基于ZigBee網路的電梯安全監測系統

張 凱 龐玉凱

基于ZigBee網路的電梯安全監測系統

張 凱 龐玉凱

本文介紹了基于ZigBee技術與虛擬儀器技術相結合的電梯安全監控系統的設計。該系統可分為數據采集系統和監測中心兩部分。數據采集系統是系統的前端系統，利用ZigBee CC2530微控器搭建無線傳感器網絡，通過集合多種傳感器對電梯的運行狀態進行實時采集；監測中心以LabVIEW作為開發環境，是電梯安全監控系統的后端系統，主要完成數據顯示、數據存儲以及數據分析等功能。實驗證明該系統具有較高的性價比、操作簡單、容易擴展，具有廣闊的市場前景。

隨著經濟的不斷發展以及城市規模的逐漸擴大，高層建筑發展的越來越多，而電梯作為一種高層建筑中常用的垂直交通工具，已經廣泛的運用在人們日常生活中。因此，電梯能否安全可靠的運行直接關系到人們的生命安全。近幾年來，由于電梯故障造成的人員傷亡以及經濟損失屢有發生，電梯安全運行越來越受人們的關注。因此，對電梯安全監控顯得尤為重要。

現在所使用的大部分電梯都由專業維修人員上門進行定期檢查，維護和故障處理。由于電梯分布區域廣，傳統的人工處理以及故障處理的做法明顯存在不足，同時也沒有詳細的參數記錄，這就要求維修人員需要對電梯進行全方位的檢查才能找出故障原因，從而使維修人員工作效率下降。因此，本文設計了一種基于ZigBee傳感器網絡的電梯安全監測系統，通過傳感器網絡實時采集電梯運行狀態，以無限方式傳輸至監測中心，讓管理人員可以隨時監測電梯運行狀態，從而實現對電梯的智能化維護與管理。該系統設計一方面可實時監測電梯狀態，對故障進行預警和報警，另一方面能夠對電梯定時準確維保提供技術支持。

電梯安全監測系統總體方案設計

電梯安全監測系統整體設計方案如圖1所示。主要包括兩部分：數據采集系統和上位監測中心。

數據采集系統其實質是一個無線傳感器網絡。它由部署在電梯內的大量微型傳感器節點組成，這些節點通過無線通信的方式形成一個多跳、自組織的網絡系統，用于感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息。從其結構上看主要包括傳感器模塊、ZigBee終端模塊以及ZigBee協調器模塊。傳感器模塊集合多種傳感器，而這些傳感器包含：門開關傳感器、基站感應器、上下極限感應器以及紅外人體傳感器，通過這些傳感器的整合用于感知電梯運行過程中主要參數；ZigBee終端模塊實現對傳感器模塊感知信號的處理以及將這些數據以無線的方式發送至協調器的功能；協調器模塊負責收集終端傳來的數據，并發送至監測中心。

監測中心是在普通的PC機上以LabVIEW為開發工具設計相關的監控軟件，按照其功能可分為數據顯示、數據處理、數據存儲以及報警四部分。

電梯安全監測系統硬件設計

ZigBee無線網絡硬件設計

ZigBee網絡中的設備主要分為協調器、路由器和終端三種類型。它們的硬件結構是一樣的，只是相應的程序不同，實現功能不同。其中協調器負責網絡的組建管理，終端節點、路由器和監測中心之間數據的傳送。路由器主要功能是將網絡中將相鄰節點的數據進行轉發。終端節點又可以稱作傳感器節點，主要功能是采集傳感器檢測到數據并發送出去。

圖1 電梯安全監測系統整體設計框圖

圖2 數據采集過程

根據實際需求，本設計采用ZigBee星形網絡拓撲結構實現電梯安全監測系統的設計方案。由于電梯監測需要的節點數量較多，同時在功耗較小的情況下，還要盡量延長節點的工作時間。基于以上要求，綜合考慮性價比，在本系統中硬件電路的設計將以CC2530為核心，ZigBee硬件節點設計分為傳感器節點和協調器的設計，實現整個ZigBee的無線傳感器網絡的電梯安全監控功能。

監測中心PC機通過串口向協調器節點供電，協調器負責收集傳感器節點發送的信息，并通過串口發送至監測中心PC機。傳感器節點主要負責電梯運行狀態的采集。

系統傳感器模塊的選型與硬件設計

本系統采集的電梯運行狀態參數主要有：電梯轎門門開關狀態、電梯內有無人、電梯當前所在樓層等。因此，傳感器節點以CC2530中的8051CPU為核心，主要完成電梯安全運行參數的感知與無線傳輸。傳感器節點采用RFD設備，只需很少的資源和存儲容量，因此供電方式使用電池供電。為了節省電能，傳感器節點工作方式采用定時喚醒的間歇工作方式，每隔10s將傳感器節點從休眠狀態喚醒開始數據采集，并向協調器節點發送信息，發送完成后又進入休眠狀態。

電梯安全監測系統軟件設計

監測中心軟件設計

本系統所設計的監測中心主要對獲得的電梯運行數據進行存儲、處理和顯示，并分析電梯是否處于健康運行狀態。如果數據不再安全范圍內，則通過監測中心界面的報警指示燈提醒相關人員及時處理，預防危險事故發生。監測中心與傳感器網絡信息的交互由ZigBee協調器完成，它們之間通過RS-232串口進行連接實現通信，串口通信是基于VISA（虛擬儀器軟件架構）來實現。通過調用LabVIEW中VISA庫函數并配置與協調器相一致的參數，就可識別協調器發送過來的串口數據，然后進行數據的顯示與存儲以及數據分析，對電梯的安全性進行判定，并決定是否啟動報警功能。

數據采集過程

本系統設計選擇了星形拓撲結構來對電梯安全運行狀態信息進行監測。系統由一個協調器和終端節點組成。在本系統中，終端節點采用周期點播的方式，主要完成電梯相關數據的采集和以及無線轉發，每隔10s采集并發送一次電梯狀態至協調器節點；ZigBee協調器的主要功能就是組建并且管理整個ZigBee網絡，接收各終端節點發來的數據，報警信息，并與監測中心PC機進行交互以實現整個電梯系統的監控。ZigBee節點數據采集流程圖如圖2所示。

結語

本文采用低功耗、低成本、自組織、短距離的無線傳感器網絡技術來組建智能化電梯安全監測網絡，系統無須布線，靈活性和可擴展性都大大增加。節點大范圍地分布于電梯轎廂內及轎頂上，某一個節點的損壞并不會影響系統的整體性，可以保證系統的穩定性。基于無線傳感器網絡的電梯安全監測系統從功耗、成本、穩定性和可靠性都擁有不可比擬的優勢，對于更好地保障人們的生命財產安全具有重大的意義。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.005