閆學(xué)勤，陳志軍，謝麗蓉，程志江

（新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）

基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的無(wú)機(jī)房電梯安監(jiān)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆學(xué)勤，陳志軍，謝麗蓉，程志江

（新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）

0 引言

隨著堅(jiān)固、耐用和高效的永磁同步曳引電機(jī)的成功開(kāi)發(fā)，作為綠色電梯的代表，無(wú)機(jī)房電梯已成為建筑業(yè)電梯市場(chǎng)新的選擇，逐步受到人們的青睞。但伴隨著人們?cè)谙硎軣o(wú)機(jī)房綠色電梯帶給我們便利的同時(shí)，隨之而來(lái)的電梯安全運(yùn)行問(wèn)題及電梯故障預(yù)警系統(tǒng)也受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。

雖然電梯維保單位會(huì)定期對(duì)電梯進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，但若電梯一旦發(fā)生故障還是會(huì)發(fā)生救助不及時(shí)進(jìn)而出現(xiàn)二次傷害，且由于乘客對(duì)故障描述不到位，影響到故障的有效搶修。因此，研究開(kāi)發(fā)電梯安監(jiān)預(yù)警系統(tǒng)是非常有現(xiàn)實(shí)意義的。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)線方式下的電梯預(yù)警系統(tǒng)，主要是采用GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)方式來(lái)實(shí)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(chǎng)總線方式將現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)中心。在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)不同型號(hào)的電梯會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)功耗大、布線繁瑣且一些信號(hào)無(wú)法接入等問(wèn)題。盡管國(guó)外已有較為成熟的電梯故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于造價(jià)高、對(duì)象具體擴(kuò)展性小，在國(guó)內(nèi)很難引入實(shí)際應(yīng)用。

本文面向?qū)嶋H應(yīng)用提出了獨(dú)立于原有電梯控制系統(tǒng)的電梯安監(jiān)預(yù)警系統(tǒng)方案，該方案通過(guò)對(duì)電梯各大部件重要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行全方位采集，以TI公司CC2530芯片為ZigBee網(wǎng)絡(luò)核心，并借助3G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電梯運(yùn)行參數(shù)的管理和分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果及時(shí)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)報(bào)警和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，提高的安監(jiān)效率，降低了電梯企業(yè)的人工和維護(hù)成本。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由傳感器終端采集節(jié)點(diǎn)、無(wú)線傳輸網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)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(diǎn)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(diǎn)構(gòu)成，來(lái)負(fù)責(zé)監(jiān)控電梯運(yùn)行參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再通過(guò)3G方式發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心對(duì)獲得的電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和顯示，并分析電梯是否處于健康運(yùn)行狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)不在安全范圍內(nèi)，則會(huì)立即通知物業(yè)公司和電梯維保單位及時(shí)處理，預(yù)防危險(xiǎn)事故發(fā)生，防患于未然。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)大量電梯事故調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在電梯運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生事故的主要原因包括：1）制動(dòng)器失效；2）振動(dòng)和噪聲（電梯轎箱由于結(jié)構(gòu)件相互作用、導(dǎo)向輪偏差、導(dǎo)軌不平或與轎箱固有頻率產(chǎn)生共振等因素）；3）超載保護(hù)裝置失效；4）溫度過(guò)高（同步曳引機(jī)溫度）；5）關(guān)門(mén)防夾裝置失效；6）限速器失效（曳引輪槽磨損）；7）開(kāi)關(guān)門(mén)聯(lián)鎖不通等。因此考慮到電梯安全運(yùn)行，在本系統(tǒng)中主要選擇的監(jiān)控參數(shù)包括曳引機(jī)溫度、轎廂速度、門(mén)鎖開(kāi)關(guān)感應(yīng)、人體感應(yīng)、振動(dòng)信號(hào)和運(yùn)行方向等。系統(tǒng)傳感器終端采集節(jié)點(diǎn)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(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

傳感器終端采集節(jié)點(diǎn)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(hào)，并利用其串行外設(shè)接口SPI與無(wú)線設(shè)備CC2530實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)點(diǎn)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(guò)無(wú)線RF模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)；具有8kB的RAM、256kB程序存儲(chǔ)器和標(biāo)準(zhǔn)的UART和SPI，可以直接與其他終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)串口通信。若電梯運(yùn)行出現(xiàn)故障，主控MCU還通過(guò)語(yǔ)音提示芯片ISD1706為乘客提供自我保護(hù)和相關(guān)操作提示，并進(jìn)行報(bào)警。此處CC2530作為終端設(shè)備來(lái)使用。在節(jié)點(diǎn)上還擴(kuò)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(wú)線應(yīng)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(jī)靈敏度提高+6dBm的低噪聲放大器，從而擴(kuò)大了ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

2.2 無(wú)線傳輸網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

無(wú)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(shè)計(jì)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(guò)SPI總線接入主控模塊芯片S3C2440A中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而主控模塊通過(guò)USB接口與3G模塊通信，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的Internet鏈接。圖4所示為ZigBee無(wú)線收發(fā)芯片與主控模塊連接圖。

圖3 無(wú)線傳輸網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖4 ZigBee無(wú)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(jī)接口、USB設(shè)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(duì)傳感器終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的電梯運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行綜合分析處理，并根據(jù)編寫(xiě)的內(nèi)部軟件來(lái)傳達(dá)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的控制和操作。同時(shí)，還將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(guò)USB主機(jī)接口與3G無(wú)線網(wǎng)卡設(shè)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(yuǎn)高于2G模式下的傳輸速率。

對(duì)于3G模塊的外圍電路設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的是SIM卡電路設(shè)計(jì)。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(yīng)該距離模塊接口較近的位置，避免因走線過(guò)長(zhǎng)，使波形嚴(yán)重變形，從而影響信號(hào)的通信。USIM-CLK和USIM-I/0信號(hào)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(shè)計(jì)

3.1 傳感器終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器終端節(jié)點(diǎn)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(luò)傳輸。其主要是通過(guò)操作系統(tǒng)將傳感器驅(qū)動(dòng)程序、執(zhí)行控制程序以及ZigBee協(xié)議棧結(jié)合起來(lái)有效合作，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。在設(shè)計(jì)中，采用IAR Embedded Workbench for 8051來(lái)構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)的軟件開(kāi)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(yùn)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(wù)調(diào)度機(jī)制來(lái)運(yùn)行，因此只有對(duì)任務(wù)的事件觸發(fā)后來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。

3.2 無(wú)線傳輸網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

3.2.1 與ZigBee模塊通信的程序設(shè)計(jì)

ZigBee模塊與主控模塊芯片S3C2440A是通過(guò)SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主要是將遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的命令通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各個(gè)子節(jié)點(diǎn)，以便對(duì)各子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。同時(shí)，還根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的情況，將收到的各節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心來(lái)保存和數(shù)據(jù)分析處理。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的節(jié)點(diǎn)地址就可進(jìn)行相應(yīng)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(diǎn)流程圖

3.2.2 與3G模塊通信的程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控芯片S3C2440A采用USB主機(jī)方式與從機(jī)EM770W進(jìn)行通信。首先對(duì)EM770W模塊進(jìn)行參數(shù)配置，將數(shù)據(jù)接收方式設(shè)為主動(dòng)上報(bào)方式。然后主控芯片通過(guò)USB接口箱3G模塊（EM770W）發(fā)出AT指令，并利用WCDMA網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)MCU流程圖如圖7所示。

圖7 嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)MCU程序流程圖

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

電梯安全遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)是通過(guò)利用LabVIEW軟件，來(lái)負(fù)責(zé)完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和信息處理。根據(jù)對(duì)所獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，并依據(jù)訓(xùn)練好的模型來(lái)判斷，從而提高系統(tǒng)的收斂速度和精度，增強(qiáng)判斷電梯安全運(yùn)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(yùn)行結(jié)果與分析

系統(tǒng)將無(wú)線網(wǎng)關(guān)的IP地址設(shè)置為192.168.16.1，監(jiān)控平臺(tái)可通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)網(wǎng)關(guān)，搜索到整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線節(jié)點(diǎn)以及他們的MAC地址和節(jié)點(diǎn)名稱，并將所獲得的各節(jié)點(diǎn)上采集數(shù)據(jù)顯示并存儲(chǔ)分析，判斷電梯的健康狀態(tài)。其監(jiān)控平臺(tái)界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)

5 結(jié)束語(yǔ)

鑒于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)體積小，無(wú)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(yùn)行空間小、布線復(fù)雜且需要全方位采集多數(shù)據(jù)的對(duì)象上使用。本文將ZigBee網(wǎng)絡(luò)引入無(wú)機(jī)房電梯安監(jiān)預(yù)警系統(tǒng)中，可較好的預(yù)測(cè)門(mén)聯(lián)鎖不通，曳引機(jī)溫度過(guò)高，轎廂振動(dòng)情況，轎廂門(mén)及廳門(mén)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(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域去使用，只要能結(jié)合實(shí)際情況量身定制，具有良好的應(yīng)用前景，對(duì)未來(lái)安監(jiān)技術(shù)的發(fā)展具有重要價(jià)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(duì)無(wú)機(jī)房電梯檢修維護(hù)困難以及人工成本較高的現(xiàn)狀，根據(jù)無(wú)機(jī)房電梯測(cè)試環(huán)境特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wSN）和3G（wCDMA）網(wǎng)絡(luò)的電梯無(wú)線安監(jiān)預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)由傳感器終端節(jié)點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成。詳細(xì)介紹了電梯無(wú)線終端采集節(jié)點(diǎn)以及以嵌入式芯片S3C2440A為主控模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)ZigBee模塊與3G模塊EM770w通信的網(wǎng)關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)可以解決目前無(wú)機(jī)房電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)存在的布線費(fèi)用高、維護(hù)困難、信息傳輸不暢，故障解決不及時(shí)等問(wèn)題，從而為無(wú)機(jī)房電梯故障診斷和健康狀態(tài)的分析提供網(wǎng)絡(luò)化信息服務(wù)。

無(wú)機(jī)房電梯；ARM9；CC2530；3G；安監(jiān)預(yù)警

閆學(xué)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(yīng)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?jì)劃青年基金項(xiàng)目（XJEDU2012S06）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51264036)；2013年自治區(qū)重點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目：帶超級(jí)電容的群控電梯能量饋網(wǎng)裝置的中試