基于无线传感网络的无机房电梯安监预警系统设计

闫学勤，陈志军，谢丽蓉，程志江

（新疆大学 电气工程学院，乌鲁木齐 830047）

基于无线传感网络的无机房电梯安监预警系统设计

闫学勤，陈志军，谢丽蓉，程志江

（新疆大学 电气工程学院，乌鲁木齐 830047）

0 引言

随着坚固、耐用和高效的永磁同步曳引电机的成功开发，作为绿色电梯的代表，无机房电梯已成为建筑业电梯市场新的选择，逐步受到人们的青睐。但伴随着人们在享受无机房绿色电梯带给我们便利的同时，随之而来的电梯安全运行问题及电梯故障预警系统也受到了社会的广泛关注。

虽然电梯维保单位会定期对电梯进行养护，但若电梯一旦发生故障还是会发生救助不及时进而出现二次伤害，且由于乘客对故障描述不到位，影响到故障的有效抢修。因此，研究开发电梯安监预警系统是非常有现实意义的。

目前，国内外对于无线方式下的电梯预警系统，主要是采用GPRS/GSM网络方式来实现将数据送到管理系统中心。此外，还有一些系统是利用以太网或现场总线方式将现场采集数据送往数据中心。在实际应用中，针对不同型号的电梯会出现系统功耗大、布线繁琐且一些信号无法接入等问题。尽管国外已有较为成熟的电梯故障监测系统，由于造价高、对象具体扩展性小，在国内很难引入实际应用。

本文面向实际应用提出了独立于原有电梯控制系统的电梯安监预警系统方案，该方案通过对电梯各大部件重要运行参数进行全方位采集，以TI公司CC2530芯片为ZigBee网络核心，并借助3G网络，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报警和运行状态监测，提高的安监效率，降低了电梯企业的人工和维护成本。

1 系统总体方案设计

本系统主要由传感器终端采集节点、无线传输网关和远程监控中心三部分组成。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

传感器终端采集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，来负责监控电梯运行参数，并将采集到的数据通过ZigBee无线网络送到网关节点。无线网关节点再通过3G方式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，防患于未然。

2 系统硬件设计

2.1 传感器终端节点设计

通过对大量电梯事故调研，发现在电梯运行过程中产生事故的主要原因包括：1）制动器失效；2）振动和噪声（电梯轿箱由于结构件相互作用、导向轮偏差、导轨不平或与轿箱固有频率产生共振等因素）；3）超载保护装置失效；4）温度过高（同步曳引机温度）；5）关门防夹装置失效；6）限速器失效（曳引轮槽磨损）；7）开关门联锁不通等。因此考虑到电梯安全运行，在本系统中主要选择的监控参数包括曳引机温度、轿厢速度、门锁开关感应、人体感应、振动信号和运行方向等。系统传感器终端采集节点的硬件结构图如图2所示。

图2 传感器终端采集节点硬件结构图

传感器终端采集节点采用32位ARM处理器STM32f103作为主控器，采集安装在轿顶的各种传感器信号，并利用其串行外设接口SPI与无线设备CC2530实现数据传输和节点通信。CC2530芯片内部集成高性能的8051MCU和支持2.4GHz IEEE802.15.4射频收发模块，通过无线RF模块完成数据收发；具有8kB的RAM、256kB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。若电梯运行出现故障，主控MCU还通过语音提示芯片ISD1706为乘客提供自我保护和相关操作提示，并进行报警。此处CC2530作为终端设备来使用。在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2.4GHz，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+22dBm的功率放大器以及可将接收机灵敏度提高+6dBm的低噪声放大器，从而扩大了ZigBee无线网络的覆盖范围。

2.2 无线传输网关设计

无线传输网关硬件由CC2530芯片、ARM9主控模块、LCD显示、3G模块及电源模块等部分组成，其硬件结构如图3所示。在设计中选用以ARM920T为内核的S3C2440A作为系统控制核心，CC2530模块通过SPI总线接入主控模块芯片S3C2440A中进行数据传输，而主控模块通过USB接口与3G模块通信，实现与远程监控中心的Internet链接。图4所示为ZigBee无线收发芯片与主控模块连接图。

图3 无线传输网关硬件结构图

图4 ZigBee无线收发模块

本系统主控模块采用的S3C2440A芯片主频是400MHz，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、USB设备接口、A/D转换器和GPIO等。其外围硬件接口还包括64MB的SDRAM，以及SD接口和LCD屏。主控模块主要完成对传感器终端节点发送来的电梯运行参数进行综合分析处理，并根据编写的内部软件来传达对终端节点的控制和操作。同时，还将数据传输到远程监测中心，判断电梯健康状态。

3G模块采用华为公司的EM770W WCDMA模块。该模块提供通用Mini PCI Express接口，并集成了全速USB2.0接口并且内置了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。它的数据通信速度远高于2G模式下的传输速率。

对于3G模块的外围电路设计中，最关键的是SIM卡电路设计。如图5所示，SIM卡接口速率典型值在3.25 MHz左右，因此USIM卡座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。USIM-CLK和USIM-I/0信号的走线需包地处理。

图5 USIM卡接口电路示意图

3 系统软件设计

3.1 传感器终端节点设计

传感器终端节点的软件功能主要是完成电梯数据的采集处理和ZigBee网络传输。其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。在设计中，采用IAR Embedded Workbench for 8051来构建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OSAL（操作系统抽象层)操作系统上，该操作系统是按照任务调度机制来运行，因此只有对任务的事件触发后来实现任务调度。

3.2 无线传输网关设计

3.2.1 与ZigBee模块通信的程序设计

ZigBee模块与主控模块芯片S3C2440A是通过SPI总线进行数据传输。主要是将远程监控平台的命令通过ZigBee网络发送到各个子节点，以便对各子节点进行管理。同时，还根据各节点的情况，将收到的各节点信息传输到监控中心来保存和数据分析处理。网关节点根据数据帧中的节点地址就可进行相应的数据处理。其流程图如图6所示。

switch(node IP){

图6 网关ZigBee协调器节点流程图

3.2.2 与3G模块通信的程序设计

本系统主控芯片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接口箱3G模块（EM770W）发出AT指令，并利用WCDMA网络与远程监控平台进行数据传输。其嵌入式无线网关MCU流程图如图7所示。

图7 嵌入式无线网关MCU程序流程图

3.3 远程监控平台软件设计

电梯安全远程监测管理平台是通过利用LabVIEW软件，来负责完成对采集数据的存储和信息处理。根据对所获得的实时数据分析，并依据训练好的模型来判断，从而提高系统的收敛速度和精度，增强判断电梯安全运行状态的可靠性。为用户更好地判断电梯的工作性能提供分析和决策依据。

4 运行结果与分析

系统将无线网关的IP地址设置为192.168.16.1，监控平台可通过以太网访问网关，搜索到整个无线网络中的无线节点以及他们的MAC地址和节点名称，并将所获得的各节点上采集数据显示并存储分析，判断电梯的健康状态。其监控平台界面如图8所示。

图8 系统监控平台

5 结束语

鉴于ZigBee无线传感网络具有节点体积小，无需布线，方便快捷、支持多址接收和自主网等功能，比较适合在电梯等要求运行空间小、布线复杂且需要全方位采集多数据的对象上使用。本文将ZigBee网络引入无机房电梯安监预警系统中，可较好的预测门联锁不通，曳引机温度过高，轿厢振动情况，轿厢门及厅门故障，三相电断相停梯等故障。该方式可推广到家庭控制、工业自动化等多个领域去使用，只要能结合实际情况量身定制，具有良好的应用前景，对未来安监技术的发展具有重要价值。

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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

针对无机房电梯检修维护困难以及人工成本较高的现状，根据无机房电梯测试环境特点和要求，设计了基于ZigBee无线传感器网络（wSN）和3G（wCDMA）网络的电梯无线安监预警系统。系统由传感器终端节点、无线网关和远程监控中心三部分组成。详细介绍了电梯无线终端采集节点以及以嵌入式芯片S3C2440A为主控模块来实现ZigBee模块与3G模块EM770w通信的网关软硬件设计方法。系统可以解决目前无机房电梯远程监控系统存在的布线费用高、维护困难、信息传输不畅，故障解决不及时等问题，从而为无机房电梯故障诊断和健康状态的分析提供网络化信息服务。

无机房电梯；ARM9；CC2530；3G；安监预警

闫学勤（1978 -），女，新疆吉木萨尔人，讲师，主要从事智能控制系统及应用方面的研究。

TP277

A

1009-0134(2014)05(下)-0146-04

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

2014-02-27

新疆维吾尔自治区教育厅高校科研计划青年基金项目（XJEDU2012S06）；国家自然科学基金项目（51264036)；2013年自治区重点技术创新项目：带超级电容的群控电梯能量馈网装置的中试