基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[圖]

伴隨著城市經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，電梯作為一種垂直交通工具，它的應(yīng)用日益廣泛。然而電梯的故障檢測和及其維護(hù)，特別是電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控的作用就顯得極為重要。但是國內(nèi)在用的大多數(shù)電梯由于不能及早的預(yù)測電梯的運(yùn)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?zhǔn)资请娞輧?nèi)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(luò)不能滿足大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟮仍�因。因此，研究并開發(fā)基于zigbee 技術(shù)+3G 傳輸網(wǎng)絡(luò)的多電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有很大的工程實(shí)際意義。

目前，zigbee 技術(shù)和3G 技術(shù)各自都廣泛已經(jīng)應(yīng)用于很多領(lǐng)域，但結(jié)合利用在電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控上的研究卻很少；僅文獻(xiàn)[1]利用zigbee 技術(shù)和2.5G 技術(shù)結(jié)合的方式來進(jìn)行無線抄表系統(tǒng)的研究；文獻(xiàn)[2]介紹了基于Zigbee 的無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)也是基于2.5G通信技術(shù)，但并沒有具體用3G 網(wǎng)絡(luò)如何去實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[3]是ZigBee 無線傳感技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用，上述大多數(shù)研究都采用zigbee 技術(shù)和2.5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕Y(jié)合在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用，而本文之所以采用zigbee 技術(shù)和3G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多電梯的遠(yuǎn)程監(jiān)控，是因?yàn)閦igbee 技術(shù)可以免去復(fù)雜的布線，節(jié)約成本[4,5],而3G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度快，以便多臺電梯出現(xiàn)問題時(shí)能夠及時(shí)將信息快速的傳輸給監(jiān)控中心，進(jìn)而故障能及時(shí)得到解決。

然而，對于zigbee 技術(shù)和internet 寬帶結(jié)合應(yīng)用的也比較廣泛，但有一定的缺陷，其網(wǎng)絡(luò)必須要有網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)端控制系統(tǒng)來查看系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，采用了3G 網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)輸載體，只要有3G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋到的地方，就可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地查看電梯終端的運(yùn)行結(jié)果。

針對多電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求，在ARM9 的32 位嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，并有效結(jié)合zigbee 技術(shù)和3G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要在網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)及監(jiān)控主機(jī)應(yīng)用程序及接口等技術(shù)問題上做了深入研究，該方案并提出了遠(yuǎn)程客戶端采用B/S 瀏覽模式，這樣克服了現(xiàn)有電梯遠(yuǎn)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(luò)傳輸和隨時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的新的多電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益，是今后電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的方向。

　　1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

3G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控共3 個(gè)部分�？傮w結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

圖1 多電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)數(shù)據(jù)采集終端將采集到的電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括溫度、速度、加速度）先進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)壓縮，數(shù)據(jù)鎖存等技術(shù)，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(luò)控制中心，再由中心節(jié)點(diǎn)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(guān)最終發(fā)送至監(jiān)控中心，當(dāng)控制中心收到報(bào)警信息后立即通過3G 網(wǎng)絡(luò)將故障相關(guān)信息發(fā)送給維護(hù)中心，同時(shí)該監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送警示信號使故障電梯進(jìn)入保護(hù)模式，直到警示信號完全解除。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)都以TI 公司生產(chǎn)的CC2430 作為核心芯片，由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗低，且使用壽命長（一般兩年內(nèi)無需維護(hù)），同時(shí)省去復(fù)雜的布線，所以實(shí)現(xiàn)起來很方便。但是考慮到，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息后匯聚到中心節(jié)點(diǎn)的信息量之大，傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的過程中，難免有網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，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(luò)作為傳輸網(wǎng)絡(luò)。

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(nèi)核的RISC 嵌入式微處理器S3c2440,因?yàn)殡娞莶杉瘮?shù)據(jù)的信息量大，且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制中心需負(fù)責(zé)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和3G 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)還要負(fù)責(zé)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組建、節(jié)點(diǎn)的加入和刪除等網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作，所以需要較強(qiáng)的處理能力，而一般的CPU 又難以承擔(dān)重負(fù)荷運(yùn)載， 而該款CPU 的工作頻率可達(dá)400MHz,具有很強(qiáng)大的運(yùn)算能力，且性價(jià)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(gè)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(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理（編碼、A/D 轉(zhuǎn)換等技術(shù)）后存入采集終端中，由EM560 模塊通過中國移動3G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)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(shè)備，根據(jù)其功能的可剪裁性，所以該采集終端設(shè)計(jì)只需將相關(guān)在用的I/O 口初始化，用來進(jìn)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(guān)的不穩(wěn)定因素。而本次運(yùn)用的軟件系統(tǒng)是嵌入式Linux 系統(tǒng)。它具有內(nèi)核小、安全性高、源代碼免費(fèi)、微內(nèi)核支持網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，并且可應(yīng)用于多種平臺，尤其是在ARM 平臺上的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟且能提供強(qiáng)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(gè)8位8051MCU, 8KB 的RAM,還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個(gè)定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、以及21 個(gè)可編程I/O 引腳，并且已固化了全球先進(jìn)的ZigBee 協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)，目前已廣泛運(yùn)用在汽車電子，通信等各個(gè)領(lǐng)域[10].

以某小區(qū)的電梯群為研究對象，在每個(gè)電梯終端上都裝一個(gè)ZigBee 模塊和相應(yīng)傳感器來當(dāng)作一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，用它來實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)電梯的狀態(tài)，并把采集到的電梯運(yùn)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(gè)電梯終端就組成了一個(gè)無線連接的星型結(jié)構(gòu)的多電梯監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

其中數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)框圖如下所示：

圖2 數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)圖

　　3 3G網(wǎng)絡(luò)傳輸及其接口協(xié)議

3.1 S3c2440A 與EM560 的通信

當(dāng)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(luò)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(shù)，同時(shí)，它還具有豐富的接口包括UART、USB2.0、GPIO、GPS、攝像頭傳感器和內(nèi)嵌SIM 卡等，目前已經(jīng)廣泛運(yùn)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，無線傳輸?shù)鹊雀鱾�(gè)領(lǐng)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(jìn)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(dá)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和3G 無線網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行監(jiān)控時(shí)，所使用的接口協(xié)議具有一定的相關(guān)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(shí)，3G 網(wǎng)絡(luò)與控制中心平臺之間可采用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層信令控制協(xié)議進(jìn)行信息認(rèn)證等，通過認(rèn)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(shí)時(shí)性的要求較高，所以采用UDP 連接協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

在瀏覽終端進(jìn)行查看和控制指令發(fā)送時(shí)，瀏覽器和通信服務(wù)器之間的接口可使用簡化了的實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口，進(jìn)而來夠滿足實(shí)時(shí)性的要求，即遠(yuǎn)程客戶端可以隨時(shí)隨地的查看服務(wù)器所存儲的電梯相關(guān)指標(biāo)及其他狀態(tài)信息。

　　4 軟件設(shè)計(jì)及遠(yuǎn)程監(jiān)控端設(shè)計(jì)

4.1 zigbee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

802.15.4 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3 種類型：星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集主要是采用星型傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，因?yàn)樾切途W(wǎng)絡(luò)需要的中心控制器少，這樣可以大大降低監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)群體的總體功耗。而多電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的zigbee 網(wǎng)絡(luò)采用是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，zigbee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中含有：中心節(jié)點(diǎn)、采集節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)zigbee 網(wǎng)絡(luò)的控制中心節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)詳細(xì)工作流程圖如下圖所示。

圖4 中心節(jié)點(diǎn)流程圖

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

switch（node ID） {

case node1:…

case node2:…

圖5 采集節(jié)點(diǎn)流程圖

圖5 中，采集節(jié)點(diǎn)是多電梯遠(yuǎn)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(jī)構(gòu)，它主要是接收控制中心節(jié)點(diǎn)的控制指令，對電梯內(nèi)各個(gè)傳感器進(jìn)行信息采集，并對被控電梯進(jìn)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(luò)系統(tǒng)測試

對Zigbee 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了系統(tǒng)測試，主要測試了節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信距離、通信延時(shí)測試、組網(wǎng)延時(shí)、節(jié)點(diǎn)重入及靈敏度測試等，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率為0dBm,測試節(jié)點(diǎn)采用3V 電池供電。

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

（2） 節(jié)點(diǎn)重入測試：由協(xié)調(diào)器、路由器、傳感器節(jié)點(diǎn)組成的三級網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)掉電重新上電能夠重新加入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)離開網(wǎng)絡(luò)時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)ふ移渌�父�?jié)點(diǎn)重新加入網(wǎng)絡(luò)。

（3） 通信時(shí)延測試：有協(xié)議棧時(shí)延和空中傳播時(shí)延。后者時(shí)延忽略不計(jì)，但而協(xié)議棧時(shí)延即可記為節(jié)點(diǎn)通信時(shí)延。單個(gè)協(xié)調(diào)器與單個(gè)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)測試，在室外150m 延時(shí)約3s.

（4） 在節(jié)點(diǎn)靈敏度測試中，采用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)互發(fā)數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收靈敏度測試結(jié)果

　　4.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控端設(shè)計(jì)

電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)另一點(diǎn)優(yōu)勢在于采用B/S 架構(gòu)的模式，監(jiān)控中心只需要安裝一個(gè)服務(wù)器，客戶端就可以隨時(shí)隨地利用瀏覽器運(yùn)行軟件系統(tǒng)，通過自己的用戶名和密碼登錄該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)查詢各個(gè)電梯對象的相關(guān)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(dāng)用戶用將瀏覽器端的操作命令發(fā)送給web 服務(wù)器，命令指令通過通信服務(wù)器發(fā)送給EM560 數(shù)據(jù)模塊轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理設(shè)備。該監(jiān)控系統(tǒng)采用ASP 和ActiveX 技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)動態(tài)Web 頁面的開發(fā)并要求Web 服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)生成Web 頁面。遠(yuǎn)程客戶端支持用戶提交的操作信息向web 服務(wù)器發(fā)出HTTP 服務(wù)請求，web 服務(wù)器通過ASP 和中間組件根據(jù)服務(wù)類型向服務(wù)器發(fā)送請求，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器應(yīng)答后通過web 服務(wù)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(wù)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(shè)置、定時(shí)器、看門狗等。初始化完成后， 如果網(wǎng)絡(luò)不忙則會發(fā)送AT+CG-DCONTH 和ATD 即可進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。然而此時(shí)的EM560 模塊是通過AT+IPR=115200 設(shè)置波特率為115200bps,并設(shè)置為在線模式。如果通行不成功的話，則再通過AT+SNRD=0 設(shè)置為重?fù)苣Ｊ健?/p>

5 結(jié)論

本文提出了ZigBee 無線傳感技術(shù)結(jié)合3G 無線傳輸技術(shù)運(yùn)用在多電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該監(jiān)控系統(tǒng)具有低成本、易實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸可靠和低功耗等特點(diǎn)，使其電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)難度大大降低，且安裝、維護(hù)和管理十分方便，避免了以往傳統(tǒng)電梯遠(yuǎn)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(luò)化發(fā)展的趨勢。

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作者：段登 邱意敏 周力 來源：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用