图5　协调器节点MCU程序流程图

3.3　远程监控平台设计

远程监控平台主要负责完成对电梯采集数据的存储、信息处理及预测故障分析。它采用B/S结构，利用TCP/IP协议的Socket套接字规范和面向对象程序设计语言进行编写。所有数据均存储到服务器上，客户端通过浏览器运行软件访问服务器上的数据。用户通过用户名和密码进行权限认证成功后，就可查询电梯系统的相关信息和状态数据。

软件通过Internet网络实现与无线网关的数据收发并对ZigBee网络终端节点的状态进行测试和控制。本文选取电梯称重传感器采集到的实时数据进行分析，其曲线如图6所示。

图6　电梯称重曲线图

由图6可以看出，称重数据未超过最高限制要求，未出现数据丢失。网络结构正常稳定，无线通信运行顺畅。

4结束语

鉴于ZigBee网络的功能特点，本文提出将ZigBee无线传感技术和3G网络应用到井道式电梯监控系统中，实现了对电梯运行参数的管理和分析，并根据数据结果,及时进行故障预测分析和运行状态监测。该方案解决了电梯井道空间小、布线困难的问题，使电梯安全监控更加低功耗、低成本，数据传输更可靠和便捷，提高了安监效率，降低了电梯企业的人工和维护成本。该方式可推广到智能家居、工业自动化等多个领域，具有良好的应用前景，对未来安全预警技术发展具有重要意义。

参考文献

[1] 刘松国,韩树新,李伟忠,等.电梯运行状态监测与故障远程报警系统研究[J].自动化与仪表,2011(10)：42-45.

[2] 徐凤亮,王凤林,王宜怀,等.基于无线传感器网络和3G的监控系统的研究与应用[J].测控技术,2013,32(8):99-102.

[3] 董建怀.基于CC2530的电流及温度监测系统的设计与实现[J].厦门理工学院学报,2011,19(3):59-63,73.

[4] 闫学勤,陈志军,程志江.无机房电梯的振动信号远程监测系统[J].自动化仪表,2011,32(8):47-49.

[5] 陈志军,程志江.基于CPLD的高精度数据采样系统的开发[J].电气自动化,2006,28(5):58-59,67.

[6] 季鹏,俞阿龙,贾芳芳.基于ZigBee的混凝土施工信息无线监测系统设计[J].传感器与微系统,2013,32(11):83-85,88.

[7] Elliotttv P.Regionaland on-farm wireless sensornetworks for agricultural systems in Eastern Washington[J].Computers and Electronics in Agriculture,2008,61(1):32-43.

[8] 闫海英,黄波,王晓喃.基于6LoWPAN无线传感网路的电梯监控系统研究[J].制造业自动化,2013,35(9)：62-63,72.

[9] 刘晓春,胡东平,简毅彬.基于多模组3G视频传输终端的硬件设计与仿真[J].电视技术,2011,35(11):61-64.

[10]Kruglinski D J.Visual C ++技术内幕[M].潘爱民,王国印,译.北京:清华大学出版社,1996.

中图分类号：TP277

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501001