基于ZigBee网路的电梯安全监测系统

张 凯 庞玉凯

基于ZigBee网路的电梯安全监测系统

张 凯 庞玉凯

本文介绍了基于ZigBee技术与虚拟仪器技术相结合的电梯安全监控系统的设计。该系统可分为数据采集系统和监测中心两部分。数据采集系统是系统的前端系统，利用ZigBee CC2530微控器搭建无线传感器网络，通过集合多种传感器对电梯的运行状态进行实时采集；监测中心以LabVIEW作为开发环境，是电梯安全监控系统的后端系统，主要完成数据显示、数据存储以及数据分析等功能。实验证明该系统具有较高的性价比、操作简单、容易扩展，具有广阔的市场前景。

随着经济的不断发展以及城市规模的逐渐扩大，高层建筑发展的越来越多，而电梯作为一种高层建筑中常用的垂直交通工具，已经广泛的运用在人们日常生活中。因此，电梯能否安全可靠的运行直接关系到人们的生命安全。近几年来，由于电梯故障造成的人员伤亡以及经济损失屡有发生，电梯安全运行越来越受人们的关注。因此，对电梯安全监控显得尤为重要。

现在所使用的大部分电梯都由专业维修人员上门进行定期检查，维护和故障处理。由于电梯分布区域广，传统的人工处理以及故障处理的做法明显存在不足，同时也没有详细的参数记录，这就要求维修人员需要对电梯进行全方位的检查才能找出故障原因，从而使维修人员工作效率下降。因此，本文设计了一种基于ZigBee传感器网络的电梯安全监测系统，通过传感器网络实时采集电梯运行状态，以无限方式传输至监测中心，让管理人员可以随时监测电梯运行状态，从而实现对电梯的智能化维护与管理。该系统设计一方面可实时监测电梯状态，对故障进行预警和报警，另一方面能够对电梯定时准确维保提供技术支持。

电梯安全监测系统总体方案设计

电梯安全监测系统整体设计方案如图1所示。主要包括两部分：数据采集系统和上位监测中心。

数据采集系统其实质是一个无线传感器网络。它由部署在电梯内的大量微型传感器节点组成，这些节点通过无线通信的方式形成一个多跳、自组织的网络系统，用于感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息。从其结构上看主要包括传感器模块、ZigBee终端模块以及ZigBee协调器模块。传感器模块集合多种传感器，而这些传感器包含：门开关传感器、基站感应器、上下极限感应器以及红外人体传感器，通过这些传感器的整合用于感知电梯运行过程中主要参数；ZigBee终端模块实现对传感器模块感知信号的处理以及将这些数据以无线的方式发送至协调器的功能；协调器模块负责收集终端传来的数据，并发送至监测中心。

监测中心是在普通的PC机上以LabVIEW为开发工具设计相关的监控软件，按照其功能可分为数据显示、数据处理、数据存储以及报警四部分。

电梯安全监测系统硬件设计

ZigBee无线网络硬件设计

ZigBee网络中的设备主要分为协调器、路由器和终端三种类型。它们的硬件结构是一样的，只是相应的程序不同，实现功能不同。其中协调器负责网络的组建管理，终端节点、路由器和监测中心之间数据的传送。路由器主要功能是将网络中将相邻节点的数据进行转发。终端节点又可以称作传感器节点，主要功能是采集传感器检测到数据并发送出去。

图1 电梯安全监测系统整体设计框图

图2 数据采集过程

根据实际需求，本设计采用ZigBee星形网络拓扑结构实现电梯安全监测系统的设计方案。由于电梯监测需要的节点数量较多，同时在功耗较小的情况下，还要尽量延长节点的工作时间。基于以上要求，综合考虑性价比，在本系统中硬件电路的设计将以CC2530为核心，ZigBee硬件节点设计分为传感器节点和协调器的设计，实现整个ZigBee的无线传感器网络的电梯安全监控功能。

监测中心PC机通过串口向协调器节点供电，协调器负责收集传感器节点发送的信息，并通过串口发送至监测中心PC机。传感器节点主要负责电梯运行状态的采集。

系统传感器模块的选型与硬件设计

本系统采集的电梯运行状态参数主要有：电梯轿门门开关状态、电梯内有无人、电梯当前所在楼层等。因此，传感器节点以CC2530中的8051CPU为核心，主要完成电梯安全运行参数的感知与无线传输。传感器节点采用RFD设备，只需很少的资源和存储容量，因此供电方式使用电池供电。为了节省电能，传感器节点工作方式采用定时唤醒的间歇工作方式，每隔10s将传感器节点从休眠状态唤醒开始数据采集，并向协调器节点发送信息，发送完成后又进入休眠状态。

电梯安全监测系统软件设计

监测中心软件设计

本系统所设计的监测中心主要对获得的电梯运行数据进行存储、处理和显示，并分析电梯是否处于健康运行状态。如果数据不再安全范围内，则通过监测中心界面的报警指示灯提醒相关人员及时处理，预防危险事故发生。监测中心与传感器网络信息的交互由ZigBee协调器完成，它们之间通过RS-232串口进行连接实现通信，串口通信是基于VISA（虚拟仪器软件架构）来实现。通过调用LabVIEW中VISA库函数并配置与协调器相一致的参数，就可识别协调器发送过来的串口数据，然后进行数据的显示与存储以及数据分析，对电梯的安全性进行判定，并决定是否启动报警功能。

数据采集过程

本系统设计选择了星形拓扑结构来对电梯安全运行状态信息进行监测。系统由一个协调器和终端节点组成。在本系统中，终端节点采用周期点播的方式，主要完成电梯相关数据的采集和以及无线转发，每隔10s采集并发送一次电梯状态至协调器节点；ZigBee协调器的主要功能就是组建并且管理整个ZigBee网络，接收各终端节点发来的数据，报警信息，并与监测中心PC机进行交互以实现整个电梯系统的监控。ZigBee节点数据采集流程图如图2所示。

结语

本文采用低功耗、低成本、自组织、短距离的无线传感器网络技术来组建智能化电梯安全监测网络，系统无须布线，灵活性和可扩展性都大大增加。节点大范围地分布于电梯轿厢内及轿顶上，某一个节点的损坏并不会影响系统的整体性，可以保证系统的稳定性。基于无线传感器网络的电梯安全监测系统从功耗、成本、稳定性和可靠性都拥有不可比拟的优势，对于更好地保障人们的生命财产安全具有重大的意义。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.23.005