基于Zigbee和物聯(lián)網(wǎng)的智能電梯系統(tǒng)設計

蔡宜均 李蘭英 薛博 劉峰

摘? 要：文章介紹了一種基于Zigbee和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以FPGA和Arduino為主控芯片的一種智能電梯系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)乘客通過手機APP實現(xiàn)乘梯預約和查看電梯的載重情況，擇優(yōu)選擇電梯的功能。另外，當樓層發(fā)生危機情況時，電梯可以幫助乘客疏散到安全的樓層。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)實現(xiàn)了設計目標。

關鍵詞：電梯預約;Zigbee;物聯(lián)網(wǎng);FPGA

中圖分類號：TP311.52? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0043-02

Abstract： This paper introduces an intelligent elevator system based on Zigbee and Internet of things technology， with FPGA and Arduino as the main control chips. The system can realize the passenger through the mobile phone APP to make a reservation and view the load of the elevator， select the function of the elevator. In addition， when there is a crisis on the floor， the elevator can help passengers evacuate to a safe floor. The test results show that the system has achieved the aim of the design.

Keywords： elevator reservation; Zigbee; Internet of things; FPGA

引言

在高層建筑中，電梯成為了人們出行的唯一工具。據(jù)統(tǒng)計，截止到2017年，我國電梯設備達到562.7萬臺，占全國特種設備的43.4%[1]。但乘客等待乘梯時間較長，導致出行效率低的情況一直存在。同時，發(fā)生火災時，樓梯往往是人們逃生的首選。但樓層較高時，樓梯疏散比較慢，而在國內(nèi)外已經(jīng)有利用電梯成功疏散的案例，例如 2001 年 911 恐怖襲擊中，利用電梯疏散超過 3000人[2]。目前，一些電梯已經(jīng)具有了防火的功能，甚至為達到防火功能，對電梯內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行特殊設計。

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通訊技術(shù)，本文設計了一個基于Zigbee和物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能電梯控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在保證電梯正常運行的同時，既能滿足乘客快速出行的需求，也能滿足監(jiān)控中心在火災或事故發(fā)生時借助電梯疏散用戶的需求。

1 系統(tǒng)整體設計

Zigbee網(wǎng)絡是一種功耗低、成本低、網(wǎng)絡容量大、傳輸距離短、時延短和適合少量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡技術(shù)。另外，Zigbee網(wǎng)絡具有自組適應網(wǎng)的優(yōu)勢，可以形成星型、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)三種類型的網(wǎng)絡。本文采用DIGI公司串口模塊Xbee 2C，在1200m內(nèi)采用星型網(wǎng)絡，若超過1200m則采用樹狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)由電梯控制模塊、網(wǎng)關控制模塊、物聯(lián)網(wǎng)平臺三部分組成。采用Zigbee星型網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能電梯系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。分散部署的電梯通過Zigbee網(wǎng)絡中的終端與協(xié)調(diào)器通訊，網(wǎng)關接口通過協(xié)調(diào)器接收分散在不同地點的電梯上傳的承載重量、溫度等運行狀況數(shù)據(jù)，并通過GPRS模塊或WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳到云端，供乘客和監(jiān)控中心查看電梯情況。另外，網(wǎng)關接口在檢測到電梯運行狀況異常時，將通過短信的方式發(fā)送給監(jiān)控中心和維修人員，以便及時救援與維修。管理人員可通過上位機監(jiān)控軟件查看電梯的運行狀況，對電梯進行緊急控制，乘客可以通過移動終端在特定時間預約電梯。云平臺選用Onenet實現(xiàn)，負責存儲乘客預約電梯的時間，在指定的時間通過WiFi或GPRS模塊向協(xié)調(diào)器發(fā)送指令，協(xié)調(diào)器下發(fā)預約指令到電梯控制器，調(diào)度指定的終端電梯到達指定的位置，從而實現(xiàn)預約功能。各個樓層安裝的煙霧報警器通過WiFi模塊或GPRS模塊將報警信息上傳云平臺，在檢測到該樓層發(fā)生火情時，云平臺可短信告知管理人員，管理人員啟動疏散命令，將乘客送到安全樓層。

2 硬件設計

智能電梯系統(tǒng)硬件設計包括兩部分：電梯控制系統(tǒng)設計和網(wǎng)關控制系統(tǒng)的設計。

考慮到FPGA的高可靠性，智能電梯控制系統(tǒng)采用FPGA作為控制器，其原理框圖如圖2所示。具體包括：FPGA可編程門陣列、電機驅(qū)動模塊，樓層及上下選擇按鍵模塊，Zigbee通訊模塊，運行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊，樓層顯示模塊，電源模塊，故障報警模塊等。

其中ZigBee模塊通過串口與FPGA連接，其余通過數(shù)字I/O接口與FPGA連接。XBee 2C模塊設置為終端或者路由器。

網(wǎng)關接口硬件包括Arduino[3]單片機、Zigbee通訊模塊、WiFi模塊和GPRS模塊等。Arduino選擇四串口的Mega 2560型號，Zigbee通訊模塊選用DIGI公司的Xbee 2C模塊[4-5]，并設置為協(xié)調(diào)器。WiFi選用ESP-01S串口模塊[6]，GPRS模塊可選擇4G模塊，負責短信報警，其中Xbee模塊、WiFi、GPRS模塊均通過串口與Arduino通訊。

3 軟件設計

基于Zigbee和物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能電梯系統(tǒng)軟件設計包括四部分：電梯控制軟件、上位機監(jiān)控軟件、網(wǎng)關接口軟件、電梯預約APP軟件。

3.1 電梯控制軟件

電梯控制軟件采用硬件描述語言實現(xiàn)，實現(xiàn)電梯運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的檢測，電梯的運行控制，以及檢測數(shù)據(jù)的上傳和控制命令的接收等功能。

檢測數(shù)據(jù)包括樓層、載重、電梯門開關狀態(tài)、煙霧狀態(tài)、溫度等。當某樓層檢測到火警時，運行中的電梯會變?yōu)榛鹁枭⒛Ｊ?，電梯會禁止響應電梯禁停區(qū)的叫梯，電梯禁停區(qū)為著火層及上下相鄰樓層。當有其他安全樓層的乘客進入電梯時，電梯會將高層住戶送到安全疏散層，安全疏散層可以設為禁停區(qū)的下一層。電梯將一批乘客送到安全疏散層后將會再次返回到其它安全樓層疏散其他的乘客。

3.2 上位機監(jiān)控軟件

上位機監(jiān)控軟件基于Onenet云平臺進行開發(fā)，Onenet云平臺是中國移動針對物聯(lián)網(wǎng)推出的開發(fā)平臺，具有免費、易用等特點。通過電梯上位機監(jiān)控軟件，監(jiān)控中心管理人員可以對電梯系統(tǒng)進行監(jiān)控，可以實時監(jiān)測電梯的運行狀態(tài)，控制電梯的啟停等。

3.3 網(wǎng)關接口軟件

網(wǎng)關接口軟件負責電梯運行數(shù)據(jù)的上傳和命令的下發(fā)。ZigBee無線傳輸采用ZigBee_API協(xié)議，各個電梯節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間保持通信，各個節(jié)點每隔固定時間向協(xié)調(diào)器發(fā)送幀數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器也可以向節(jié)點發(fā)出巡回查詢命令，收到命令的節(jié)點上傳數(shù)據(jù)幀。同時協(xié)調(diào)器還負責接收云端的命令數(shù)據(jù)，并下發(fā)到電梯。表 1給出了無線傳輸過程中發(fā)送包幀的格式。

3.4 電梯預約APP軟件

電梯預約APP的主要功能是展示電梯的狀態(tài)信息以及為用戶提供預約服務。軟件在初始化之后會實時檢測電梯當前是否可用，若當前電梯不可用，則用戶將無法進行預約服務，若當前電梯可用，則用戶將進入軟件主界面準備進一步的操作。

軟件的主界面顯示當前電梯的綜合狀態(tài)，主要包括電梯的可用性、電梯當前所處樓層、當前乘梯的人數(shù)等。用戶可根據(jù)當前電梯的狀態(tài)來自行決定是否進行預約。若進行預約服務，軟件將會詢問用戶當前所處樓層、前往的目標樓層、乘梯的人數(shù)等。如果預約成功，將會提示預約成功的狀態(tài)，并當電梯抵達用戶所在樓層時給出震動提示;如果預約失敗將會反饋給用戶預約失敗的原因，以便于用戶再做其他選擇。

4 結(jié)束語

科學技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，現(xiàn)有的電梯系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們想要快速出行以及發(fā)生危急狀況時，能快速安全進行疏散的需求，本設計通過將Zigbee網(wǎng)絡與物聯(lián)網(wǎng)云平臺應用于電梯，幫助乘客以預約電梯的方式快速出行，相對于傳統(tǒng)的僅能定點實時叫梯的方式，在出行上具有省時、提高出行效率的優(yōu)勢。同時在有危機情況如火災發(fā)生時，能夠及時通知監(jiān)控中心，同時也能調(diào)度電梯，幫助將人群疏散到安全樓層，提高了疏散的速度。該系統(tǒng)提高了住戶的出行效率，同時也使電梯的安全性、穩(wěn)定性、有效性有了提升。

參考文獻：

[1]李春生.電梯困人事故救援方法的分析與探討[J].機電工程技術(shù)，2019.

[2]施曉亮，戎蒙恬.基于ZigBee技術(shù)的電梯層站召喚解決方案[J].信息技術(shù)，2007.

[3]程晨.Arduino 開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[4]Digi International Inc. Wireless Connectivity Kit Getting Start-ed Guide.

[5]Digi International Inc. XBee/XBee -PRO S2C 802.15.4， RF Module User Guide，2017.