基于無線傳感網(wǎng)絡的無機房電梯安監(jiān)預警系統(tǒng)設計

閆學勤，陳志軍，謝麗蓉，程志江

（新疆大學 電氣工程學院，烏魯木齊 830047）

基于無線傳感網(wǎng)絡的無機房電梯安監(jiān)預警系統(tǒng)設計

閆學勤，陳志軍，謝麗蓉，程志江

（新疆大學 電氣工程學院，烏魯木齊 830047）

0 引言

隨著堅固、耐用和高效的永磁同步曳引電機的成功開發(fā)，作為綠色電梯的代表，無機房電梯已成為建筑業(yè)電梯市場新的選擇，逐步受到人們的青睞。但伴隨著人們在享受無機房綠色電梯帶給我們便利的同時，隨之而來的電梯安全運行問題及電梯故障預警系統(tǒng)也受到了社會的廣泛關(guān)注。

雖然電梯維保單位會定期對電梯進行養(yǎng)護，但若電梯一旦發(fā)生故障還是會發(fā)生救助不及時進而出現(xiàn)二次傷害，且由于乘客對故障描述不到位，影響到故障的有效搶修。因此，研究開發(fā)電梯安監(jiān)預警系統(tǒng)是非常有現(xiàn)實意義的。

目前，國內(nèi)外對于無線方式下的電梯預警系統(tǒng)，主要是采用GPRS/GSM網(wǎng)絡方式來實現(xiàn)將數(shù)據(jù)送到管理系統(tǒng)中心。此外，還有一些系統(tǒng)是利用以太網(wǎng)或現(xiàn)場總線方式將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)中心。在實際應用中，針對不同型號的電梯會出現(xiàn)系統(tǒng)功耗大、布線繁瑣且一些信號無法接入等問題。盡管國外已有較為成熟的電梯故障監(jiān)測系統(tǒng)，由于造價高、對象具體擴展性小，在國內(nèi)很難引入實際應用。

本文面向?qū)嶋H應用提出了獨立于原有電梯控制系統(tǒng)的電梯安監(jiān)預警系統(tǒng)方案，該方案通過對電梯各大部件重要運行參數(shù)進行全方位采集，以TI公司CC2530芯片為ZigBee網(wǎng)絡核心，并借助3G網(wǎng)絡，實現(xiàn)了對電梯運行參數(shù)的管理和分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果及時進行故障預測報警和運行狀態(tài)監(jiān)測，提高的安監(jiān)效率，降低了電梯企業(yè)的人工和維護成本。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)主要由傳感器終端采集節(jié)點、無線傳輸網(wǎng)關(guān)和遠程監(jiān)控中心三部分組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

傳感器終端采集節(jié)點主要是由分布在各電梯轎廂內(nèi)及轎頂上的傳感器節(jié)點構(gòu)成，來負責監(jiān)控電梯運行參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點再通過3G方式發(fā)送到遠程監(jiān)測中心。監(jiān)測中心對獲得的電梯運行數(shù)據(jù)進行存儲、處理和顯示，并分析電梯是否處于健康運行狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)不在安全范圍內(nèi)，則會立即通知物業(yè)公司和電梯維保單位及時處理，預防危險事故發(fā)生，防患于未然。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器終端節(jié)點設計

通過對大量電梯事故調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在電梯運行過程中產(chǎn)生事故的主要原因包括：1）制動器失效；2）振動和噪聲（電梯轎箱由于結(jié)構(gòu)件相互作用、導向輪偏差、導軌不平或與轎箱固有頻率產(chǎn)生共振等因素）；3）超載保護裝置失效；4）溫度過高（同步曳引機溫度）；5）關(guān)門防夾裝置失效；6）限速器失效（曳引輪槽磨損）；7）開關(guān)門聯(lián)鎖不通等。因此考慮到電梯安全運行，在本系統(tǒng)中主要選擇的監(jiān)控參數(shù)包括曳引機溫度、轎廂速度、門鎖開關(guān)感應、人體感應、振動信號和運行方向等。系統(tǒng)傳感器終端采集節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 傳感器終端采集節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

傳感器終端采集節(jié)點采用32位ARM處理器STM32f103作為主控器，采集安裝在轎頂?shù)母鞣N傳感器信號，并利用其串行外設接口SPI與無線設備CC2530實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)點通信。CC2530芯片內(nèi)部集成高性能的8051MCU和支持2.4GHz IEEE802.15.4射頻收發(fā)模塊，通過無線RF模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)；具有8kB的RAM、256kB程序存儲器和標準的UART和SPI，可以直接與其他終端設備實現(xiàn)串口通信。若電梯運行出現(xiàn)故障，主控MCU還通過語音提示芯片ISD1706為乘客提供自我保護和相關(guān)操作提示，并進行報警。此處CC2530作為終端設備來使用。在節(jié)點上還擴展了配合CC2530芯片的射頻前端芯片CC2591。CC2591是TI公司推出的工作頻率為2.4GHz，面向低功耗與低電壓無線應用，集成度很高的射頻前端芯片。CC2591集成了可將輸出功率提高+22dBm的功率放大器以及可將接收機靈敏度提高+6dBm的低噪聲放大器，從而擴大了ZigBee無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍。

2.2 無線傳輸網(wǎng)關(guān)設計

無線傳輸網(wǎng)關(guān)硬件由CC2530芯片、ARM9主控模塊、LCD顯示、3G模塊及電源模塊等部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。在設計中選用以ARM920T為內(nèi)核的S3C2440A作為系統(tǒng)控制核心，CC2530模塊通過SPI總線接入主控模塊芯片S3C2440A中進行數(shù)據(jù)傳輸，而主控模塊通過USB接口與3G模塊通信，實現(xiàn)與遠程監(jiān)控中心的Internet鏈接。圖4所示為ZigBee無線收發(fā)芯片與主控模塊連接圖。

圖3 無線傳輸網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖4 ZigBee無線收發(fā)模塊

本系統(tǒng)主控模塊采用的S3C2440A芯片主頻是400MHz，采用16/32位RISC指令集，集成了通用的串口控制器、USB主機接口、USB設備接口、A/D轉(zhuǎn)換器和GPIO等。其外圍硬件接口還包括64MB的SDRAM，以及SD接口和LCD屏。主控模塊主要完成對傳感器終端節(jié)點發(fā)送來的電梯運行參數(shù)進行綜合分析處理，并根據(jù)編寫的內(nèi)部軟件來傳達對終端節(jié)點的控制和操作。同時，還將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)測中心，判斷電梯健康狀態(tài)。

3G模塊采用華為公司的EM770W WCDMA模塊。該模塊提供通用Mini PCI Express接口，并集成了全速USB2.0接口并且內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧。系統(tǒng)主控模塊通過USB主機接口與3G無線網(wǎng)卡設備EM770W模塊相連用于數(shù)據(jù)傳輸。它的數(shù)據(jù)通信速度遠高于2G模式下的傳輸速率。

對于3G模塊的外圍電路設計中，最關(guān)鍵的是SIM卡電路設計。如圖5所示，SIM卡接口速率典型值在3.25 MHz左右，因此USIM卡座應該距離模塊接口較近的位置，避免因走線過長，使波形嚴重變形，從而影響信號的通信。USIM-CLK和USIM-I/0信號的走線需包地處理。

圖5 USIM卡接口電路示意圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 傳感器終端節(jié)點設計

傳感器終端節(jié)點的軟件功能主要是完成電梯數(shù)據(jù)的采集處理和ZigBee網(wǎng)絡傳輸。其主要是通過操作系統(tǒng)將傳感器驅(qū)動程序、執(zhí)行控制程序以及ZigBee協(xié)議棧結(jié)合起來有效合作，采用C語言編寫。在設計中，采用IAR Embedded Workbench for 8051來構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡的軟件開發(fā)環(huán)境，采用TI公司推出的ZigBee協(xié)議棧2007版。ZigBee協(xié)議棧運行在OSAL（操作系統(tǒng)抽象層)操作系統(tǒng)上，該操作系統(tǒng)是按照任務調(diào)度機制來運行，因此只有對任務的事件觸發(fā)后來實現(xiàn)任務調(diào)度。

3.2 無線傳輸網(wǎng)關(guān)設計

3.2.1 與ZigBee模塊通信的程序設計

ZigBee模塊與主控模塊芯片S3C2440A是通過SPI總線進行數(shù)據(jù)傳輸。主要是將遠程監(jiān)控平臺的命令通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送到各個子節(jié)點，以便對各子節(jié)點進行管理。同時，還根據(jù)各節(jié)點的情況，將收到的各節(jié)點信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心來保存和數(shù)據(jù)分析處理。網(wǎng)關(guān)節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的節(jié)點地址就可進行相應的數(shù)據(jù)處理。其流程圖如圖6所示。

switch(node IP){

圖6 網(wǎng)關(guān)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點流程圖

3.2.2 與3G模塊通信的程序設計

本系統(tǒng)主控芯片S3C2440A采用USB主機方式與從機EM770W進行通信。首先對EM770W模塊進行參數(shù)配置，將數(shù)據(jù)接收方式設為主動上報方式。然后主控芯片通過USB接口箱3G模塊（EM770W）發(fā)出AT指令，并利用WCDMA網(wǎng)絡與遠程監(jiān)控平臺進行數(shù)據(jù)傳輸。其嵌入式無線網(wǎng)關(guān)MCU流程圖如圖7所示。

圖7 嵌入式無線網(wǎng)關(guān)MCU程序流程圖

3.3 遠程監(jiān)控平臺軟件設計

電梯安全遠程監(jiān)測管理平臺是通過利用LabVIEW軟件，來負責完成對采集數(shù)據(jù)的存儲和信息處理。根據(jù)對所獲得的實時數(shù)據(jù)分析，并依據(jù)訓練好的模型來判斷，從而提高系統(tǒng)的收斂速度和精度，增強判斷電梯安全運行狀態(tài)的可靠性。為用戶更好地判斷電梯的工作性能提供分析和決策依據(jù)。

4 運行結(jié)果與分析

系統(tǒng)將無線網(wǎng)關(guān)的IP地址設置為192.168.16.1，監(jiān)控平臺可通過以太網(wǎng)訪問網(wǎng)關(guān)，搜索到整個無線網(wǎng)絡中的無線節(jié)點以及他們的MAC地址和節(jié)點名稱，并將所獲得的各節(jié)點上采集數(shù)據(jù)顯示并存儲分析，判斷電梯的健康狀態(tài)。其監(jiān)控平臺界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)監(jiān)控平臺

5 結(jié)束語

鑒于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡具有節(jié)點體積小，無需布線，方便快捷、支持多址接收和自主網(wǎng)等功能，比較適合在電梯等要求運行空間小、布線復雜且需要全方位采集多數(shù)據(jù)的對象上使用。本文將ZigBee網(wǎng)絡引入無機房電梯安監(jiān)預警系統(tǒng)中，可較好的預測門聯(lián)鎖不通，曳引機溫度過高，轎廂振動情況，轎廂門及廳門故障，三相電斷相停梯等故障。該方式可推廣到家庭控制、工業(yè)自動化等多個領域去使用，只要能結(jié)合實際情況量身定制，具有良好的應用前景，對未來安監(jiān)技術(shù)的發(fā)展具有重要價值。

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Machine-room-less elevator safety early warning system based on WSN

YAN Xue-qin, CHEN Zhi-jun, XIE Li-rong, CHENG Zhi-jiang

針對無機房電梯檢修維護困難以及人工成本較高的現(xiàn)狀，根據(jù)無機房電梯測試環(huán)境特點和要求，設計了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡（wSN）和3G（wCDMA）網(wǎng)絡的電梯無線安監(jiān)預警系統(tǒng)。系統(tǒng)由傳感器終端節(jié)點、無線網(wǎng)關(guān)和遠程監(jiān)控中心三部分組成。詳細介紹了電梯無線終端采集節(jié)點以及以嵌入式芯片S3C2440A為主控模塊來實現(xiàn)ZigBee模塊與3G模塊EM770w通信的網(wǎng)關(guān)軟硬件設計方法。系統(tǒng)可以解決目前無機房電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)存在的布線費用高、維護困難、信息傳輸不暢，故障解決不及時等問題，從而為無機房電梯故障診斷和健康狀態(tài)的分析提供網(wǎng)絡化信息服務。

無機房電梯；ARM9；CC2530；3G；安監(jiān)預警

閆學勤（1978 -），女，新疆吉木薩爾人，講師，主要從事智能控制系統(tǒng)及應用方面的研究。

TP277

A

1009-0134(2014)05(下)-0146-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).42

2014-02-27

新疆維吾爾自治區(qū)教育廳高?？蒲杏媱澢嗄昊痦椖浚╔JEDU2012S06）；國家自然科學基金項目（51264036)；2013年自治區(qū)重點技術(shù)創(chuàng)新項目：帶超級電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置的中試