基于無線傳感器網絡的樓層呼叫與層門自鎖系統研究*

楊光祥，曹曉莉

（1.重慶工商大學計算機與信息工程學院，重慶 400067;2.電子商務及供應鏈系統重慶市重點實驗室，重慶 400067）

0 引言

施工升降機廣泛應用于高層建筑工地和橋梁施工工地［1］。在各種物料提升設備中，升降機是較有特色的一種。它工作效率高;載物時，適用于各種物品，不需要專門的吊具，也不需要對物料進行很多的包裝處理。它的缺點是，在平層就位時，需要來回地啟動升降電機以調整上下位置，增加了工人勞動強度，對設備造成了沖擊。雖然可以引進電梯的控制方法，但對升降機而言，顯得成本太高。并且施工過程中建筑物層高層數均在變化，電梯控制系統無法適應這種隔幾天就要調整一次的狀況。而且，對于高層建筑來說，工人進出升降機以往的方式通常是通過敲打標準節鋼管的原始方式提示通知施工升降機操作人員在某層有工人進出施工升降機的需求。在施工升降機停靠某層后，位于建筑物側的安全保護層門再打開，工人上下完畢后，需要將層門關閉，施工升降機才能夠重新啟動運行，在層門處于打開狀態時，升降機是不能夠運行的。針對這些需求，結合無線傳感器網絡（WSNs）的應用［2，3］，本文建立了一種樓層呼叫方法與層門自鎖算法，設計了呼叫編碼解碼方法，開發了一種基于WSNs技術的低成本呼叫和層門自鎖系統。該系統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境惡劣的特點。

1 呼叫與層門系統總體結構

該系統的基本原理是:每層樓安裝的呼叫器由工人進行按鍵呼叫，產生一個呼叫編碼，通過315 MHz無線通信模塊將信號發送至升降機，而升降機內部的接收裝置收到信號后，將呼叫樓層的解碼值顯示于LED，由升降機操作人員控制電機停車。在停靠于某層目標位置后，該層的層門開關狀態由呼叫器通過位于層門上的電磁鐵鎖芯檢測，將狀態值發送于接收裝置，進而接收裝置根據層門的開關狀態決定是否可以允許升降機運行。

從結構上看，本系統由兩部分組成:呼叫器、主控接收器。由各個不同樓層的呼叫器是WSNs的節點，主控接收器作為WSNs的協調器（coordinator），由多個呼叫器和一個主控接收器共同構成WSNs。

1.1 呼叫器與層門自鎖結構

圖1為呼叫器與層門之間的安裝結構，層門鎖芯為電磁鐵鎖芯，可通過呼叫器控制其通斷，接近開關用于檢測層門的打開和關閉狀態。當層門處于打開狀態時，接近開關不能夠檢測層門的接近狀態，因此，呼叫器將層門的狀態發送至主控接收裝置，通過其切斷施工升降機電機的接觸器回路，使其不能夠啟動運行，實現了層門的自鎖。

圖1 呼叫器層門自鎖結構Fig 1 Self-locking of safety door

1.2 傳感器節點呼叫器模塊結構

圖2為呼叫器模塊內部結構，工人通過呼叫按鍵發出呼叫信號;輸入檢測主要是檢測層門接近開關信號;通過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

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

1.3 主控接收模塊結構

圖3為主控接收模塊內部結構，鍵盤與顯示提供人機接口;當層門沒有關閉或者有工人進行呼叫時，通過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電機的啟停。

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

2 呼叫編碼方法

當各個樓層的工人需要使用升降機上下樓時，可以按該模塊提供的按扭，一旦按扭信號觸發，CPU就產生中斷，啟動發射電路。發射的樓層信號需要進行編碼。接收模塊收到PWM波形信號后，通過STM32的定時器或者用外部中斷，然后軟件處理。

發射電路用PWM的方式來發送數據，采用315 MHz頻率的無線射頻發射模塊，發送信號是經過單片機編碼的波形，并采用PWM信號方式進行發送;而且，呼叫模塊同時通過接近開關檢測本層層門的開關狀態，并將開關狀態編碼通過發射電路發射到接收模塊。

編碼處理過程中，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，在發送和接收模塊之間傳輸的信號應該是一串寬度不等脈沖（即PWM波形信號），接收模塊輸出的電平為5V，通過這樣的方式進行解碼處理，解碼出實際的ASCII值（編碼長度一般在一個字節），如10010111，然后與存儲在ROM中的各個樓層編碼ASCII值進行比較，通過比較查找出是哪一層樓使用了呼叫功能，然后通過LED顯示樓層。

3 軟件設計

該系統的基本原理是:每層樓安裝的呼叫器由工人進行按鍵呼叫，產生一個呼叫編碼，經過WSNs傳輸到接收器進行解碼顯示和判斷。

對于層門的自鎖功能是依靠檢測層門的接近開關狀態與呼叫器配合實現的，其流程圖如圖5。

呼叫器將呼叫按扭產生的呼叫信號編碼后發送給主控接收器（或者主控接收器主動到達某層），電梯操作工人在到達該樓層后，由工人按下解鎖按扭，則主控接收器將該信號發送給該層呼叫器，呼叫器打開電磁鎖芯，工人可以進出電梯。同時，呼叫器根據檢測到的接近開關信號將層門狀態發送至主控接收器，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。在工人進出電梯過程完畢后，工人關閉層門，由主控接收器發送關鎖信號，呼叫器完成電磁鎖芯的關閉控制。

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

如果有多個樓層同時按鍵，有呼叫功能，則接收模塊根據先進先出（FIFO）的原則，首先處理最先按下按鈕的呼叫信號并顯示，其余的在隊列中排隊等候。

編碼長度采用一個字節，可以容納的總編碼數（Code-Num）、實際呼叫樓層編碼（CallingLayer）、功能編碼數（Fun-Num）數分別為

本系統能夠實際呼叫樓層最多采用99層。剩下的157個編碼其中120個用于功能編碼，主要是對每個樓層的層門關閉和打開狀態以及其他設置參數進行存儲，剩余部分37個編碼保留。

4 實驗結果

該系統成功運用于重慶市某33層的高層建筑工地。通過實驗，得到編碼的誤碼率指標如表1。

表1 誤碼率統計Tab 1 Bit error rate statistics

通過該表可以發現，隨著同時參與呼叫的呼叫器數量增加，呼叫誤碼率也會增加，但對于一般的建筑工地，同時參與呼叫的樓層數遠遠小于實驗數量，因此，可以滿足實際需求。

5 結論

本文采用基于315 MHz頻率的CC1101無線收發芯片，利用WSNs技術設計了樓層呼叫與層門自鎖系統，設計了呼叫編解碼方法。經過系統實際運行，呼叫距離能夠達到300 m，并且誤碼率較低，能夠滿足建筑工地實際運行環境需要。

［1］牛余磊，艾明祥.施工升降機變頻調速電路的防干擾措施［J］.建筑機械，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.無線傳感器網絡自適應聲音目標定位算法［J］.傳感技術學報，2010，23（3）:418 － 422.

［4］王 超.基于CC1110的井下無線傳感器監測網絡的設計與實現［J］.傳感器與微系統，2010，29（9）:94 －96.

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