伴隨著城市經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，電梯作為一種垂直交通工具，它的應用日益廣泛。然而電梯的故障檢測和及其維護，特別是電梯遠程監(jiān)控的作用就顯得極為重要。但是國內在用的大多數(shù)電梯由于不能及早的預測電梯的運行故障而常常出現(xiàn)電梯困人、蹲底、沖頂、溜梯等突發(fā)情況。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，罪魁禍首是電梯內各種待測信號繁多，不便于布線且目前常用的2.5G 傳輸網(wǎng)絡不能滿足大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟮仍?。因此，研究并開發(fā)基于zigbee 技術+3G 傳輸網(wǎng)絡的多電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有很大的工程實際意義。

目前，zigbee 技術和3G 技術各自都廣泛已經(jīng)應用于很多領域，但結合利用在電梯遠程監(jiān)控上的研究卻很少;僅文獻[1]利用zigbee 技術和2.5G 技術結合的方式來進行無線抄表系統(tǒng)的研究;文獻[2]介紹了基于Zigbee 的無線監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)也是基于2.5G通信技術，但并沒有具體用3G 網(wǎng)絡如何去實現(xiàn)該系統(tǒng)。

文獻[3]是ZigBee 無線傳感技術在森林火災監(jiān)測中的應用，上述大多數(shù)研究都采用zigbee 技術和2.5G 網(wǎng)絡傳輸?shù)慕Y合在各個行業(yè)的應用，而本文之所以采用zigbee 技術和3G 網(wǎng)絡進行多電梯的遠程監(jiān)控，是因為zigbee 技術可以免去復雜的布線，節(jié)約成本[4,5],而3G網(wǎng)絡的傳輸速度快，以便多臺電梯出現(xiàn)問題時能夠及時將信息快速的傳輸給監(jiān)控中心，進而故障能及時得到解決。

然而，對于zigbee 技術和internet 寬帶結合應用的也比較廣泛，但有一定的缺陷，其網(wǎng)絡必須要有網(wǎng)絡上網(wǎng)接口，且不能移動終端，對于本系統(tǒng)而言，為了能自由地從遠端控制系統(tǒng)來查看系統(tǒng)的各項運行指標，采用了3G 網(wǎng)絡作為運輸載體，只要有3G 網(wǎng)絡覆蓋到的地方，就可以實現(xiàn)隨時隨地查看電梯終端的運行結果。

針對多電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實際應用需求，在ARM9 的32 位嵌入式系統(tǒng)的基礎上，并有效結合zigbee 技術和3G 網(wǎng)絡技術，主要在網(wǎng)絡通信與數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議實現(xiàn)及監(jiān)控主機應用程序及接口等技術問題上做了深入研究，該方案并提出了遠程客戶端采用B/S 瀏覽模式，這樣克服了現(xiàn)有電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的不足，具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)無線采集、無線網(wǎng)絡傳輸和隨時遠程監(jiān)控的新的多電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)，具有極大的經(jīng)濟效益，是今后電梯遠程監(jiān)控技術發(fā)展的方向。

1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設計

3G 網(wǎng)絡環(huán)境下的遠程監(jiān)控系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡傳輸和遠程監(jiān)控共3 個部分?？傮w結構如圖1 所示：



圖1 多電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

當數(shù)據(jù)采集終端將采集到的電梯運行數(shù)據(jù)(包括溫度、速度、加速度)先進行預處理，預處理包括A/D轉換，數(shù)據(jù)壓縮，數(shù)據(jù)鎖存等技術，隨后zigBee 收發(fā)模塊將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)打包并傳給zigBee 網(wǎng)絡控制中心，再由中心節(jié)點通過EM560 3G 傳輸模塊將數(shù)據(jù)包發(fā)出;數(shù)據(jù)包通過中國移動3G 網(wǎng)關最終發(fā)送至監(jiān)控中心，當控制中心收到報警信息后立即通過3G 網(wǎng)絡將故障相關信息發(fā)送給維護中心，同時該監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送警示信號使故障電梯進入保護模式，直到警示信號完全解除。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的每個采集節(jié)點都以TI 公司生產(chǎn)的CC2430 作為核心芯片，由于各個節(jié)點的功耗低，且使用壽命長(一般兩年內無需維護)，同時省去復雜的布線，所以實現(xiàn)起來很方便。但是考慮到，各個傳感器節(jié)點采集信息后匯聚到中心節(jié)點的信息量之大，傳輸至遠程監(jiān)控中心的過程中，難免有網(wǎng)絡延時，堵塞等情況發(fā)生，所以該系統(tǒng)采用了高帶寬，高速率的3G 網(wǎng)絡作為傳輸網(wǎng)絡。

2 系統(tǒng)主芯片選擇

該監(jiān)控系統(tǒng)的主控制器主要由基于S3C2440A 的ARM9 控制器和基于CC2430 的無線收發(fā)傳輸模塊兩部分組成。

2.1 核心控制器

本方案采用了三星公司推出的基于ARM920T 內核的RISC 嵌入式微處理器S3c2440,因為電梯采集數(shù)據(jù)的信息量大，且無線傳感器網(wǎng)絡控制中心需負責ZigBee 網(wǎng)絡和3G 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸，同時還要負責ZigBee 網(wǎng)絡的組建、節(jié)點的加入和刪除等網(wǎng)絡維護工作，所以需要較強的處理能力，而一般的CPU 又難以承擔重負荷運載， 而該款CPU 的工作頻率可達400MHz,具有很強大的運算能力，且性價比高、功耗低。該芯片集成了LCD 控制器提供1 通道LCD 專業(yè)DMA,SDRAM 控制器，攝像頭接口，3 個UART 的通道(帶有16 字節(jié)的TX/RX FIFO,支持IrDA1.0 功能)，USB 接口，觸摸屏接口。在嵌入式處理器的控制下，數(shù)據(jù)采集終端將傳感器采集到的電梯運行數(shù)據(jù)，進行預處理(編碼、A/D 轉換等技術)后存入采集終端中，由EM560 模塊通過中國移動3G 網(wǎng)絡發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。

系統(tǒng)測試過程中所采用的三星公司的ARM9 開發(fā)板集成了很多外圍設備，根據(jù)其功能的可剪裁性，所以該采集終端設計只需將相關在用的I/O 口初始化，用來進行傳感器信號的數(shù)據(jù)的采集。該開發(fā)板的性能比較穩(wěn)定，排除了相關的不穩(wěn)定因素。而本次運用的軟件系統(tǒng)是嵌入式Linux 系統(tǒng)。它具有內核小、安全性高、源代碼免費、微內核支持網(wǎng)絡等優(yōu)點，并且可應用于多種平臺，尤其是在ARM 平臺上的應用已經(jīng)相當成熟且能提供強大的管理功能，因此完全可以滿足數(shù)據(jù)采集的需求。

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集終端部分的功能主要是由TI 公司生產(chǎn)的CC2430 作為核心芯片來完成的，該芯片CC2430采用的是全球通用頻段(2.4 GHz)通信[9],且擁有1 個8位8051MCU, 8KB 的RAM,還包含模擬數(shù)字轉換器、幾個定時器、看門狗定時器、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、以及21 個可編程I/O 引腳，并且已固化了全球先進的ZigBee 協(xié)議棧、工具包和參考設計，目前已廣泛運用在汽車電子，通信等各個領域[10].

以某小區(qū)的電梯群為研究對象，在每個電梯終端上都裝一個ZigBee 模塊和相應傳感器來當作一個終端節(jié)點，用它來實時監(jiān)控各個電梯的狀態(tài)，并把采集到的電梯運行數(shù)據(jù)信號以無線方式發(fā)給ZigBee 控制中心，因此ZigBee 控制中心和各個電梯終端就組成了一個無線連接的星型結構的多電梯監(jiān)控網(wǎng)絡。

其中數(shù)據(jù)采集結構框圖如下所示：



圖2 數(shù)據(jù)采集終端結構圖

3 3G網(wǎng)絡傳輸及其接口協(xié)議

3.1 S3c2440A 與EM560 的通信

當數(shù)據(jù)采集終端在完成了數(shù)據(jù)的采集后將數(shù)據(jù)包無線發(fā)送給zigbee 網(wǎng)絡控制中心，再由華為公司生產(chǎn)的3G 無線模塊EM560 將數(shù)據(jù)發(fā)送。該模塊支持通用串行總線(USB)、移動通信(TD-SCDMA/HSPA)等技術，同時，它還具有豐富的接口包括UART、USB2.0、GPIO、GPS、攝像頭傳感器和內嵌SIM 卡等，目前已經(jīng)廣泛運用于遠程監(jiān)控，無線傳輸?shù)鹊雀鱾€領域中。

該模塊將ARM9 開發(fā)板的通用串行口和數(shù)據(jù)采集終端進行無線鏈接，經(jīng)系統(tǒng)測試，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)南滦泻蜕闲兴俾史謩e可達到2.8Mbps 和384Kbps.經(jīng)分析，嵌入式控制器采用的S3C2440A 處理器芯片與EM560無線傳輸模塊的I/O 電均為3.3 V,所以，本監(jiān)控系統(tǒng)為實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和3G 無線網(wǎng)絡的傳輸欲采用S3C2440A 處理器的UART 口與EM560 的UART 口連接的方式，如圖3 所示。



圖3 S3c2440A 與EM560 的連接圖

3.2 接口協(xié)議的通信

由于在對電梯數(shù)據(jù)信息采集備進行監(jiān)控時，所使用的接口協(xié)議具有一定的相關性，所以將圖片、視頻或其它信息量比較大的數(shù)據(jù)上傳時，3G 網(wǎng)絡與控制中心平臺之間可采用標準應用層信令控制協(xié)議進行信息認證等，通過認證即可以建立用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(UDP)連接完成數(shù)據(jù)傳送，但是由于數(shù)據(jù)量的對實時性的要求較高，所以采用UDP 連接協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

在瀏覽終端進行查看和控制指令發(fā)送時，瀏覽器和通信服務器之間的接口可使用簡化了的實時流傳輸協(xié)議的標準接口，進而來夠滿足實時性的要求，即遠程客戶端可以隨時隨地的查看服務器所存儲的電梯相關指標及其他狀態(tài)信息。

4 軟件設計及遠程監(jiān)控端設計

4.1 zigbee 網(wǎng)絡設計

802.15.4 協(xié)議的網(wǎng)絡拓撲結構有3 種類型：星型結構、網(wǎng)格狀結構和簇狀結構。數(shù)據(jù)采集主要是采用星型傳感器網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)進行采集，因為星型網(wǎng)絡需要的中心控制器少，這樣可以大大降低監(jiān)測網(wǎng)絡群體的總體功耗。而多電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的zigbee 網(wǎng)絡采用是星型拓撲結構，zigbee 網(wǎng)絡結構中含有：中心節(jié)點、采集節(jié)點和轉發(fā)節(jié)點。整個zigbee 網(wǎng)絡的控制中心節(jié)點和采集節(jié)點詳細工作流程圖如下圖所示。



圖4 中心節(jié)點流程圖

圖4 中，中心控制節(jié)點主要將遠程監(jiān)控終端發(fā)送的指令信息通過ZigBee 網(wǎng)絡發(fā)送到子節(jié)點，并對ZigBee 網(wǎng)絡中的每個子節(jié)點進行管理，除此之外，還可以接收各個子節(jié)點的數(shù)據(jù)信息并返回給監(jiān)控終端以便通過瀏覽器進行查閱和數(shù)據(jù)庫保存。中心控制節(jié)點通過數(shù)據(jù)幀中的節(jié)點ID 進行數(shù)據(jù)通信，利用Switch語句做相應的處理。

switch(node ID) {

case node1:…

case node2:…



圖5 采集節(jié)點流程圖

圖5 中，采集節(jié)點是多電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的中電梯數(shù)據(jù)采集和控制電梯盒的重要機構，它主要是接收控制中心節(jié)點的控制指令，對電梯內各個傳感器進行信息采集，并對被控電梯進行操作。部分代碼如下所示：

typedef NER_ADDR unsigned short;

typedef NER _DATA unsigned char;

void main()

{

Init_zigbee();

NER _ADDR addr=inst[2];

NER _DATA

set_psw(PSW_Pispar (data));

data=read(addr,NER_INT_RAM);

write(A_ADDR,MEM_INT_RAM,data);

4.2 Zigbee 網(wǎng)絡系統(tǒng)測試

對Zigbee 網(wǎng)絡進行了系統(tǒng)測試，主要測試了節(jié)點與節(jié)點之間的通信距離、通信延時測試、組網(wǎng)延時、節(jié)點重入及靈敏度測試等，其中每個節(jié)點發(fā)射功率為0dBm,測試節(jié)點采用3V 電池供電。

(1) 通信距離測試：室外情況，單個控制中心節(jié)點與單個傳感器節(jié)點在400m 的距離通信誤碼率少于2%.

(2) 節(jié)點重入測試：由協(xié)調器、路由器、傳感器節(jié)點組成的三級網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點掉電重新上電能夠重新加入網(wǎng)絡，當傳感器節(jié)點的父節(jié)點離開網(wǎng)絡時傳感器節(jié)點能夠尋找其它父節(jié)點重新加入網(wǎng)絡。

(3) 通信時延測試：有協(xié)議棧時延和空中傳播時延。后者時延忽略不計，但而協(xié)議棧時延即可記為節(jié)點通信時延。單個協(xié)調器與單個節(jié)點，經(jīng)測試，在室外150m 延時約3s.

(4) 在節(jié)點靈敏度測試中，采用兩個節(jié)點互發(fā)數(shù)據(jù)的形式進行，測試結果如表1 所示。

表1 zigbee 網(wǎng)絡節(jié)點接收靈敏度測試結果



4.3 遠程監(jiān)控端設計

電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)另一點優(yōu)勢在于采用B/S 架構的模式，監(jiān)控中心只需要安裝一個服務器，客戶端就可以隨時隨地利用瀏覽器運行軟件系統(tǒng)，通過自己的用戶名和密碼登錄該遠程監(jiān)控系統(tǒng)查詢各個電梯對象的相關信息及狀態(tài)，除此之外，還可以發(fā)出控制指令給被控電梯。

當用戶用將瀏覽器端的操作命令發(fā)送給web 服務器，命令指令通過通信服務器發(fā)送給EM560 數(shù)據(jù)模塊轉發(fā)給現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理設備。該監(jiān)控系統(tǒng)采用ASP 和ActiveX 技術進行監(jiān)控系統(tǒng)動態(tài)Web 頁面的開發(fā)并要求Web 服務器根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)實時生成Web 頁面。遠程客戶端支持用戶提交的操作信息向web 服務器發(fā)出HTTP 服務請求，web 服務器通過ASP 和中間組件根據(jù)服務類型向服務器發(fā)送請求，數(shù)據(jù)庫服務器應答后通過web 服務器再將數(shù)據(jù)以HTML 格式返回給客戶端，通過瀏覽器查看數(shù)據(jù)，圖為EM516 與通信服務器的Socket 的通信。

監(jiān)控系統(tǒng)初始化后，首先初始化ARM9 芯片的通用IO 口及通信波特率的設置、定時器、看門狗等。初始化完成后， 如果網(wǎng)絡不忙則會發(fā)送AT+CG-DCONTH 和ATD 即可進行聯(lián)網(wǎng)。然而此時的EM560 模塊是通過AT+IPR=115200 設置波特率為115200bps,并設置為在線模式。如果通行不成功的話，則再通過AT+SNRD=0 設置為重撥模式。

5 結論

本文提出了ZigBee 無線傳感技術結合3G 無線傳輸技術運用在多電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，該監(jiān)控系統(tǒng)具有低成本、易實現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸可靠和低功耗等特點，使其電梯遠程監(jiān)控的實現(xiàn)難度大大降低，且安裝、維護和管理十分方便，避免了以往傳統(tǒng)電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的很多弊端，代表了電梯監(jiān)控系統(tǒng)向無線網(wǎng)絡化發(fā)展的趨勢。