基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的樓層呼叫與層門自鎖系統(tǒng)研究*

楊光祥，曹曉莉

（1.重慶工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，重慶 400067;2.電子商務(wù)及供應(yīng)鏈系統(tǒng)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067）

0 引言

施工升降機(jī)廣泛應(yīng)用于高層建筑工地和橋梁施工工地［1］。在各種物料提升設(shè)備中，升降機(jī)是較有特色的一種。它工作效率高;載物時(shí)，適用于各種物品，不需要專門的吊具，也不需要對(duì)物料進(jìn)行很多的包裝處理。它的缺點(diǎn)是，在平層就位時(shí)，需要來(lái)回地啟動(dòng)升降電機(jī)以調(diào)整上下位置，增加了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)設(shè)備造成了沖擊。雖然可以引進(jìn)電梯的控制方法，但對(duì)升降機(jī)而言，顯得成本太高。并且施工過(guò)程中建筑物層高層數(shù)均在變化，電梯控制系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)這種隔幾天就要調(diào)整一次的狀況。而且，對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，工人進(jìn)出升降機(jī)以往的方式通常是通過(guò)敲打標(biāo)準(zhǔn)節(jié)鋼管的原始方式提示通知施工升降機(jī)操作人員在某層有工人進(jìn)出施工升降機(jī)的需求。在施工升降機(jī)停靠某層后，位于建筑物側(cè)的安全保護(hù)層門再打開，工人上下完畢后，需要將層門關(guān)閉，施工升降機(jī)才能夠重新啟動(dòng)運(yùn)行，在層門處于打開狀態(tài)時(shí)，升降機(jī)是不能夠運(yùn)行的。針對(duì)這些需求，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）的應(yīng)用［2，3］，本文建立了一種樓層呼叫方法與層門自鎖算法，設(shè)計(jì)了呼叫編碼解碼方法，開發(fā)了一種基于WSNs技術(shù)的低成本呼叫和層門自鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)在使用操作上與電梯類似，但成本低，而且滿足建筑工地樓層不斷變化與環(huán)境惡劣的特點(diǎn)。

1 呼叫與層門系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的基本原理是:每層樓安裝的呼叫器由工人進(jìn)行按鍵呼叫，產(chǎn)生一個(gè)呼叫編碼，通過(guò)315 MHz無(wú)線通信模塊將信號(hào)發(fā)送至升降機(jī)，而升降機(jī)內(nèi)部的接收裝置收到信號(hào)后，將呼叫樓層的解碼值顯示于LED，由升降機(jī)操作人員控制電機(jī)停車。在?？坑谀硨幽繕?biāo)位置后，該層的層門開關(guān)狀態(tài)由呼叫器通過(guò)位于層門上的電磁鐵鎖芯檢測(cè)，將狀態(tài)值發(fā)送于接收裝置，進(jìn)而接收裝置根據(jù)層門的開關(guān)狀態(tài)決定是否可以允許升降機(jī)運(yùn)行。

從結(jié)構(gòu)上看，本系統(tǒng)由兩部分組成:呼叫器、主控接收器。由各個(gè)不同樓層的呼叫器是WSNs的節(jié)點(diǎn)，主控接收器作為WSNs的協(xié)調(diào)器（coordinator），由多個(gè)呼叫器和一個(gè)主控接收器共同構(gòu)成WSNs。

1.1 呼叫器與層門自鎖結(jié)構(gòu)

圖1為呼叫器與層門之間的安裝結(jié)構(gòu)，層門鎖芯為電磁鐵鎖芯，可通過(guò)呼叫器控制其通斷，接近開關(guān)用于檢測(cè)層門的打開和關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)層門處于打開狀態(tài)時(shí)，接近開關(guān)不能夠檢測(cè)層門的接近狀態(tài)，因此，呼叫器將層門的狀態(tài)發(fā)送至主控接收裝置，通過(guò)其切斷施工升降機(jī)電機(jī)的接觸器回路，使其不能夠啟動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了層門的自鎖。

圖1 呼叫器層門自鎖結(jié)構(gòu)Fig 1 Self-locking of safety door

1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)呼叫器模塊結(jié)構(gòu)

圖2為呼叫器模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工人通過(guò)呼叫按鍵發(fā)出呼叫信號(hào);輸入檢測(cè)主要是檢測(cè)層門接近開關(guān)信號(hào);通過(guò)鎖芯控制電路控制電磁鐵鎖芯的通斷。

圖2 呼叫器模塊Fig 2 Caller module construction

無(wú)線通信模塊選擇TI公司的CC1101系列射頻無(wú)線收發(fā)器芯片［4，5］。該芯片典型可用頻率包括 315，433，868，915 MHz，可編程數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為0.6～600 kbps。

1.3 主控接收模塊結(jié)構(gòu)

圖3為主控接收模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，鍵盤與顯示提供人機(jī)接口;當(dāng)層門沒有關(guān)閉或者有工人進(jìn)行呼叫時(shí)，通過(guò)告警模塊輸出告警提示音;繼電器輸出用于控制施工升降機(jī)電機(jī)的啟停。

圖3 主控接收模塊Fig 3 Central control receiving module construction

2 呼叫編碼方法

當(dāng)各個(gè)樓層的工人需要使用升降機(jī)上下樓時(shí)，可以按該模塊提供的按扭，一旦按扭信號(hào)觸發(fā)，CPU就產(chǎn)生中斷，啟動(dòng)發(fā)射電路。發(fā)射的樓層信號(hào)需要進(jìn)行編碼。接收模塊收到PWM波形信號(hào)后，通過(guò)STM32的定時(shí)器或者用外部中斷，然后軟件處理。

發(fā)射電路用PWM的方式來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，采用315 MHz頻率的無(wú)線射頻發(fā)射模塊，發(fā)送信號(hào)是經(jīng)過(guò)單片機(jī)編碼的波形，并采用PWM信號(hào)方式進(jìn)行發(fā)送;而且，呼叫模塊同時(shí)通過(guò)接近開關(guān)檢測(cè)本層層門的開關(guān)狀態(tài)，并將開關(guān)狀態(tài)編碼通過(guò)發(fā)射電路發(fā)射到接收模塊。

編碼處理過(guò)程中，用寬高窄低代表高電平，用窄高寬低代表低電平，如圖4所示。

圖4 波形編碼Fig 4 PWM encoding

因此，在發(fā)送和接收模塊之間傳輸?shù)男盘?hào)應(yīng)該是一串寬度不等脈沖（即PWM波形信號(hào)），接收模塊輸出的電平為5V，通過(guò)這樣的方式進(jìn)行解碼處理，解碼出實(shí)際的ASCII值（編碼長(zhǎng)度一般在一個(gè)字節(jié)），如10010111，然后與存儲(chǔ)在ROM中的各個(gè)樓層編碼ASCII值進(jìn)行比較，通過(guò)比較查找出是哪一層樓使用了呼叫功能，然后通過(guò)LED顯示樓層。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的基本原理是:每層樓安裝的呼叫器由工人進(jìn)行按鍵呼叫，產(chǎn)生一個(gè)呼叫編碼，經(jīng)過(guò)WSNs傳輸?shù)浇邮掌鬟M(jìn)行解碼顯示和判斷。

對(duì)于層門的自鎖功能是依靠檢測(cè)層門的接近開關(guān)狀態(tài)與呼叫器配合實(shí)現(xiàn)的，其流程圖如圖5。

呼叫器將呼叫按扭產(chǎn)生的呼叫信號(hào)編碼后發(fā)送給主控接收器（或者主控接收器主動(dòng)到達(dá)某層），電梯操作工人在到達(dá)該樓層后，由工人按下解鎖按扭，則主控接收器將該信號(hào)發(fā)送給該層呼叫器，呼叫器打開電磁鎖芯，工人可以進(jìn)出電梯。同時(shí)，呼叫器根據(jù)檢測(cè)到的接近開關(guān)信號(hào)將層門狀態(tài)發(fā)送至主控接收器，由其切斷電梯接觸器回路的控制電源，使得電梯不能夠啟動(dòng)。在工人進(jìn)出電梯過(guò)程完畢后，工人關(guān)閉層門，由主控接收器發(fā)送關(guān)鎖信號(hào)，呼叫器完成電磁鎖芯的關(guān)閉控制。

圖5 升降機(jī)呼叫接收控制流程Fig 5 Flow chart of calling and receiving control of lifter

如果有多個(gè)樓層同時(shí)按鍵，有呼叫功能，則接收模塊根據(jù)先進(jìn)先出（FIFO）的原則，首先處理最先按下按鈕的呼叫信號(hào)并顯示，其余的在隊(duì)列中排隊(duì)等候。

編碼長(zhǎng)度采用一個(gè)字節(jié)，可以容納的總編碼數(shù)（Code-Num）、實(shí)際呼叫樓層編碼（CallingLayer）、功能編碼數(shù)（Fun-Num）數(shù)分別為

本系統(tǒng)能夠?qū)嶋H呼叫樓層最多采用99層。剩下的157個(gè)編碼其中120個(gè)用于功能編碼，主要是對(duì)每個(gè)樓層的層門關(guān)閉和打開狀態(tài)以及其他設(shè)置參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，剩余部分37個(gè)編碼保留。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該系統(tǒng)成功運(yùn)用于重慶市某33層的高層建筑工地。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到編碼的誤碼率指標(biāo)如表1。

表1 誤碼率統(tǒng)計(jì)Tab 1 Bit error rate statistics

通過(guò)該表可以發(fā)現(xiàn)，隨著同時(shí)參與呼叫的呼叫器數(shù)量增加，呼叫誤碼率也會(huì)增加，但對(duì)于一般的建筑工地，同時(shí)參與呼叫的樓層數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)數(shù)量，因此，可以滿足實(shí)際需求。

5 結(jié)論

本文采用基于315 MHz頻率的CC1101無(wú)線收發(fā)芯片，利用WSNs技術(shù)設(shè)計(jì)了樓層呼叫與層門自鎖系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了呼叫編解碼方法。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行，呼叫距離能夠達(dá)到300 m，并且誤碼率較低，能夠滿足建筑工地實(shí)際運(yùn)行環(huán)境需要。

［1］牛余磊，艾明祥.施工升降機(jī)變頻調(diào)速電路的防干擾措施［J］.建筑機(jī)械，2010（6）:92－93.

［2］Sheng Xiaohong，Hu Y H.Maximum likelihood multiple-source localization using acoustic energy measurements with wireless sensor networks［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2005，53（1）:44－53.

［3］魏雅川.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)聲音目標(biāo)定位算法［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（3）:418 － 422.

［4］王 超.基于CC1110的井下無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（9）:94 －96.

［5］Texas Instruments CC1101 Datasheet［EB/OL］.［2011—04—30］.http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc1101.pdf.