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伴隨著城市經濟的迅猛發展，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，特別是電梯遠程監控的作用就顯得極為重要。但是國內在用的大多數電梯由于不能及早的預測電梯的運行故障而常常出現電梯困人、蹲底、沖頂、溜梯等突發情況。經研究發現，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 傳輸網絡不能滿足大量數據傳輸的需求等原因。因此，研究并開發基于zigbee 技
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<P><FONT style="COLOR: #000000"> 伴隨著城市經濟的迅猛發展，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，特別是電梯遠程監控的作用就顯得極為重要。但是國內在用的大多數電梯由于不能及早的預測電梯的運行故障而常常出現電梯困人、蹲底、沖頂、溜梯等突發情況。經研究發現，罪魁禍首是電梯內各種待測信號繁多，不便于<FONT style="COLOR: #000000">布線</FONT>且目前常用的2.5G 傳輸<FONT style="COLOR: #000000">網絡</FONT>不能滿足大量數據傳輸的需求等原因。因此，研究并開發基于<FONT style="COLOR: #000000">zigbee</FONT> 技術+<FONT style="COLOR: #000000">3G</FONT> 傳輸網絡的多電梯遠程監控系統具有很大的工程實際意義。</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>目前，zigbee 技術和3G 技術各自都廣泛已經應用于很多領域，但結合利用在電梯遠程監控上的研究卻很少；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的研究；文獻[2]介紹了基于Zigbee 的無線<FONT style="COLOR: #000000">監測系統</FONT>設計與實現也是基于2.5G通信技術，但并沒有具體用3G 網絡如何去實現該系統。</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>文獻[3]是ZigBee 無線傳感技術在森林火災<FONT style="COLOR: #000000">監測</FONT>中的應用，上述大多數研究都采用zigbee 技術和2.5G 網絡傳輸的結合在各個行業的應用，而本文之所以采用zigbee 技術和3G 網絡進行多電梯的遠程監控，是因為zigbee 技術可以免去復雜的布線，節約成本[4,5],而3G網絡的傳輸速度快，以便多臺電梯出現問題時能夠及時將信息快速的傳輸給監控中心，進而故障能及時得到解決。</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>然而，對于zigbee 技術和internet <FONT style="COLOR: #000000">寬帶</FONT>結合應用的也比較廣泛，但有一定的缺陷，其網絡必須要有網絡上網接口，且不能<FONT style="COLOR: #000000">移動</FONT>終端，對于本系統而言，為了能自由地從遠端控制系統來查看系統的各項運行指標，采用了3G 網絡作為運輸載體，只要有3G 網絡覆蓋到的地方，就可以實現隨時隨地查看電梯終端的運行結果。</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>針對多電梯遠程監控系統的實際應用需求，在ARM9 的32 位嵌入式系統的基礎上，并有效結合zigbee 技術和3G 網絡技術，主要在網絡通信與數據傳輸控制協議實現及監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，這樣克服了現有電梯遠程監控系統的不足，具有現場數據無線采集、無線網絡傳輸和隨時遠程監控的新的多電梯遠程監控系統，具有極大的經濟效益，是今后電梯遠程監控技術發展的方向。</FONT></P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT><STRONG>1 遠程監控系統的總體方案設計</STRONG> </FONT> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>3G 網絡環境下的遠程監控系統分為數據采集、網絡傳輸和遠程監控共3 個部分。總體結構如圖1 所示：</FONT></P> <P align=center><FONT style="COLOR: #000000"><IMG alt="" src="/uploadfile/20120824/16610466419936155379.jpg"></FONT></P> <P class=pictext align=center><FONT style="COLOR: #000000">圖1 多電梯遠程監控系統結構圖</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>當數據采集終端將采集到的電梯運行數據（包括溫度、速度、加速度）先進行預處理，預處理包括A/D轉換，數據壓縮，數據鎖存等技術，隨后zigBee 收發模塊將經過處理的數據打包并傳給zigBee 網絡控制中心，再由中心節點通過EM560 3G 傳輸模塊將數據包發出；數據包通過<FONT style="COLOR: #000000">中國移動</FONT>3G <FONT style="COLOR: #000000">網關</FONT>最終發送至監控中心，當控制中心收到報警信息后立即通過3G 網絡將故障相關信息發送給維護中心，同時該監控系統發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。{$page$}</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>遠程監控系統中的每個采集節點都以TI 公司生產的CC2430 作為核心芯片，由于各個節點的功耗低，且使用壽命長（一般兩年內無需維護），同時省去復雜的布線，所以實現起來很方便。但是考慮到，各個<FONT style="COLOR: #000000">傳感器</FONT>節點采集信息后匯聚到中心節點的信息量之大，傳輸至遠程監控中心的過程中，難免有網絡延時，堵塞等情況發生，所以該系統采用了高帶寬，高速率的3G 網絡作為傳輸網絡。</FONT></P> <P><STRONG><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>2 系統主芯片選擇</FONT></STRONG></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>該監控系統的主控制器主要由基于S3C2440A 的ARM9 控制器和基于CC2430 的無線收發傳輸模塊兩部分組成。</FONT></P> <P><STRONG><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>2.1 核心控制器</FONT></STRONG></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>本方案采用了<FONT style="COLOR: #000000">三星</FONT>公司推出的基于ARM920T 內核的RISC 嵌入式微處理器S3c2440,因為電梯采集數據的信息量大，且無線傳感器網絡控制中心需負責ZigBee 網絡和3G 網絡的數據傳輸，同時還要負責ZigBee 網絡的組建、節點的加入和刪除等網絡維護工作，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DMA,SDRAM 控制器，攝像頭接口，3 個UART 的通道（帶有16 字節的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，數據采集終端將傳感器采集到的電梯運行數據，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 網絡發送到遠程監控中心。</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>系統<FONT style="COLOR: #000000">測試</FONT>過程中所采用的三星公司的ARM9 開發板集成了很多外圍設備，根據其功能的可剪裁性，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據的采集。該開發板的性能比較穩定，排除了相關的不穩定因素。而本次運用的軟件系統是嵌入式Linux 系統。它具有內核小、安全性高、源代碼免費、微內核支持網絡等優點，并且可應用于多種平臺，尤其是在<FONT style="COLOR: #000000">ARM</FONT> 平臺上的應用已經相當成熟且能提供強大的管理功能，因此完全可以滿足數據采集的需求。</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><!--分頁 --></FONT></P> <P><STRONG><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>2.2 數據采集</FONT></STRONG></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>數據采集終端部分的功能主要是由TI 公司生產的CC2430 作為核心芯片來完成的，該芯片CC2430采用的是<FONT style="COLOR: #000000">全球通</FONT>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].</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>以某小區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點，用它來實時監控各個電梯的狀態，并把采集到的電梯運行數據信號以無線方式發給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控網絡。</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>其中數據采集結構框圖如下所示：</FONT></P> <P align=center><FONT style="COLOR: #000000"><IMG alt="" src="/uploadfile/20120824/7696650669046085156.jpg"></FONT></P> <P class=pictext align=center><FONT style="COLOR: #000000">圖2 數據采集終端結構圖{$page$}</FONT></P><FONT style="COLOR: #000000"> <STRONG>3 3G網絡傳輸及其接口協議</STRONG> </FONT> <P><STRONG><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>3.1 S3c2440A 與EM560 的通信</FONT></STRONG></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>當數據采集終端在完成了數據的采集后將數據包無線發送給zigbee 網絡控制中心，再由<FONT style="COLOR: #000000">華為</FONT>公司生產的3G 無線模塊EM560 將數據發送。該模塊支持通用串行總線（USB）、<FONT style="COLOR: #000000">移動通信</FONT>（TD-SCDMA/<FONT style="COLOR: #000000">HSPA</FONT>）等技術，同時，它還具有豐富的接口包括UART、USB2.0、GPIO、<FONT style="COLOR: #000000">GPS</FONT>、攝像頭傳感器和內嵌SIM 卡等，目前已經廣泛運用于遠程監控，無線傳輸等等各個領域中。</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>該模塊將ARM9 開發板的通用串行口和數據采集終端進行無線鏈接，經系統測試，其數據傳輸的下行和上行速率分別可達到2.8Mbps 和384Kbps.經分析，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，本監控系統為實現數據采集和3G 無線網絡的傳輸欲采用S3C2440A 處理器的UART 口與EM560 的UART 口連接的方式，如圖3 所示。</FONT></P> <P align=center><FONT style="COLOR: #000000"><IMG alt="" src="/uploadfile/20120824/17133340928616157310.jpg"></FONT></P> <P class=pictext align=center><FONT style="COLOR: #000000">圖3 S3c2440A 與EM560 的連接圖</FONT></P> <P><STRONG><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>3.2 接口協議的通信</FONT></STRONG></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>由于在對電梯數據信息采集備進行監控時，所使用的接口協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據上傳時，3G 網絡與控制中心平臺之間可采用標準應用層<FONT style="COLOR: #000000">信令</FONT>控制協議進行信息認證等，通過認證即可以建立用戶數據包協議（UDP）連接完成數據傳送，但是由于數據量的對實時性的要求較高，所以采用UDP 連接協議實現數據傳送。</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>在瀏覽終端進行查看和控制指令發送時，瀏覽器和通信<FONT style="COLOR: #000000">服務器</FONT>之間的接口可使用簡化了的實時流傳輸協議的標準接口，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信息。</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><!--分頁 --></FONT></P><FONT style="COLOR: #000000"> <STRONG>4 軟件設計及遠程監控端設計</STRONG> </FONT> <P><STRONG><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>4.1 zigbee 網絡設計</FONT></STRONG></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>802.15.4 協議的網絡拓撲結構有3 種類型：星型結構、<FONT style="COLOR: #000000">網格</FONT>狀結構和簇狀結構。數據采集主要是采用星型傳感器網絡將數據進行采集，因為星型網絡需要的中心控制器少，這樣可以大大降低監測網絡群體的總體功耗。而多電梯遠程監控系統中的zigbee 網絡采用是星型拓撲結構，zigbee 網絡結構中含有：中心節點、采集節點和轉發節點。整個zigbee 網絡的控制中心節點和采集節點詳細工作流程圖如下圖所示。</FONT></P> <P align=center><FONT style="COLOR: #000000"><IMG alt="" src="/uploadfile/20120824/13096926893971926768.jpg"></FONT></P> <P class=pictext align=center><FONT style="COLOR: #000000">圖4 中心節點流程圖</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>圖4 中，中心控制節點主要將遠程監控終端發送的指令信息通過ZigBee 網絡發送到子節點，并對ZigBee 網絡中的每個子節點進行管理，除此之外，還可以接收各個子節點的數據信息并返回給監控終端以便通過瀏覽器進行查閱和數據庫保存。中心控制節點通過數據幀中的節點ID 進行<FONT style="COLOR: #000000">數據通信</FONT>，利用Switch語句做相應的處理。{$page$}</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>switch（node ID） {</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>case node1:…</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>case node2:…</FONT></P> <P align=center><FONT style="COLOR: #000000"><IMG alt="" src="/uploadfile/20120824/15901377401629295881.jpg"></FONT></P> <P class=pictext align=center><FONT style="COLOR: #000000">圖5 采集節點流程圖</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>圖5 中，采集節點是多電梯遠程監控系統的中電梯數據采集和控制電梯盒的重要機構，它主要是接收控制中心節點的控制指令，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：</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>typedef NER_ADDR unsigned short;</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>typedef NER _DATA unsigned char;</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>void main（）</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>{</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>Init_zigbee（）；</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>NER _ADDR addr=inst[2];</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>NER _DATA</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>set_psw（PSW_Pispar （data））；</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>data=read（addr,NER_INT_RAM）；</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>write（A_ADDR,MEM_INT_RAM,data）；</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><!--分頁 --></FONT></P> <P><STRONG><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>4.2 Zigbee 網絡系統測試</FONT></STRONG></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>對Zigbee 網絡進行了系統測試，主要測試了節點與節點之間的通信距離、通信延時測試、組網延時、節點重入及靈敏度測試等，其中每個節點發射功率為0dBm,測試節點采用3V <FONT style="COLOR: #000000">電池</FONT>供電。</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>（1） 通信距離測試：室外情況，單個控制中心節點與單個傳感器節點在400m 的距離通信誤碼率少于2%.</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>（2） 節點重入測試：由協調器、<FONT style="COLOR: #000000">路由器</FONT>、傳感器節點組成的三級網絡，傳感器節點掉電重新上電能夠重新加入網絡，當傳感器節點的父節點離開網絡時傳感器節點能夠尋找其它父節點重新加入網絡。{$page$}</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>（3） 通信時延測試：有協議棧時延和空中傳播時延。后者時延忽略不計，但而協議棧時延即可記為節點通信時延。單個協調器與單個節點，經測試，在室外150m 延時約3s.</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>（4） 在節點靈敏度測試中，采用兩個節點互發數據的形式進行，測試結果如表1 所示。</FONT></P> <P align=center><FONT style="COLOR: #000000">表1 zigbee 網絡節點接收靈敏度測試結果</FONT></P> <P align=center><FONT style="COLOR: #000000"><IMG style="WIDTH: 517px; HEIGHT: 277px" height=303 alt="" src="/uploadfile/20120824/411060863304405304.jpg" width=553></FONT></P> <P class=pictext align=center><FONT style="COLOR: #000000"> <STRONG>4.3 遠程監控端設計</STRONG></FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>電梯遠程監控系統另一點優勢在于采用B/S 架構的模式，監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，通過自己的用戶名和密碼登錄該遠程監控系統查詢各個電梯對象的相關信息及狀態，除此之外，還可以發出控制指令給被控電梯。</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>當用戶用將瀏覽器端的操作命令發送給web 服務器，命令指令通過通信服務器發送給EM560 數據模塊轉發給現場數據處理設備。該監控系統采用ASP 和ActiveX 技術進行監控系統動態Web 頁面的開發并要求Web 服務器根據數據庫中的數據實時生成Web 頁面。遠程客戶端支持用戶提交的操作信息向web 服務器發出HTTP 服務請求，web 服務器通過ASP 和中間組件根據服務類型向服務器發送請求，數據庫服務器應答后通過web 服務器再將數據以HTML 格式返回給客戶端，通過瀏覽器查看數據，圖為EM516 與通信服務器的Socket 的通信。</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>監控系統初始化后，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， 如果網絡不忙則會發送AT+CG-DCONTH 和ATD 即可進行聯網。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。</FONT></P> <P><STRONG><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>5 結論</FONT></STRONG></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>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控系統的設計方案，該監控系統具有低成本、易實現、數據傳輸可靠和低功耗等特點，使其電梯遠程監控的實現難度大大降低，且安裝、維護和管理十分方便，避免了以往傳統電梯遠程監控系統的很多弊端，代表了電梯監控系統向無線網絡化發展的趨勢。</FONT></P> <P><STRONG><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>參考文獻</FONT></STRONG></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>1 汪玉鳳，姜林。基于ZigBee 和<FONT style="COLOR: #000000">GPRS</FONT>的無線抄表系統。儀表技術與傳感器，2010,（10）：49-51.</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>2 呂西午，劉開華，趙巖。基于Zigbee 的無線監測系統設計與實現。<FONT style="COLOR: #000000">計算機</FONT>工程，2010,5（36）：243-247.</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>3 宋蟄存，陳寧，李迪飛，等。ZigBee 無線傳感技術在森林火災監測中的應用。自動化儀表，2011,32（4）：50-52.</FONT></P> <P><FONT style="COLOR: #000000"><FONT style="COLOR: #000000"> </FONT>4 Elliotttv PFJ. 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