基于ZigBee和GPRS的电梯远程监控系统

李 文 李 炎

(1. 安徽机电职业技术学院， 安徽 芜湖 241000；2. 芜湖市特种设备监督检验中心， 安徽 芜湖 241000)

近几年，随着我国城市建设的广度及深度的持续增加，建筑土地变得愈来愈少，因此，高层房屋逐渐成为普遍现象，而使用电梯的数量也随之快速攀升。电梯的出现，使得公众的生活更加便捷，但是近年频发的电梯事故，使其成了社会关注的焦点。为了监控电梯的工作状况，避免事故发生，国内外许多学者及制造商都展开了相关研究。如今，电梯监控系统大多数都是从电梯主板上对相关数据进行直接读取，借助有线途径向控制终端传送收集的数据，最后利用Internet或者GPRS传送至服务器。这种方法一方面布线难度大；另一方面由于各家主板厂商均对自己的产品设置了一定的技术壁垒，收集的数据具有一定的局限性，甚至难以集齐所需要的数据资料：因此使用范围较窄。本次研究选择使用的ZigBee模块CC2530不但简单，而且可靠度高，能够直接从电梯所有部位的传感器获取相关数据，评估电梯的工作状态和出现的问题。收集完所需数据资料之后，借助ZigBee无线通信协议向协调器传输数据，最后通过STM32单片机借助GPRS通信协议向服务器传送相关数据[1-4]。对ZigBee短距离无线通信技术加以运用，不仅可以使现场布线简单化，而且可以将从多处终端收集到的数据聚合在一起被服务器所接收，从而使远程通信的成本大为缩减，同时使监控系统具有更高的安全度及平稳度。在 LabVIEW环境当中开发的监控界面简单大方，为人机交互提供了更大的便利。

1 电梯监控系统的基本架构

该系统主要由附加在电梯各部位的传感器、ZigBee网络通信模块、单片机控制器、GPRS模块、监控平台5个部分组成，其整体架构图如图1 所示。

图1 电梯监控系统结构图

首先，将附于电梯各位置的传感器及TI公司的CC2530模块共同构成一个网状ZigBee网络，从而便于所有模块能借助ZigBee协议完成较短间距的无线通信。一个GPRS模块可供同一座楼房中的多个电梯使用，能大幅度节约成本。然后，ZigBee路由模块CC2530借助串口传送命令给电梯主板，获取电梯所有位置的传感器信号并加以读取。接着再按照点对点的通信方法向ZigBee协调器传送相关数据，数据通过串口被STM32单片机所接收。经该单片机判定之后，再明确是不是需要借助GPRS模块向服务器传送数据。倘若答案是肯定的，就需先向SIM900A模块传输数据，再借助GPRS协议使服务器得以接收；反之，就将数据清除。一旦监控平台收到相关数据，借助剖析就能够获悉电梯所处楼层，以及问题情况等，然后以此为据判定电梯的工作情况，从而尽早清除不安全隐患。除此之外，安全监控中心能够借助STM32与GPRS向ZigBee网络传送控制指令，从而实现监控系统模式的选取。主要有2种模式。(1) 正常模式。在此选项下，ZigBee路由器每1 s就会对电梯的状态进行1次读取。如果电梯的工作处于正常状态则不会做出任何反应；如果出现了故障则向协调器传送该路由的MAC地址和问题信息资料，最后在GPRS模块的作用下使服务器接收信息，即可完成电梯故障报警。(2) 实时监控模式。在此选项下，ZigBee路由器每1 s就会对电梯的状态进行1次读取，不管是不是有问题被发现，都会向服务器发送获取的数据资料，而且能够键入不一样的指令对多个电梯进行同时监控。

2 ZigBee路由器与协调器的设计

2.1 ZigBee路由器的设计

CC2530无线单片机是TI公司用在ZigBee的一个真正的片上系统(SoC)应对方案，借助其供应的 Z-Stack协议栈能够较为快速便捷地建成ZigBee网络。该监控系统的路由器主要具备2项功能，即借助串口完成对电梯数据的收集，借助无线和协调器完成点对点的通讯。在Z-Stack协议栈中完成路由器的规划工作，借助其供应的多类函数能够快速完成CC2530的程序编辑。具体流程详见图2。

Z-Stack协议栈的本质即为操作系统，其具有较低的繁杂度。加入任务之后，其就对所有任务加以轮询，这一点有别于一般单片机。首先，CC2530借助串口传输指令至电梯外加传感器，然后，静待反馈数据。传输数据采用波特率为9 600 Bd，0位校验位、8位数据位、1位停止位的格式，这种格式有助于确保ZigBee与电梯主板通讯的无误性。尽管电梯主板返回的数据具有完全一致的格式，然而Z-Stack协议栈里预设的接收函数的格式却不一样，因而需要对其加以更改，使其与上述格式相同。通常情况下，ZigBee路由器在对电梯状态数据加以读取之后即可对其是不是正常工作而展开判定。倘若一切正常，那么读取任务不间断进行；倘若发现问题，则需要借助无线传输将相关数据传输至协调器加以处理。除此之外，路由器能够获悉监控中心是不是将监控模式打开。倘若答案肯定，则借助无线传输，实时把电梯状态数据信息传输至协调器。

图2 ZigBee系统流程图

2.2 ZigBee协调器的设计

单个ZigBee网络内仅可有1个协调器，其功能是管理网络中的其他节点。协调器设立牢固的PANID，从而使每一次重启开启后，其他路由设施都能够确保再度加进其设立的网络。另外，在上述监控系统中，ZigBee路由设施和STM32单片机的关联也需要由协调器来完成。首先，由路由器无线传输的数据信息被协调器接收后借助串口向STM32传输；然后，借助串口完成对STM32输送数据信息的接收；最后，再借助ZigBee无线网络向路由设施传输。

为了防止网络风暴的产生，路由器和协调器的通信选取点对点形式。其中，前者传输数据信息的目标地址即为后者的具体地址，而后者将数据接收后需要和哪一个路由设施进行通信，则主要取决于数据涵盖的路由设施MAC地址。任何一个ZigBee设施，一旦出厂即会被指定一个16位的全世界独有的MAC地址，只需相应的软件即可对其加以读取。

当监控系统处于普通模式的时候，协调器每分钟都能够接收到从路由器传输的心跳，从而确保监控中心能够对相应路由器的性能进行判定。心跳的使用使得ZigBee网络的平稳度及安全度都有所提升。

3 STM32单片机及GPRS模块的设计

STM32系列单片机的出现，预示了未来单片机的发展趋势。它是意法半导体特意设计的ARM Cortex-M内核，不但功耗小，而且计算十分快速，同时在通信形式方面没有过多制约性，其设有多个外部接口。本监控系统选用STM32F103RCT6单片机，其计算速度为73 MHz，可支持5路UARTUSART(RAM及Flash的容量分别为48 KB与256 KB)，能够应用库完成程序的编辑，减小时间损耗。GPRS模块选择SIM900A，其接口规范，工作频率为900、1 800、1 900 MHz，无需过多损耗即可完成SMS、语音、数据以及传真信息的输送。

借助串口，单片机将SIM900A与ZigBee协调器加以关连，后者由串口1连接，前者由串口2连接。倘若协调器需要向单片机传输数据，则单片机就需借助串口2将其传输至SIM900A，待单片机接收后，即可借助串口1将其传输至协调器。其程序流程图如图3所示。

图3 单片机控制流程图

相应的AT命令能够促使SIM900A的初始化得以完成。在该监控系统，透传模式为SIM900A所应用。正常情况下，单片机每一次对数据进行传输前都会对“AT+CIPSEND”加以发送，直至SIM900A回馈“<”之后才将数据资料传输出去。SIM900A传输至单片机的数据格式较为特别，易于导致无法正常接收。然而，在透传模式下，不会出现格式不同的问题。为了确保SIM900A能够长时间与TCP连接，单片机每隔30 s就对监控中心传输1次心跳，监控中心收到心跳之后作出反馈。倘若SIM900A在较长时间内都没有收到心跳，则会重新开启。

为了使SIM900A可以精准无误地重新开启，在此之前必须向其传送“+++”指令，使透传模式停止。

4 PC机监控界面的设计

LabVIEW具备借助图形化完成程序编辑的开发环境，其出自美国国家仪器。在该平台中，可以全部使用图形化语言完成程序编辑，从而提高了开发效率。其前面板存在多类控件，借助其开发的界面不但简单悦目，而且操作便利。

本测控系统的SIM900A选择使用GPRS通信中的TCPIP形式与服务器完成交互活动。该形式在因特网中属于最根基的协议，LabVIEW能够借助其集成的控件函与互联网完成数据资料互换。本次设计中选择使用了多个控件，如TCP侦听、TCP写入等。具体程序框图及电梯监控界面前面板详见图4与图5。

程序开始工作之后，监控系统处于普通模式，仅有报警指示灯位于工作状态，而且全部为绿色。倘若其中某一部电梯产生了问题，那么与其相应的指示灯则会变成红色。如果需要对电梯的实时工作状况进行监控，只需按下监控按钮，对应电梯所在楼层显示框就会显示出其实际的运行状况。

图4 LabVIEW程序结构图

图5 电梯监控平台界面

对设计系统进行了实际安装检测。通过几个月的观察及检测，发现该系统工作稳定，并且在出现问题指示时可以及时发送警报，便于及早处理，从而使电梯的运行具有更高的安全性。

5 结 语

使用ZigBee短距离无线技术与GPRS远程通信技术，不但可以使电梯的现场布线变得更加简单，而且还可以使监控距离得到提升，同时还可以使系统具有较高的平稳性和实时性，这将是相应领域未来的主要发展方向。该监控系统价格便宜、平稳度强、维护方便，并且能借助LabVIEW完成自身监控界面的开发，不仅界面简明大方，而且操作极为简单。

[1] 李新颖，张帆，牛小荣.基于ZigBee和GPRS的温度控制系统设计[J].自动化与仪器仪表，2011(5):38-39.

[2] 丁鹏.基于GPRS技术的电梯远程监控系统设计[D].苏州：苏州大学，2016：10-12.

[3] 张吉祥.基于物联网技术的电梯远程实时监测系统的研究[D].南京：南京林业大学，2013：11-13.

[4] 葛宏帅.基于J2EE的电梯运行参数远程监控系统的设计与实现[D].沈阳：沈阳工业大学，2016：15-17.