基于ZigBee的電梯環(huán)境調(diào)節(jié)與安全預(yù)警系統(tǒng)

吉澤歡，藺超文，孫 根，楊 凱

（徐州工程學(xué)院 江蘇 徐州 221008）

電梯已經(jīng)深深地滲透到我們?nèi)粘Ｉ钪校谖覀兊纳钪邪缪葜匾慕巧?，尤其是隨著現(xiàn)代化步伐的加快，城市的建筑物越來(lái)越高，電梯為我們上下樓節(jié)約了寶貴的時(shí)間，電梯無(wú)形中已經(jīng)成為了人們路途中移動(dòng)的“家”。然而作為“家”的電梯卻還存在很多安全隱患、環(huán)境惡劣以及能源浪費(fèi)等問(wèn)題，這與以人為本[1]、節(jié)約能源等小康社會(huì)的基本要求不符合，在一定程度上降低了人們的生活質(zhì)量。

目前致力于電梯研究的科研人員比較多，但將無(wú)線技術(shù)和傳感器技術(shù)都融入電梯的還不多，大多只是研究其中的某一方面，較為不全面，例如有些對(duì)電梯的改進(jìn)只注重變速調(diào)節(jié)、運(yùn)行速度、并聯(lián)控制、各類電梯專用等方面，而對(duì)電梯智能識(shí)別控制、電梯外部監(jiān)控、綠色節(jié)能等研究較少，隨著能源問(wèn)題的日益突出和人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，對(duì)電梯節(jié)能技術(shù)和安全舒適方面的研究與應(yīng)用已經(jīng)是眾多電梯生產(chǎn)商的目標(biāo)[2]。而純粹的節(jié)能技術(shù)例如最新成果節(jié)能再生器只是對(duì)電梯機(jī)械位能的重利用，未涉及電梯本身多余耗能，對(duì)電梯的轎廂監(jiān)控系統(tǒng)不能監(jiān)控到轎廂外部環(huán)境，總之對(duì)現(xiàn)有電梯的改進(jìn)沒(méi)有明顯的效果。本文所介紹的這套電梯系統(tǒng)正是基于這樣的背景產(chǎn)生的。

1 系統(tǒng)硬件組成

1.1 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路組織和控制每個(gè)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行有序協(xié)調(diào)的工作。單片機(jī)選用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530F256[3]，可以提供兩個(gè)USART，其中一個(gè)用于和控制電梯運(yùn)行的PLC通信，這樣可以在原有電梯的基礎(chǔ)上改進(jìn)，減小開(kāi)發(fā)成本，另外一個(gè)USART用于和加速度計(jì)MPU6000通信，采集加速度計(jì)的數(shù)據(jù)。此外這一款單片機(jī)內(nèi)部集成了ZigBee[4]模塊，可以將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送到控制中心，用于分析處理。

1.2 溫濕度傳感器AM2302

AM2302數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)AM2302傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。因此這款傳感器可以及時(shí)地檢測(cè)電梯轎廂內(nèi)的溫濕度，然后啟動(dòng)交流風(fēng)機(jī)或空調(diào)裝置調(diào)節(jié)轎廂內(nèi)的溫濕度，這樣可以讓乘客更加舒適地乘坐電梯。

1.3 煙霧傳感器模塊MQ-2

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。因此將這款傳感器用在轎式電梯中可以有效地檢測(cè)到轎廂內(nèi)的煙霧濃度從而預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。

1.4 人體紅外感應(yīng)模塊HC-SR501

HC-SR501 是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用德國(guó)原裝進(jìn)口LHI778 探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品。將這個(gè)模塊用于電梯中可以有效地檢測(cè)到電梯內(nèi)外是否有人，這樣就可以解決乘客按過(guò)電梯按鈕后離開(kāi)的問(wèn)題，從而減少電梯運(yùn)行的耗能和其他人等待電梯的時(shí)間。

1.5 光強(qiáng)度模塊BH1750FVI

BH1750FVI 是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整液晶或者鍵盤(pán)背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化。將這個(gè)模塊用在電梯中可以檢測(cè)電梯轎廂內(nèi)的光強(qiáng)度，從而適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)轎廂內(nèi)的照明燈光強(qiáng)度，這樣可以節(jié)約電能和延長(zhǎng)照明燈的使用壽命。

1.6 加速度傳感器MPU-6050[5]

MPU-6050是全球首例9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP（DigitalMotionProcessor），可用I2C[6]接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計(jì)。擴(kuò)展之后就可以通過(guò)其I2C接口輸出一個(gè)9軸的信號(hào)。MPU-6050也可以通過(guò)其I2C接口連接非慣性的數(shù)字傳感器，比如壓力傳感器。 MPU-6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了3個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為± 250，± 500，± 1 000，±2 000°/秒（dps），加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8，±16 g。 一個(gè)片上1 024字節(jié)的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。和所有設(shè)備寄存器之間的通信采用400 kHz的I2C接口。另外，片上還內(nèi)嵌了一個(gè)溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有±1%變動(dòng)的振蕩器。 芯片尺寸4×4×0.9 mm，采用QFN封裝（無(wú)引線方形封裝），可承受最大10 000 g的沖擊，并有可編程的低通濾波器。這款傳感器用于電梯中可以實(shí)時(shí)地檢測(cè)電梯運(yùn)行的加速度，從而感知到電梯運(yùn)行是否處于故障狀態(tài)，這樣就可以及時(shí)告知乘客脫離危險(xiǎn)，有預(yù)警作用。

1.7 聲音傳感器模塊

聲音傳感器模塊就是用于檢測(cè)電梯轎廂內(nèi)的聲音，包括電梯運(yùn)行時(shí)的聲音和轎廂內(nèi)乘客的說(shuō)話聲。當(dāng)電梯運(yùn)行故障時(shí)會(huì)發(fā)出特定范圍內(nèi)頻率的聲音，這種特定頻率的聲音可以被監(jiān)測(cè)到，從而發(fā)出預(yù)警信號(hào)讓乘客規(guī)避危險(xiǎn)。當(dāng)電梯運(yùn)行故障不能打開(kāi)轎廂門并且乘客被困在轎廂內(nèi)時(shí)，乘客可以通過(guò)聲音傳感器和外部營(yíng)救人員對(duì)話，這樣有利于解救被困乘客。

2 系統(tǒng)軟件功能

基于ZigBee的電梯環(huán)境調(diào)節(jié)與安全預(yù)警系統(tǒng)的終端軟件主要完成各模塊初始化設(shè)置、采集傳感器數(shù)據(jù)、發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)、接收控制中心發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作等。軟件功能框圖如圖1所示。

圖1 軟件功能框圖Fig.1 Functional block diagram of the software

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的電梯環(huán)境調(diào)節(jié)與安全預(yù)警系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：1）對(duì)電梯轎廂內(nèi)的環(huán)境能起到優(yōu)化調(diào)節(jié)作用；2）電梯如果出現(xiàn)故障能及時(shí)發(fā)出警報(bào)并且通知控制中心；3）消除人們誤按亂按電梯按鈕導(dǎo)致的不良影響；4）節(jié)省乘客時(shí)間和節(jié)約電梯運(yùn)行耗能。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，成本低廉，適合目前各種轎式電梯的改造。

[1] 楊敏．淺析“以人為本”在電梯產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)[J]．中國(guó)電梯，201l，22(11)：41-42．YANG Min. Analysis of the manifestation of ＂ Humanist＂ on elevator design[J]. China Elevator, 2010,22(11):41-42.

[2] 洪沙，劉家臣，范林玉,等．基于電梯智能監(jiān)控與節(jié)能分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010, 30 (6)：278-230．HONG Sha, LIU Jia-chen, FAN Lin-yu, et al. Intelligent monitoring and energy saving analysis 0f elevators [J]. Journal of Computer Applications, 2010,30(6):278-230.

[3] Texas Instruments. A True system-on-Chip solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and zigBee applications [EB/OL].[2013-09-20].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[4] 瞿雷，劉盛德，胡咸斌．ZigBee技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007．

[5] InvenSense. MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification [EB/OL].[2013-09-20].http://www.invensense.com/mems/gyro/documents/PS-MPU-6000A-00v3.4.pdf.

[6]郭天祥．51單片機(jī)C語(yǔ)言教程 [M]．北京：電子工業(yè)出版社，2009.