基于ZigBee和GPRS的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

李 文 李 炎

(1. 安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000；2. 蕪湖市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心， 安徽 蕪湖 241000)

近幾年，隨著我國城市建設(shè)的廣度及深度的持續(xù)增加，建筑土地變得愈來愈少，因此，高層房屋逐漸成為普遍現(xiàn)象，而使用電梯的數(shù)量也隨之快速攀升。電梯的出現(xiàn)，使得公眾的生活更加便捷，但是近年頻發(fā)的電梯事故，使其成了社會關(guān)注的焦點。為了監(jiān)控電梯的工作狀況，避免事故發(fā)生，國內(nèi)外許多學(xué)者及制造商都展開了相關(guān)研究。如今，電梯監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)都是從電梯主板上對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接讀取，借助有線途徑向控制終端傳送收集的數(shù)據(jù)，最后利用Internet或者GPRS傳送至服務(wù)器。這種方法一方面布線難度大；另一方面由于各家主板廠商均對自己的產(chǎn)品設(shè)置了一定的技術(shù)壁壘，收集的數(shù)據(jù)具有一定的局限性，甚至難以集齊所需要的數(shù)據(jù)資料：因此使用范圍較窄。本次研究選擇使用的ZigBee模塊CC2530不但簡單，而且可靠度高，能夠直接從電梯所有部位的傳感器獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，評估電梯的工作狀態(tài)和出現(xiàn)的問題。收集完所需數(shù)據(jù)資料之后，借助ZigBee無線通信協(xié)議向協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)，最后通過STM32單片機借助GPRS通信協(xié)議向服務(wù)器傳送相關(guān)數(shù)據(jù)[1-4]。對ZigBee短距離無線通信技術(shù)加以運用，不僅可以使現(xiàn)場布線簡單化，而且可以將從多處終端收集到的數(shù)據(jù)聚合在一起被服務(wù)器所接收，從而使遠(yuǎn)程通信的成本大為縮減，同時使監(jiān)控系統(tǒng)具有更高的安全度及平穩(wěn)度。在 LabVIEW環(huán)境當(dāng)中開發(fā)的監(jiān)控界面簡單大方，為人機交互提供了更大的便利。

1 電梯監(jiān)控系統(tǒng)的基本架構(gòu)

該系統(tǒng)主要由附加在電梯各部位的傳感器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信模塊、單片機控制器、GPRS模塊、監(jiān)控平臺5個部分組成，其整體架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 電梯監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

首先，將附于電梯各位置的傳感器及TI公司的CC2530模塊共同構(gòu)成一個網(wǎng)狀ZigBee網(wǎng)絡(luò)，從而便于所有模塊能借助ZigBee協(xié)議完成較短間距的無線通信。一個GPRS模塊可供同一座樓房中的多個電梯使用，能大幅度節(jié)約成本。然后，ZigBee路由模塊CC2530借助串口傳送命令給電梯主板，獲取電梯所有位置的傳感器信號并加以讀取。接著再按照點對點的通信方法向ZigBee協(xié)調(diào)器傳送相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過串口被STM32單片機所接收。經(jīng)該單片機判定之后，再明確是不是需要借助GPRS模塊向服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)。倘若答案是肯定的，就需先向SIM900A模塊傳輸數(shù)據(jù)，再借助GPRS協(xié)議使服務(wù)器得以接收；反之，就將數(shù)據(jù)清除。一旦監(jiān)控平臺收到相關(guān)數(shù)據(jù)，借助剖析就能夠獲悉電梯所處樓層，以及問題情況等，然后以此為據(jù)判定電梯的工作情況，從而盡早清除不安全隱患。除此之外，安全監(jiān)控中心能夠借助STM32與GPRS向ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送控制指令，從而實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)模式的選取。主要有2種模式。(1) 正常模式。在此選項下，ZigBee路由器每1 s就會對電梯的狀態(tài)進(jìn)行1次讀取。如果電梯的工作處于正常狀態(tài)則不會做出任何反應(yīng)；如果出現(xiàn)了故障則向協(xié)調(diào)器傳送該路由的MAC地址和問題信息資料，最后在GPRS模塊的作用下使服務(wù)器接收信息，即可完成電梯故障報警。(2) 實時監(jiān)控模式。在此選項下，ZigBee路由器每1 s就會對電梯的狀態(tài)進(jìn)行1次讀取，不管是不是有問題被發(fā)現(xiàn)，都會向服務(wù)器發(fā)送獲取的數(shù)據(jù)資料，而且能夠鍵入不一樣的指令對多個電梯進(jìn)行同時監(jiān)控。

2 ZigBee路由器與協(xié)調(diào)器的設(shè)計

2.1 ZigBee路由器的設(shè)計

CC2530無線單片機是TI公司用在ZigBee的一個真正的片上系統(tǒng)(SoC)應(yīng)對方案，借助其供應(yīng)的 Z-Stack協(xié)議棧能夠較為快速便捷地建成ZigBee網(wǎng)絡(luò)。該監(jiān)控系統(tǒng)的路由器主要具備2項功能，即借助串口完成對電梯數(shù)據(jù)的收集，借助無線和協(xié)調(diào)器完成點對點的通訊。在Z-Stack協(xié)議棧中完成路由器的規(guī)劃工作，借助其供應(yīng)的多類函數(shù)能夠快速完成CC2530的程序編輯。具體流程詳見圖2。

Z-Stack協(xié)議棧的本質(zhì)即為操作系統(tǒng)，其具有較低的繁雜度。加入任務(wù)之后，其就對所有任務(wù)加以輪詢，這一點有別于一般單片機。首先，CC2530借助串口傳輸指令至電梯外加傳感器，然后，靜待反饋數(shù)據(jù)。傳輸數(shù)據(jù)采用波特率為9 600 Bd，0位校驗位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位的格式，這種格式有助于確保ZigBee與電梯主板通訊的無誤性。盡管電梯主板返回的數(shù)據(jù)具有完全一致的格式，然而Z-Stack協(xié)議棧里預(yù)設(shè)的接收函數(shù)的格式卻不一樣，因而需要對其加以更改，使其與上述格式相同。通常情況下，ZigBee路由器在對電梯狀態(tài)數(shù)據(jù)加以讀取之后即可對其是不是正常工作而展開判定。倘若一切正常，那么讀取任務(wù)不間斷進(jìn)行；倘若發(fā)現(xiàn)問題，則需要借助無線傳輸將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器加以處理。除此之外，路由器能夠獲悉監(jiān)控中心是不是將監(jiān)控模式打開。倘若答案肯定，則借助無線傳輸，實時把電梯狀態(tài)數(shù)據(jù)信息傳輸至協(xié)調(diào)器。

圖2 ZigBee系統(tǒng)流程圖

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器的設(shè)計

單個ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)僅可有1個協(xié)調(diào)器，其功能是管理網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點。協(xié)調(diào)器設(shè)立牢固的PANID，從而使每一次重啟開啟后，其他路由設(shè)施都能夠確保再度加進(jìn)其設(shè)立的網(wǎng)絡(luò)。另外，在上述監(jiān)控系統(tǒng)中，ZigBee路由設(shè)施和STM32單片機的關(guān)聯(lián)也需要由協(xié)調(diào)器來完成。首先，由路由器無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息被協(xié)調(diào)器接收后借助串口向STM32傳輸；然后，借助串口完成對STM32輸送數(shù)據(jù)信息的接收；最后，再借助ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)向路由設(shè)施傳輸。

為了防止網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的產(chǎn)生，路由器和協(xié)調(diào)器的通信選取點對點形式。其中，前者傳輸數(shù)據(jù)信息的目標(biāo)地址即為后者的具體地址，而后者將數(shù)據(jù)接收后需要和哪一個路由設(shè)施進(jìn)行通信，則主要取決于數(shù)據(jù)涵蓋的路由設(shè)施MAC地址。任何一個ZigBee設(shè)施，一旦出廠即會被指定一個16位的全世界獨有的MAC地址，只需相應(yīng)的軟件即可對其加以讀取。

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)處于普通模式的時候，協(xié)調(diào)器每分鐘都能夠接收到從路由器傳輸?shù)男奶?，從而確保監(jiān)控中心能夠?qū)ο鄳?yīng)路由器的性能進(jìn)行判定。心跳的使用使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)度及安全度都有所提升。

3 STM32單片機及GPRS模塊的設(shè)計

STM32系列單片機的出現(xiàn)，預(yù)示了未來單片機的發(fā)展趨勢。它是意法半導(dǎo)體特意設(shè)計的ARM Cortex-M內(nèi)核，不但功耗小，而且計算十分快速，同時在通信形式方面沒有過多制約性，其設(shè)有多個外部接口。本監(jiān)控系統(tǒng)選用STM32F103RCT6單片機，其計算速度為73 MHz，可支持5路UARTUSART(RAM及Flash的容量分別為48 KB與256 KB)，能夠應(yīng)用庫完成程序的編輯，減小時間損耗。GPRS模塊選擇SIM900A，其接口規(guī)范，工作頻率為900、1 800、1 900 MHz，無需過多損耗即可完成SMS、語音、數(shù)據(jù)以及傳真信息的輸送。

借助串口，單片機將SIM900A與ZigBee協(xié)調(diào)器加以關(guān)連，后者由串口1連接，前者由串口2連接。倘若協(xié)調(diào)器需要向單片機傳輸數(shù)據(jù)，則單片機就需借助串口2將其傳輸至SIM900A，待單片機接收后，即可借助串口1將其傳輸至協(xié)調(diào)器。其程序流程圖如圖3所示。

圖3 單片機控制流程圖

相應(yīng)的AT命令能夠促使SIM900A的初始化得以完成。在該監(jiān)控系統(tǒng)，透傳模式為SIM900A所應(yīng)用。正常情況下，單片機每一次對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸前都會對“AT+CIPSEND”加以發(fā)送，直至SIM900A回饋“<”之后才將數(shù)據(jù)資料傳輸出去。SIM900A傳輸至單片機的數(shù)據(jù)格式較為特別，易于導(dǎo)致無法正常接收。然而，在透傳模式下，不會出現(xiàn)格式不同的問題。為了確保SIM900A能夠長時間與TCP連接，單片機每隔30 s就對監(jiān)控中心傳輸1次心跳，監(jiān)控中心收到心跳之后作出反饋。倘若SIM900A在較長時間內(nèi)都沒有收到心跳，則會重新開啟。

為了使SIM900A可以精準(zhǔn)無誤地重新開啟，在此之前必須向其傳送“+++”指令，使透傳模式停止。

4 PC機監(jiān)控界面的設(shè)計

LabVIEW具備借助圖形化完成程序編輯的開發(fā)環(huán)境，其出自美國國家儀器。在該平臺中，可以全部使用圖形化語言完成程序編輯，從而提高了開發(fā)效率。其前面板存在多類控件，借助其開發(fā)的界面不但簡單悅目，而且操作便利。

本測控系統(tǒng)的SIM900A選擇使用GPRS通信中的TCPIP形式與服務(wù)器完成交互活動。該形式在因特網(wǎng)中屬于最根基的協(xié)議，LabVIEW能夠借助其集成的控件函與互聯(lián)網(wǎng)完成數(shù)據(jù)資料互換。本次設(shè)計中選擇使用了多個控件，如TCP偵聽、TCP寫入等。具體程序框圖及電梯監(jiān)控界面前面板詳見圖4與圖5。

程序開始工作之后，監(jiān)控系統(tǒng)處于普通模式，僅有報警指示燈位于工作狀態(tài)，而且全部為綠色。倘若其中某一部電梯產(chǎn)生了問題，那么與其相應(yīng)的指示燈則會變成紅色。如果需要對電梯的實時工作狀況進(jìn)行監(jiān)控，只需按下監(jiān)控按鈕，對應(yīng)電梯所在樓層顯示框就會顯示出其實際的運行狀況。

圖4 LabVIEW程序結(jié)構(gòu)圖

圖5 電梯監(jiān)控平臺界面

對設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行了實際安裝檢測。通過幾個月的觀察及檢測，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并且在出現(xiàn)問題指示時可以及時發(fā)送警報，便于及早處理，從而使電梯的運行具有更高的安全性。

5 結(jié) 語

使用ZigBee短距離無線技術(shù)與GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)，不但可以使電梯的現(xiàn)場布線變得更加簡單，而且還可以使監(jiān)控距離得到提升，同時還可以使系統(tǒng)具有較高的平穩(wěn)性和實時性，這將是相應(yīng)領(lǐng)域未來的主要發(fā)展方向。該監(jiān)控系統(tǒng)價格便宜、平穩(wěn)度強、維護(hù)方便，并且能借助LabVIEW完成自身監(jiān)控界面的開發(fā)，不僅界面簡明大方，而且操作極為簡單。

[1] 李新穎，張帆，牛小榮.基于ZigBee和GPRS的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀器儀表，2011(5):38-39.

[2] 丁鵬.基于GPRS技術(shù)的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2016：10-12.

[3] 張吉祥.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電梯遠(yuǎn)程實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2013：11-13.

[4] 葛宏帥.基于J2EE的電梯運行參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2016：15-17.