基于ZigBee的电梯无线预警系统

刁 莎，常晓清，陆 瑢，刘鹏博，仇润鹤

0 引言

随着城市化进程加快，越来越多的高层建筑拔地而起，中国电梯市场已成为世界第一大电梯市场，随之而来的电梯安全问题及一些电梯故障预警系统也备受关注。目前，国内外对于无线的电梯故障预警系统，大多是基于 GPRS/GSM网络的电梯无线预警系统，监测系统通过GPRS网络将数据传往远程数据中心。还有国内的一些电梯监测预警系统，可定制基于嵌入式芯片的电梯故障监测采集板，通过以太网或现场总线将现场数据接入监测中心。这种系统功耗大，布线麻烦，无法实现小区多楼多电梯监测；且在实际应用过程中，不同型号电梯控制接口不同，需采集的信号分布在轿厢、电梯控制机房、梯井等各个角落，需要繁琐的布线，一些信号无法接入。国外的一些大型的电梯公司已研发出较成熟的电梯监测预警系统，由于针对性较强，成本过高，可扩展性小，很难在国内应用。

ZigBee技术是非赢利性组织ZigBee联盟开发的，一套无线传感器网络协议和应用规范[1]，ZigBee网络的主节点具有自动路由功能，可根据用户实际需求自组网络结构，每个独立节点的插拔对整个网络结构无影响。ZigBee的节点功耗低、数据传输速度快、可靠性高、成本低、体积小、移动方便，更加适合电梯监测这种分布式的多点的监测场合。

1 系统设计

1.1 系统结构

基于ZigBee 的电梯无线预警系统系统，是由小区电梯终端采集节点和远程数据中心两级结构组成，两级结构之间通过ZigBee无线网络传输数据进行通信，小区电梯终端采集节点采用特有的分布式结构，每个采集点相对独立，由不同类型的ZigBee无线传感器构成，分布于小区不同高楼不同电梯的电梯机房、电梯轿厢顶端、轿厢内等位置。ZigBee无线协调器将各个小区电梯终端采集节点通过ZigBee无线网络传来的电梯数据汇总并接入以太网。远程数据中心的服务器解释前端数据，根据国家质检总局和国家标准委发布的《电梯技术条件》对电梯运行的各项指标作出的明确指示，预警电梯的各种故障或参数超标信息，及时通过人机友好界面提醒相关人员第一时间有针对性地排除电梯故障，保障人身财产安全，如图1所示：

图1 基于ZigBee 的电梯无线预警系统系统结构

1.2 系统设计

电梯无线预警系统需要大量ZigBee节点长时间不间断地无线通信，须选用低成本、低功耗、可扩展性强的ZigBee模块。本系统选用美国digi公司的Drop-In Networking开发套件搭建ZigBee无线网络。ZigBee/802.15.4 无线网状网关、适配器、模块、扩展器和环境传感器，以及基于无线的串行通讯和以太网通讯电缆替代设备，具备立即联网功能，可用于没有网络基础设施、使用有线网络受到限制、布线困难或有成本限制的场合[2]。

小区电梯终端采集节点选用套件中的 XBee &XBee-PRO嵌入式无线模块，其充分结合了易于使用的网状网网络和可全球部署的2.4GHz的收发器，简化了网状网网络，同时提供了先进的网络功能，具有路由器休眠模式和较高的网络节点密度，网状网可自愈和自动搜索，适合电梯现场长时间多点采集的需要。这些无线模块分为不同类型，具有多种结构，如搭载传感器的一体式ZigBee无线传感模块，带有串口或以太网接口等多种接口类型的ZigBee无线数据传输模块。因此小区电梯终端采集节点既可采用一体式的带ZigBee无线通信功能的无线传感器，也可采用传统的检测传感装置与ZigBee无线传输模块接口的方式。本设计结合了以上方式，灵活设置采集节点，增强了系统的可扩展性。

ZigBee无线协调器置于远程数据中心端，选用digi公司的ConnectPort X2可编程网关。该网关为ZigBee转以太网/Wi-Fi网关，内带NS7520 ARM7高性能微处理器，主频为2.4GHz，运算速度快，8MB的RAM用于运行下载程序和存放动态数据，4MB的FLASH用于存储功能，通讯速率最大可达11Mbps，带回退算法，可满足电梯实时预警的需求。可编程网关基于Python开发环境，可自动实现监控、报警通知和设备管理任务。网关接收来自小区电梯终端采集节点的无线数据并通过以太网接口传入远程数据中心。

远程数据中心运用 C# 开发人机交互友好界面，无线协调器通过以太网与数据中心服务器进行网络通信，使用TCP/IP协议建立SOCKET连接通信。

2 电梯终端检测及无线传感

2.1 检测内容的选择

本系统对电梯故障进行实时预警。终端检测模块负责电梯端各电梯性能及实时状态的检测。引起电梯出现故障的主要原因有[3]：

1) 断相引起停梯。当三相电源出现断相时，相序继电器动作切断安全回路，使电梯停止运行。

2) 门联锁不通而引起的故障。按电梯的设计要求，电梯的每一层厅门及轿门都要关闭之后电梯才能启动运行(快车)，如果任意一层厅门或轿门没有关闭电梯都不能运行。

3) 电梯机房温度大大超过《电梯技术条件》规定，使电梯控制系统不能可靠地工作。或者因为电动机某个部位温升超过铭牌数据，而导致曳引机无法正常工作。

4) 减速机滚动轴承运转声音异常。轴承发烫，噪声大。

5) 舒适感问题。电梯是一种通过机械移动进行运载物体的设备，电梯轿厢在移动中由于各部件的运动而必然产生振动，这些振动必定对乘客的感觉产生影响，这就是所谓舒适感的问题[4]。

综上，本文选择曳引机的供电电压、电流，机房温度，开关门噪声，机房噪声，运行噪声，电梯轿厢的温度，振动，加速度等指标进行监测。

2.2 无线传感器的设计

曳引机的供电电压、电流检测选用带 UART串行传输接口的霍尔传感器，放置于电梯机房。霍尔传感器一端接入曳引机的供电线路，另一端连接同样带UART串口的XBee无线传输模块。电压电流信号被转换为数字信号并通过无线传输模块发送到ZigBee无线网络中去，如此将传统的传感器改装成为了无线传感器。

同样的，三3串口的无线传输模块，分别放置在轿厢顶端、梯井以及机房。轿厢的震动以及加速度均选用加速度传感器来测量，置于轿厢顶端。由于震动涉及乘客舒适感，因此选用灵敏度较为高的压电加速度传感器测量水平及垂直方向轿厢的震动，而对电梯垂直方向的加速度检测，则选用测量范围较大的加速度传感器。

除了采用以上将传统的检测装置与ZigBee无线传输模块接口的方式制作无线传感器，也可选用已有的带 ZigBee无线通信功能的无线传感器。置于轿厢内的温度传感器以及机房内的温度传感器均选用digi公司的Wall Router无线温度传感器，可以直接将环境的温度转换为无线信号发送到ZigBee无线网络，其结构，如图2所示：

图2 Wall Router无线温度传感器内部结构示意图

Wall Router无线温度传感器内部自带处理器单元，内置温度传感器获取环境温度，输出电压信号经ADC转换为数字信号输入处理器单元，经过一系列滤波、矫正，传入数据传输单元，数据传输单元再将数字信号转为无线信号发送。

以上的各采集节点的检测内容，选用的传感器类型以及采集节点放置的地点归纳，如表1所示：

表1 传感器选择及分布表

3 ZigBee无线通信网络

ZigBee无线通信网络为本系统中支持数据远距离无线传输以及实现多楼多电梯实时监测的核心。无线通信均采用digi公司的ZigBee无线通信产品，电梯现场的XBee无线节点构成网状网结构，与位于远程数据中心的ConnectPort X2可编程网关通过无线网络交换数据。终端无线采集节点采用多跳及自组织的方式组网，无线协调器具有自动路由功能，节点间自然形成网状网的无线网络结构。所有的采集节点均相互独立，节点间无须接线，接口多样化，安装简单。

本着节能低耗的目的，选取两种不同类型的XBee无线节点。线网络结构示意图，如图3所示：

图3 无线网络结构示意图

图中1号楼与2号楼的电梯机房靠窗位置的无线节点（1号节点、2号节点）均选用 XBee-pro加强型无线收发器，其室内传输距离100米，室外传输距离可达1500米，无线接收灵敏度-100db，传输功率 100mW，适合楼与楼之间远距离传输。其他节点则选用XBee普通型无线收发器。室内传输距离为30米，室外可达100米，无线接收灵敏度-92db，传输功率仅为 1mW，适合传输距离稍短、但对功耗要求较高的长时间监测场合。图3中ConnectPort X2可编程网关的内核也有一颗XBee-pro加强型无线收发器，与1号节点直接通信，保证了信号的远距离传输。

网状网的网络结构较为稳固，支持即插即拔，增加和删减节点较为方便，不会对原有网络产生影响[5]。在原本的节点传输能力不足或现场障碍物过多的场合，可根据实际情况增加路由节点，也可根据情况调整XBee-pro加强型无线收发器与XBee普通型无线收发器的布局。若随着时间发展，一些采集项失去必要，也可根据需要删减不必要的节点。

增加新节点的方法如下：一个新节点必须接收到网络中节点发来的同步报文后才能加入网络。一个循环休眠节点上电后会周期性发送广播同步报文请求,然后按其SP值休眠。任何在网络中的节点收到该请求都会响应一个同步报文。由于网络可以扩展休眠时间，这样的话就不能相应一个同步请求。在网络休眠的时候同步一个新节点，可以在一个 sleep support节点范围内上电新节点。Sleep support节点会一直保持唤醒并能立即响应同步请求。另一种方法是，网络中的休眠节点可以通过commissioning按钮唤醒。将新节点放置在休眠节点范围内，然后通过按commissioning按钮2秒钟唤醒休眠节点。休眠节点保持唤醒30秒，并会响应同步请求。如果不用上述方法，那就必须等待网络唤醒才能添加新节点。新节点应该放置在网络范围内,并且休眠周期要比网络的唤醒周期更短。新节点会周期性的发送同步请求，直到网络醒来并接收到一个同步报文。

4 测试及分析

设置 ConnectPort X2无线网关的 ip地址为192.168.18.1，数据中心的PC机通过以太网访问网关，可搜索到整个无线网络中的全部无线节点以及它们的 mac地址以及无线节点名称，如图4所示：

图4 网关配置界面

本文选取温度传感器如图4中的Wall Router采集到的实时数据进行分析。8：30-17：00每隔半小时取一组数据，得温度变化，如图5所示：

图5 温度曲线图

采集到18个数据全部为有效数据，温度符合秋季实际温度情况，未出现数据丢失，说明无线通信畅通，网络结构稳定。

5 总结

ZigBee联盟开发了传感网的网络层协议栈，以及多个应用范围，包括家庭控制、工业自动化、电器遥控、智能能源管理等。本文将ZigBee技术引入电梯无线预警，使电梯故障预警更加低功耗、低成本，更加便捷。可预警电梯机房温度过高，门联锁不通，轿厢门异常开启，梯门回路故障，电源故障，曳引机温度超标，轴承噪声过大，机房噪声过大，轿厢加速度异常，减速机滚动轴承噪声过大，三相电断相停梯等故障。

[1]钟永锋，刘永俊.ZigBee无线传感器网络[M].北京：北京邮电大学出版社，2011.

[2]Digi International Inc. Drop-in networking professional development kit getting started guide,2008

[3]邓君.基于 CAN 总线的电梯动态智能监测系统的研究[D].北京工业大学,2009

[4]陈亦森.电梯振动的检测和分析.[J]电梯工业，2006，3：5-7

[5]Huiling Zhou, Fengying Zhang, Jingyun Liu, Fenghui Zhang. A real-time monitoring and controlling system for grain storage with ZigBee sensor network. [J]IEEE Proceedings of the 5th International Conference Sep. 2009,Beijing, China