基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電梯故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】ZigBee是一種新型的短距離無(wú)線通信技術(shù)，它采用2.4Ghz波段，基本速率為250Kbps，傳輸范圍室內(nèi)可達(dá)75米，具有高可靠性、低功耗、低部署成本的優(yōu)點(diǎn)，在這一背景下，本文提出一種適合于擁有多臺(tái)電梯的樓宇的新型數(shù)據(jù)傳輸方案。即將集成ZigBee信號(hào)收發(fā)模塊的前端機(jī)部署在各電梯機(jī)房，作為ZigBee節(jié)點(diǎn)，然后在大樓內(nèi)便于接入有線以太網(wǎng)的地方布置ZigBee協(xié)調(diào)器與網(wǎng)關(guān)，最后監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)連接。

【關(guān)鍵詞】ZigBee無(wú)線通信 電梯故障監(jiān)測(cè)

一、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線電梯故障報(bào)警系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、網(wǎng)關(guān)以及用于數(shù)據(jù)采集與無(wú)線通信的ZigBee電梯故障監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（包括ZigBee協(xié)調(diào)器與前端機(jī)ZigBee節(jié)點(diǎn)）組成。

（1）系統(tǒng)選用一臺(tái)PC作為監(jiān)控中心，通過(guò)以太網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的通信，系統(tǒng)提供了基于Web的用戶界面，用戶可以通過(guò)監(jiān)控中心的Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)電梯狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、故障報(bào)警等功能。

（2）根據(jù)ZigBee協(xié)議，網(wǎng)關(guān)是指為ZigBee提供通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)備。在本系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)電梯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、處理等任務(wù)，為上層的監(jiān)控中心提供了HTTP服務(wù)，通過(guò)RS232接口與下層的ZigBee網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

（3）ZigBee電梯故障監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器和多個(gè)前端機(jī)ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與ZigBee協(xié)調(diào)器直接連接。

ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)RS232接口與網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，主要負(fù)責(zé)建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、向網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)命令并接收電梯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等任務(wù)。ZigBee協(xié)調(diào)器需要頻繁的進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)以及數(shù)據(jù)的處理計(jì)算，功耗較高，因此由固定電源供電。

前端機(jī)ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)連接有用于獲取電梯狀態(tài)和故障信息的傳感器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理。

二、網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)選用了Samsung公司生產(chǎn)的SoC芯片S3C2440，S3C2440基于ARM920T內(nèi)核，是一款高性能、低功耗32位RISC嵌入式處理器，具有豐富的外設(shè)及功能接口，包括128MB的NAND Flash、2MB的NOR Flash、64MB的SDRAM，以及I/O接口、以太網(wǎng)、RS232接口和電源管理等。

網(wǎng)關(guān)選用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。Linux內(nèi)核主要由進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、進(jìn)程間通信5個(gè)子系統(tǒng)組成。Linux完全兼容POSIX標(biāo)準(zhǔn)，支持多任務(wù)，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，性能穩(wěn)定，同時(shí)具有良好的可裁剪性和可移植性。網(wǎng)關(guān)上移植有Apache和MySql，分別提供了HTTP服務(wù)和數(shù)據(jù)管理服務(wù)。

三、ZigBee節(jié)點(diǎn)和傳感器的設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)選用了Chipcon公司推出的CC2430，這是世界上第一款符合IEEE 802.15.4協(xié)議2.4GHz的ZigBee芯片。

系統(tǒng)需要采集的電梯故障信號(hào)有：

（1）電梯安全回路的故障信號(hào)。電梯安全回路一般由相序保護(hù)繼電器、限速器開(kāi)關(guān)、安全鉗開(kāi)關(guān)、急停開(kāi)關(guān)、極限開(kāi)關(guān)、緩沖器開(kāi)關(guān)等串聯(lián)而成。其中某一開(kāi)關(guān)動(dòng)作則電梯安全回路繼電器失電，電梯便無(wú)法運(yùn)行，即使是正在運(yùn)行的電梯也因此而制動(dòng)停車。

（2）電梯門鎖回路的故障信號(hào)。電梯門鎖回路由每一層站的層門鎖和轎門鎖開(kāi)關(guān)串聯(lián)而成，回路中的任一個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電梯將無(wú)法運(yùn)行。

在電梯控制主板或PLC的輸入接口側(cè)，安全回路和門鎖回路都有對(duì)應(yīng)的輸入端子。因此，可以根據(jù)輸入端子的通斷狀態(tài)來(lái)獲取故障信號(hào)。

通過(guò)監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)端子接線上的電流有無(wú)，即開(kāi)關(guān)量信號(hào)，我們可以獲取電梯故障信息，因此可以在端子接線處安裝霍爾開(kāi)關(guān)量電流傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

霍爾傳感器采用Honeywell公司的SS40A型開(kāi)關(guān)量電流傳感器。

四、系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

用戶通過(guò)監(jiān)控中心PC的Web瀏覽器訪問(wèn)在網(wǎng)關(guān)上的Web服務(wù)器即可完成電梯故障監(jiān)測(cè)與報(bào)警等任務(wù)。用戶在Web瀏覽器頁(yè)面上的文本輸入欄中輸入監(jiān)測(cè)參數(shù)，根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)，系統(tǒng)可以通過(guò)Javascript腳本及AJAX技術(shù)手動(dòng)或自動(dòng)向Web服務(wù)器發(fā)起命令發(fā)送請(qǐng)求以及數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求，返回的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)的顯示在Web頁(yè)面上。

用戶由Web頁(yè)面發(fā)出的請(qǐng)求根據(jù)HTTP協(xié)議通過(guò)LAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到運(yùn)行在網(wǎng)關(guān)上的Web服務(wù)器Apache。如果Web服務(wù)器收到的是命令發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器將調(diào)用命令發(fā)送CGI程序。命令發(fā)送CGI程序啟動(dòng)socket客戶進(jìn)程，連接到后臺(tái)運(yùn)行的socket服務(wù)接口。如果連接成功，命令發(fā)送CGI程序通過(guò)socket連接向后臺(tái)進(jìn)程傳遞用戶請(qǐng)求發(fā)送的命令，傳遞完成后，命令發(fā)送CGI程序再通過(guò)Web服務(wù)器向監(jiān)控中心返回結(jié)果。

系統(tǒng)以一個(gè)命令隊(duì)列作為暫存用戶命令發(fā)送請(qǐng)求的緩沖區(qū)。后臺(tái)進(jìn)程接收到的命令不會(huì)直接發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，而是首先從命令隊(duì)列的隊(duì)尾寫入命令隊(duì)列，等待隊(duì)列控制器的定時(shí)調(diào)度。如果條件達(dá)成，隊(duì)列控制器將會(huì)從命令隊(duì)列的對(duì)頭取出一條命令，將命令封裝成規(guī)定格式的命令幀后，再通過(guò)串口發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。

ZigBee協(xié)調(diào)器接收到命令幀后，首先進(jìn)行命令幀的解析，取出命令和目標(biāo)地址。根據(jù)目標(biāo)地址，協(xié)調(diào)器將命令封裝為不含地址信息的命令幀并轉(zhuǎn)發(fā)給指定網(wǎng)絡(luò)地址的傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)收到命令幀后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等任務(wù)。將采集到的數(shù)據(jù)封裝為規(guī)定格式的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，再由ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)串口返回到網(wǎng)關(guān)。

如果Web服務(wù)器收到了監(jiān)控中心發(fā)出的數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求，與接收到命令發(fā)送請(qǐng)求的處理過(guò)程類似，首先調(diào)用數(shù)據(jù)查詢CGI程序，連接到socket服務(wù)接口，連接成功后，通過(guò)隊(duì)列控制器從數(shù)據(jù)隊(duì)列或信息隊(duì)列中取出所有數(shù)據(jù)，并返回給監(jiān)控中心進(jìn)行顯示。

參考文獻(xiàn)：

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