基于ZIGBEE的电梯监控预警系统.docx
- 文档编号:12093681
- 上传时间:2023-04-17
- 格式:DOCX
- 页数:34
- 大小:3.03MB
基于ZIGBEE的电梯监控预警系统.docx
《基于ZIGBEE的电梯监控预警系统.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于ZIGBEE的电梯监控预警系统.docx(34页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于ZIGBEE的电梯监控预警系统
基于ZIGBEE的电梯监控预警系统
华中科技大学
思飞队
作者:
张甫庆周开城郭劼
指导教师:
徐龙
基于ZIGBEE的电梯监控预警系统
作者:
张甫庆,周开城,郭劼
指导教师:
徐龙
参赛单位:
华中科技大学,武汉,430074
摘要
近年来我国北京、深圳等多地相继突发电梯事故,引发公众对电梯安全的极大关注。
随着现在建筑设计的需要以及建筑楼高的提升,无论是公众场所还是社区家庭,电梯越来越不可缺少,电梯的安全运行监控和提前预警的需求越来越强烈。
在充分调研和实验的基础上,我们主要针对电梯安全运行没有保障及缺少提前预警的难题,设计了本作品——基于ZIGBEE的电梯监控预警系统,解决公共场所和社区家庭电梯监控运行数据缺乏、监控连续性差、电梯全生命周期管理缺失且无法提前预警的问题。
基于ZIGBEE的电梯监控预警系统采用ZIGBEE组建传感器网络的方式,实现电梯从出厂到报废的全生命周期监控和预警。
该系统硬件由大赛指定平台提供的传感及控制模块、无线节点模块和电源板组成。
其中传感及控制模块采用电压电流传感器,连续采集电梯日常运行的数据;无线节点模块采用TI的CC2530射频单片机实现传感器组网和无线数据传输;电源板采用直流供电实现无线节点模块与传感及控制模块的连接和系统供电。
该系统软件部分基于C/S架构实现远程监控预警和控制,监测电梯的运行数据并能发出指令,通过中间件服务与协调器相连后,能根据远程监控人员或电梯公司的指令发出预警信号并采取紧急措施和维修措施。
关键词:
电梯,ZIGBEE,监控,预警,全生命周期管理
目录
1方案概述1
1.1研制背景2
1.2应用领域2
1.3国内外研究现状3
1.4功能描述3
1.5技术指标4
2系统实现原理5
2.1总体方案5
2.2各部分介绍5
2.2.1电梯信息采集系统5
2.2.2ZIGBEE无线通讯系统6
2.2.3控制系统7
2.2.4电源系统8
2.2.5维修人员8
3硬件设计9
3.1无线节点模块9
3.2电流传感器模块13
3.3电压传感器模块14
3.4按键LCD模块14
3.5路由器模块15
3.6协调器模块15
4软件设计16
4.1协调器模块16
4.2按键LCD模块17
4.3传感器模块18
4.4上位机模块19
5系统测试及结果21
5.1作品实物图21
5.2测试方法21
5.3测试数据21
6结语4
6.1创新点25
6.2经济和社会效益25
6.3致谢25
参考文献26
1方案概述
1.1研制背景
随着现在建筑设计的需要以及建筑楼高的提升,无论是公众场所还是社区家庭,电梯越来越不可缺少,电梯的安全运行监控和提前预警的需求越来越强烈。
今年以来从北京地铁4号线电梯突发故障造成1死28到杭州、深圳、上海、南京等多地又陆续爆出地铁事故,造成多人伤亡,但仍无法控制电梯事故的发生。
据国家质检总局发布的统计数据,截至2010年底,全国在用电梯总数达到162.8万台,并以每年20%左右的速度高速增长。
每年新增的电梯数在30万台以上,占全球每年新增电梯总量的一半以上,我国电梯产量、电梯保有量、年增长量均为世界第一;然而从2005年开始,平均每年电梯事故起数在40起、死亡人数在30人左右;近年电梯事故中,违章操作占62.7%,设备缺陷占22.7%,意外占8.0%,非法使用设备占6.6%,如图1所示,电梯事故中被害人以乘客为主,如图2所示。
近年来发生的自动扶梯和自动人行道事故,主因是维护保养不到位、电梯运行监控不到位以及缺少预警和紧急措施。
于是基于ZIGBEE的电梯监控预警系统的出现具有实际的意义
。
图1电梯事故的性质和原因
图2电梯事故中被害人属性
1.2应用领域
随着我国经济平稳持续的发展,尤其是住宅产业作为国民经济新增长点的提出,为电梯业的发展提供了良好的机遇。
今后几年,我国将年建住宅3.5亿平方米,公建项目1.2亿平方米。
随着城市向大型化、高层化的发展,我国每年对电梯的市场需求越来越大大,而随着频繁发生的电梯事故,人们对电梯行业安全也越来越关心,与之相对应将是基于ZIGBEE的电梯监控预警系统广泛应用的最好契机
。
图3近年电梯增长情况
1.3国内外研究现状
电梯根据用途不同,电梯可分为乘客电梯、载货电梯、医用电梯、杂物电梯、观光电梯、车辆电梯、建筑施工电梯等等;根据驱动方式不同,电梯可分为交流电梯、直流电梯、液压、齿轮齿条电梯等等;根据速度不同,电梯可分为低速电梯,快速、告诉超高速。
并且随着电梯的不断发展,电梯速度越来越高,国内外对其安全性也越来越重视
。
国外一些科研单位和公司提出了电梯远程监控系统(RemoteElevatorMonitoringSystem,REMS),其定义为:
某个区域(如一座城市,一幢大楼等)中安装多部电梯后,对这些电梯进行集中远程监控,并对这些电梯的数据资料进行管理、维护、统计、分析、故障诊断及救援。
其目的包括对正在使用的电梯进行远程的维护、故障诊断与处理、运行性能统计与分析等,但是其价格昂贵,成本很高,目前国内尚未广泛应用。
与一些较长电梯史的国家相比,目前我们国家电梯市场还处在发展阶段。
引进先进技术,开发新产品,安装高速高档电梯的同时,电梯的规范化管理不够,尤其是日常电梯运行监控和突发情况预警方面有许多工作要做。
国内科研单位研发了基于摄像头的电梯监控系统等来解决电梯出现的安全问题,由于其主要依靠监控人员肉眼监控,无法实现电梯运行情况和数据统计,也不能实现提前预警。
而无线传感网和物联网技术能实现电梯的全生命周期管理,通过合理的选择和设计,提高电梯的控制水平,从技术上根本解决上述问题,使之达到较为理想的技术效果。
图4电梯卫士
目前许多电梯厂家也都设置了一个紧急呼叫系统。
然而,由于电梯环境的复杂以及对功能方面的要求,大部分紧急呼叫系统只能成为摆设而未能真正的解决我们的实际问题。
针对这些不足,一些公司也开发了新型的监测与救援系统,如电梯电话机,“电梯卫士”,如图4所示,但一般都只能在电梯出事故后采用发送短信,或通过无线网络通知维修人员,不能实时监测电梯的运行信息,无法在电梯有安全隐患时及时告知乘客,而且不能存储电梯的检修信息,不能给电梯的保养提供支持。
出故障后才去解决只能算是一种补救措施,不能做到防患于未然,因此现在市场上缺少能将预警与急救融为一体的电梯监测系统。
通过对以上国内外电梯监控系统进行比较分析,目前尚没有成熟的利用物联网技术从根本上解决电梯安全问题的监控预警系统。
通过对电梯全生命周期管理的基于ZIGBEE的电梯监控预警系统实现电梯运行监控预警和保证电梯乘客的人身安全,对提高电梯的安全运行和管理无疑具有很大的迫切性和需求。
1.4功能描述
基于ZIGBEE的电梯监控预警系统主要采用ZIGBEE组建传感器网络的方式,实现电梯从出厂到报废的全生命周期监控和预警。
该系统硬件由大赛指定平台提供的传感及控制模块、无线节点模块和电源板组成。
其中传感及控制模块采用电压电流传感器,加速度,连续采集电梯日常运行的数据;无线节点模块采用TI的CC2530射频单片机实现传感器组网和无线数据传输;电源板采用直流供电实现无线节点模块与传感及控制模块的连接和系统供电,同时该系统也采用了GSM发射模块将人员被困的信息及时的发给特定的人员和PFID模块记录历史上的维修信息方便下次维修。
该系统软件部分基于C/S架构实现对电梯自主研发的远程监控预警和控制软件,监测和分析电梯的运行数据并能发出指令,通过中间件服务与协调器相连后,能根据远程监控人员或电梯公司的指令发出预警信号并采取紧急措施和维修措施。
系统原理图如图5所示。
图5系统原理图
本系统的特点:
结构简单,成本低廉,利于实现;基于ZIGBEE的无线传感网络可以实时无线远程监控电梯的运行信息,为电梯的报废与检修提供支持;当封闭式电梯会出现的急停问题时,梯内人员则可以通过此系统向外界发送求救信号;本系统采用独立的传感器采集方式采集电梯信号,对于所有品牌的直升电梯产品及其有关改造均适合,且不会影响电梯自身运行;这种通过采用电梯运行状态信号及故障信号的同时,介入现场设备的途径将有利于扩展故障监测系统的性能,从而推动了在此硬件平台上进行故障诊断、故障预测等方向的研究的高精度可能性。
1.5技术指标
1)采用了IEEE802.15.4通讯协议标准、64位IEEE地址,8位网络地址的寻址方式。
2)拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络机制。
3)电源电压2.0V~3.6V,发射电流(最大)34mA,接收电流(最大)25mA,普通电池就可支持Zigbee节点运转长达6个月到2年左右。
4) 极高的接收灵敏度(-97dBm)和抗干扰性能强,设备搜索时间仅需45ms。
5)无线传感器网络工作频段2405MHz~2480MHz,节点信道数为16。
6)在没有协调器的情况下,一个无线传感器网络最多可容纳255个网络节点,若是有协调器的加入,无线传感器网络最多可扩充到65535个Zigbee节点。
7)工作温度-40~85℃,通信范围在空旷场合约300m(和使用环境有关),可采用独立和外部供电两种方式,物理尺寸较小,约为36mm×26mm。
8)Zigbee协议提供了基于CRC16/32算法的数据完整性错误检查,并采用了通用的AES-128加密算法,从而又具备了高保密性。
2系统实现原理
2.1总体方案
本系统主要由电梯信息采集系统、Zigbee无线通讯、电源系统、总控制室、维修人员几大系统组成,如图6所示。
图6系统框图
2.2各部分介绍
2.2.1.电梯信息采集系统
电梯采集系统主由各种采集模块和RFID组成,采集模块实现电梯的电流、电压、功率、加速度、求救信息等运行信息的采集功能。
RFID电子标签贴在电梯内部,标签记录着电梯的出厂时间,上次维修时间及维修原因,为电梯的报废与零件更换提供支持,如图7所示。
电压采集模块
电流采集模块
加速度模块
图7电梯运行信息采集模块
2.2.2.ZIGBEE无线通讯系统
Zigbee无线通讯系统是由串口转网口模块和无线节点模块(传感器模块、协调器、路由器)等组建而成无线通讯网络,实现电梯从出厂到报废的全生命周期监控和预警。
无线节点模块都采用TI公司的CC2530射频单片机实现传感器组网和无线数据传输。
本无线网络系统采用了IEEE802.15.4通讯协议标准、64位IEEE地址,8位网络地址的寻址方式和拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络机制。
自组织网络能力强,能够适应网络拓扑结构的动态变化。
无线节点模块:
主要由射频单片机构成,MCU是TI的CC2530,2.4G载频,棒状天线组成,如图8所示。
图8无线节点模块
路由器模块:
我们采用的是大赛组委会提供的继电器模块。
由于电梯会衰减无线信号的强度,因此我们采用了树状网络结构,路由器模块中继终端发来的信号,保证信号能及时准确得传递到总控制室,如图9所示。
图9路由器模块
协调器模块:
采用RS232模块,将带硬件流控制的TTL电平的UART信号,转换成RS232信号。
配合特定的程序,可实现外部RS232接口的模块的控制(以2530无线节点模块为MASTER),或直接实现无线协调器功能,如图10所示。
图10协调器模块
串口转网口模块:
它提供TTL串口到TCP/IP网络和TCP/IP网络到TTL串口的数据透明传输,它可以使设备立即具备联入TCP/IP网络的功能。
2.2.3.控制系统
总控制室的目的是收集和分析电梯内的运行信息并能及时地反馈电梯运行状况给乘客。
其后台运用了数据库技术,并可以调用强大的数据分析软件matlab来分析数据库存储数据。
上位机界面如图11所示:
图11上位机
当电梯工作正常时,总控制室发出指令控制LCD显示工作正常,乘客可以使用,工作不正常时显示信息提醒乘客不要乘坐,可以预防人员被困。
无报警信号时,报警窗口显示的是正常的信息,当乘客按下报警按键时,上位机界面对应节点颜色发生突变,值班人员看到报警信息后,一方面控制协调器发送信息通知被困人员马上就会救援,另一方面通知解救人员前去营救。
在电梯运行时,电梯信息采集系统将采集的信息通过无线传输系统转发给上位机进行处理,上位机收到信号后存储到数据库并通过运算可以得出电梯的功率等信息,进而判断电梯是否工作正常,工作正常,值班人员按下上位机上对应按钮,则LCD上显示信息提醒乘客电梯可以使用,工作不正常,同理提醒乘客不要乘坐。
同时上位机可以调用MATLAB软件进行绘图,方便技术人员查看与分析。
2.2.4.电源系统
电源系统为整个系统提供稳定的能量,由于ZIGBEE技术功耗很低,采用电池供电就可以工作长达6到24个月。
本系统也可以采用外接电源供电。
2.2.5.维修人员
维修人员负责电梯的检修工作,每次检修后通过RFID读写器将此次的检修信息写入电梯内RFID电子标签中,包括检修时间,部件更换信息等等,为以后电梯的报废与检修提供参考信息。
3硬件设计
系统硬件电路设计主要包括无线节点模块和,传感及控制模块和电源板,如图12所示:
图12硬件系统结构
无线节点模块:
主要由射频单片机构成,MCU是TI的CC2530,2.4G载频,棒状天线。
传感及控制模块:
系列传感及控制模块,包括温度传感模块、湿度传感模块、继电器模块和系统供电,目前主单片机构成,MCU是TI的传感及控制RS232模块等,也可以通过总线扩展用户自己的传感器及控制器部件。
电源板或智能主板:
即实现无线节点模块与传感及控制模块的连接,又要实现系统供电,目前主要两节电池供电,保留外接电源接口,可以直接由直流电源供电。
3.1无线节点模块
图13无线节点模块
图14无线节点模块
整体模块使用5V供电输入,在内部使用DC/DC芯片转换成3.3V(最大输出200mA电流),无线节点模块如图13、14所示。
2530系统使用单芯片解决方案,2530芯片的信号将从模块层面引出并进行系统规划。
使用上电+手动复位芯片完成可靠的上电复位操作(硬件可选的操作)。
使用专用5脚的FPC插座完成2线DEBUG接口信号的引出,DEBUG信号使用额外的扩展小板转换成标准的DEBUG插头可用的接口。
另外将P2_1、P2_2管脚引到扩展插座。
无线节点模块使用2个20脚插座(双排)进行信号的交互。
其接口电路原理图如图15所示:
图15接口电路原理图
输入输出信号的具体定义如表1所示:
表1无线节点模块信号插座定义1
(1)2530的调试管脚(P2_1、P2_2)在调试及编程时,作为DEBUG功能,在正式运行时,作为两个输出端口,控制两个LED输出,作为工作状态显示。
(2)2530针对外部的LCD控制,仅仅在使用智能主板的情况下有效,LCD输出使用软件模拟LCD的控制时序,针对非智能主板的应用,LCD控制管脚可定义成其他功能。
(3)在芯片BOOT时,LCD_A0管脚将暂时作为输入管脚使用,在2530模块内部,将“BDECT”信号通过电阻引到LCD_A0(P1.7)管脚上,作为判断是智能主板还是电源板的依据。
外部状态读取完毕后,将LCD_A0管脚再重新设计成输出管脚,插座定义如表2所示。
表2无线节点模块信号插座定义2
内部各功能实现方法
(1)RS232扩展
使用2530内部的USART0(工作于UART模式),将内部UART接口引出,作为外设的UART通讯接口和作为协调器方式使用时的UART接口。
一般应用时,使用TTL电平的UART方式,与计算机互联时,使用RS232扩展芯片,完成TTL到RS232的电平转换。
(2)外部LCD扩展
使用5根数据线(包括下图中未列出的“RESET”信号),完成外部LCD的控制,LCD的控制时序如图16所示:
图16LCD的控制时序
注意:
LCD控制仅在使用智能主板的应用环境下才有意义,在其他应用场合,软件可将LCD控制定义成其他扩展应用模式。
(3)外部IIC总线扩展
使用软件的方式,利用P1_0、P1_1管脚完成IIC总线设备的驱动,设计为100K~400K
自适应模式,利用P1_0、P1_1的电流驱动能力驱动更多的IIC设备。
2530作为主控制设备,链接其他IIC的从属设备。
根据在不同的应用场合,2530无线节点可工作在两种模式下:
节点模式和协调器模式。
在无线节点模式下,可检测应用中使用的传感器或控制模块类型,并根据使用类型智能配置输出的IO的功能以及工作模式。
3.2电流传感器模块
图17电流传感器模块
图17展示了电流传感器模块。
电流输入经过电流取样检测电路后,成为电压信号,使用差分运放完成电流方向的识别,差分运放输出的双端信号经差分单端运放后,成为单端信号,再经衰减电路调整到适合AD输入的电压范围(0~3V),经运放构成的缓冲器输出到无线节点模块的ADIN端。
因同时支持2路ADIN,所以电流传感器最多同时支持两路电流同时检测,使用10~12bit的AD采集器,一次采样使用2字节描述,MSB方式,电流传感器模块输出数据结构如下:
(1)仅采集通道0,采集个数为n
0通道数据1高字节,0通道数据1低字节,0通道数据2高字节,0通道数据2低字节……,0通道数据n高字节,0通道数据n低字节。
(2)仅采集通道1,采集个数为n
1通道数据1高字节,1通道数据1低字节,1通道数据2高字节,1通道数据2低字节……,1通道数据n高字节,1通道数据n低字节。
(3)同时采集通道0、1,采集个数为n
0通道数据1高字节,0通道数据1低字节,1通道数据1高字节,1通道数据1低字节……,0通道数据n高字节,0通道数据n低字节,1通道数据n高字节,1通道数据n低字节。
注意:
一次数据上传不能超过128字节,超过128字节数据将分包传输(下同)
3.3电压传感器模块
图18电压传感器模块
图18展示了电压传感器模块。
电压输入使用大于1MΩ的等效输入阻抗的输入取样,将输入电压进行15倍衰减,然后使用差分单端运放,将其变换到0~3V的范围,经电压二次缓冲后送到AD采集输入端。
使用10~12bit的AD采集器,一次采样使用2字节描述,MSB方式,电压传感器模块输出数据结构请参见“电流传感器模块上传数据定义”。
3.4按键LCD模块
本模块直接采用大赛组委会提供的套件,节约了时间,以后如果继续开发的话可以重新设计此模块,优化功能,如图19所示。
当按下按键多次后,就会促发一个突变信号,再通过无线技术发送给控制室。
图19按键LCD模块
3.5路由器模块
路由器模块我们采用的是大赛组委会提供的继电器模块。
由于电梯会衰减无线信号的强度,因此我们采用了树状网络结构,路由器模块中继终端发来的信号,保证信号能及时准确得传递到总控制室,如图20所示。
图20路由器模块
3.6协调器模块
协调器模块采用RS232模块,如图21所示。
将带硬件流控制的TTL电平的UART信号,转换成RS232信号。
配合特定的程序,可实现外部RS232接口的模块的控制(以2530无线节点模块为MASTER),或直接实现无线协调器功能。
图21路由器模块
4软件设计
4.1协调器模块
协调器是整个ZigBee网络的核心,负责完成网络的启动和配置、产生网络信标(Beacon)、控制网络拓补的形成与协调各网络成员的流量和协调上位机与节点之间的通讯。
网络协调者在选择好相应的PANID后,网络层将选择0x0000作为16位的网络地址,并通知MAC层,设置为网络地址。
在ZigBee网络层中,采用的是分布式地址分配机制,即为每一个父设备分配一个有限的网络地址段。
因而网络协调者决定了整个网络的最大子设备数。
每一个设备都有一个连接深度,即表示该设备到网络协调者的最小跳数,其中协调者自身的连接深度为0,其直接子设备为1。
协调器完成网络构建后,开始进入消息处理循环,协调各网络成员的流量和协调上位机与节点之间的通讯。
协调器的主函数如下和流程图如图22。
intmain(void)
{
osal_int_disable(INTS_ALL);//关闭所有中断EA=0
HAL_BOARD_INIT();//初始化系统时钟、LED所使用的IO等
zmain_vdd_check();//检测芯片电压是否正常
InitBoard(OB_COLD);//初始化LED的IO
HalDriverInit();//初始化芯片各个硬件模块(包括LCD)
osal_nv_init(NULL);//初始化FLASH存储
ZMacInit();//初始化MAC层
zmain_ext_addr();//形成节点MAC地址
zgInit();//初始化一些非易失变量
#ifndefNONWK
//SincetheAFisn'tatask,callit'sinitializationroutine
afInit();//初始化应用框架层
#endif
osal_init_system();//初始化操作系统
osal_int_enable(INTS_ALL);//使能全部中断
InitBoard(OB_READY);//初始化按键
zmain_dev_info();//在液晶上显示设备IEEE信息
#ifdefLCD_SUPPORTED
zmain_lcd_init();//在LCD上显示该设备的信息
#endif
#ifdefWDT_IN_PM1
WatchDogEnable(WDTIMX);
#endif
osal_start_system();//消息处理循环函数
return0;
}
图22协调器的流程图
4.2按键LCD模块
算法描述:
按键LCD模块是终端节点,打开电源后先加入协调器网络中,然后程序进入循环,不停地检测是否有事件发生,当有按键事件或者协调器控制事件发生时,并进入相应的执行函数,函数执行完成后又跳出继续执行循环。
流程图如图23所示:
图23按键LCD的流程图
4.3传感器模块
算法描述:
传感器模块是终端节点,负责电梯运行信息的采集。
当打开电源后,首先加入协调器所在网络,然后也进入循环检测是否有事件(每个事件都有一任务ID)发生,按照事件的等级高低先后执行完成一个循环。
例如:
协调器发出命令传感器模块采集信号时进入相应采集数据函数,执行完后继续循环检测,如图24所示。
图24传感器模块的流程图
4.4上位机模块
上位机模块包括了电梯实时运行曲线显示、电梯故障监视和反馈信息界面以及储存和分析监测数据部分。
算法描述:
启动连接成功后
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 ZIGBEE 电梯 监控 预警系统