基于物聯(lián)網(wǎng)的營區(qū)電梯集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

智慧營區(qū)的建設(shè)是軍隊(duì)信息化發(fā)展的必然要求，通過智慧營區(qū)的建設(shè)，營房管理部門可以更加高效的對(duì)營房營具進(jìn)行監(jiān)控和管理。電梯作為營區(qū)內(nèi)各建筑尤其是重要場所的主要交通工具，其安全性和可靠性不言而喻。目前，各電梯生產(chǎn)廠家提供的監(jiān)控系統(tǒng)都依賴于自己的設(shè)備，不同品牌的電梯由于自身的硬件和接口之間存在著巨大差異，沒有對(duì)外提供開放、標(biāo)準(zhǔn)的接口，所以各廠家的監(jiān)控系統(tǒng)不具備良好的普適性， 造成營區(qū)內(nèi)的電梯難以有效進(jìn)行集中監(jiān)管，出現(xiàn)故障時(shí)不能及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)警和定位，存在嚴(yán)重的安全隱患。因此需要設(shè)計(jì)一套獨(dú)立于電梯自身電氣系統(tǒng)的通用監(jiān)控系統(tǒng)來對(duì)電梯進(jìn)行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

營區(qū)電梯集中監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控終端三部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由安裝在轎廂內(nèi)外的傳感器組、PLC 以及無線通信模塊組成，傳感器負(fù)責(zé)采集電梯運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，PLC 對(duì)采集的信息進(jìn)行前端處理，各節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊以自組網(wǎng)方式形成 ZigBee 無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)傳輸。終端服務(wù)器選用FameView 組態(tài)開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)與基于 Unity3D 的數(shù)字營區(qū)三維可視化系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)電梯的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)中各傳感器采集的數(shù)據(jù)由PLC 進(jìn)行處理并封裝成消息幀格式，通過 ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)經(jīng)ZigBee 路由上傳到監(jiān)控終端的ZigBee 協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器上傳至上位監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

電梯的電氣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及眾多機(jī)電元件，在正常工作時(shí)， 與其相關(guān)的狀態(tài)參數(shù)較多，其中的關(guān)鍵參數(shù)主要為轎廂平層狀態(tài)、轎廂門開關(guān)狀態(tài)、電梯主回路通斷狀態(tài)以及轎廂負(fù)載狀態(tài)等。本系統(tǒng)的功能是對(duì)營區(qū)內(nèi)電梯進(jìn)行監(jiān)控，上傳至上位機(jī)的信息主要是電梯的位置信息及當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)信息，因此選用西門子S7-200 PLC CPU 224XP 作為前端處理器對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并判斷電梯當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，若發(fā)生故障則生成相應(yīng)的故障代碼。圖 3 所示為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖。

電梯常見故障包括非平層停梯、關(guān)人、沖頂或蹲底、開門行梯等，判斷方法如下：

(1) 選用接近開關(guān)作為電梯平層檢測傳感器，每層安裝一個(gè)平層監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)電梯通過監(jiān)測點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生有效信號(hào)，運(yùn)行至樓層之間時(shí)信號(hào)失效，由此可得出，若長時(shí)間沒有有效信號(hào)， 則電梯處于非平層停梯狀態(tài)；

(2) 在轎廂頂部和底部安裝永磁感應(yīng)器監(jiān)測轎廂在運(yùn)行過程中是否超過上、下極限距離，若超過則產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)， 啟動(dòng)相應(yīng)故障處理預(yù)案；

(3) 轎廂內(nèi)地板上安裝稱重傳感器，當(dāng)電梯出現(xiàn)故障時(shí)， 根據(jù)稱重傳感器的數(shù)據(jù)判斷電梯內(nèi)是否有人，以此確定是否為關(guān)人故障，并最先處置該故障。

除上述傳感器外，為更好地對(duì)維保信息進(jìn)行監(jiān)管，還需加裝射頻卡讀寫模塊，每次例行維保任務(wù)后只需要刷一次卡，節(jié)點(diǎn)就可以將維修人員的信息、日期、任務(wù)完成情況等信息上傳至上位機(jī)。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以分為星型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和樹狀網(wǎng)絡(luò)， 其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 4 所示。星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，但星型網(wǎng)絡(luò)中的路由器不具備路由功能，所有終端都與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器直接通信，因此其通信距離受限于協(xié)調(diào)器的通信范圍。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，任意兩臺(tái)設(shè)備只要在其無線信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)都可以通信，所以具備較高的可靠性，但其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)變化的， 不易維護(hù)。綜合考慮，本文最終選擇樹型網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這是因?yàn)橄到y(tǒng)需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，必須 增加路由功能，而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的研究較為復(fù)雜，尤其是節(jié)點(diǎn)部署 不當(dāng)時(shí)容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量出現(xiàn)問題。

2.2.2 無線通信模塊

系統(tǒng)的無線通信模塊選用康海時(shí)代 KH1002-485，其內(nèi) 部集成了順舟 SZ05-ADV 嵌入式無線串口模塊，該模塊使用 了加強(qiáng)型 ZigBee 無線技術(shù)以及符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無線通訊 設(shè)備，具有通信距離遠(yuǎn)、抗擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)和特性， 同時(shí)使用簡單，不需要用戶考慮 ZigBee 協(xié)議的編程，直接接 上串口就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。無線串口模塊引腳圖如圖 5 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序、上位機(jī)監(jiān)控程序和 PLC 軟件三個(gè)部分。

3.1 ZigBee 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)

ZigBee 通信模塊的通信流程主要包含建立無線通信網(wǎng)絡(luò) 與數(shù)據(jù)通信兩大通信過程。

3.1.1 建立無線通信網(wǎng)絡(luò)

 ZigBee 協(xié)調(diào)器的作用是建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)協(xié)調(diào)器上電 后，首先進(jìn)行硬件以及協(xié)議棧的初始化，接著掃描并選擇合 適信道，設(shè)定 PANID 值，建立 PAN。在收到終端設(shè)備的連 接請(qǐng)求后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)地址對(duì) 應(yīng)的設(shè)備 MAC 地址進(jìn)行存儲(chǔ)，從而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)管理。終 端節(jié)點(diǎn)上電后首先進(jìn)行硬件以及協(xié)議棧的初始化，然后查找周 圍是否存在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，若有 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)則申請(qǐng)連接，若 沒有則繼續(xù)查找。成功接入網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)將傳感數(shù)據(jù)發(fā)送 至協(xié)調(diào)器。

3.1.2 數(shù)據(jù)通信

上位機(jī)通過串口向 ZigBee 協(xié)調(diào)器發(fā)送命令報(bào)文，根據(jù)命 令字來讀取各電梯的運(yùn)行數(shù)據(jù)。命令中包含電梯編號(hào)，ZigBee協(xié)調(diào)器收到命令后通過電梯編號(hào)查找其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址，并 通過網(wǎng)絡(luò)地址無線訪問 ZigBee 設(shè)備。整個(gè)通信過程分為以下 幾步 ：

（1）上位機(jī)通過串口將指令發(fā)送至 ZigBee 協(xié)調(diào)器 ；

（2）ZigBee 協(xié)調(diào)器根據(jù)指令中的電梯編號(hào)查詢電梯 ZigBee 接收設(shè)備的地址，并按指定數(shù)據(jù)格式發(fā)送 ；

（3）電梯 ZigBee 接收設(shè)備提取指令信息，通過串口傳輸 至 PLC，PLC 根據(jù)指令做出相應(yīng)操作并將反饋信息通過電梯 ZigBee 接收設(shè)備上傳到 ZigBee 協(xié)調(diào)器 ；

（4）ZigBee 協(xié)調(diào)器經(jīng)串口將反饋信息發(fā)送至上位機(jī)。 為方便數(shù)據(jù)信息的接收和發(fā)送，采用無線網(wǎng)絡(luò)透明化處 理，即通過無線 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的透明傳輸實(shí)現(xiàn)無線串口的功能， 在通信過程中統(tǒng)一使用 ModBus RTU 消息幀，其格式如圖 6 所示。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用 FameView 組態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其主要 功能是與 ZigBee 協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，建立、更新數(shù)據(jù)庫，將數(shù) 據(jù)實(shí)時(shí)顯示以對(duì)電梯進(jìn)行監(jiān)控，并提供人工操作接口。

3.3 PLC 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測節(jié)點(diǎn) PLC 控制器的功能是讀取各傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù) 數(shù)據(jù)信息判斷電梯的運(yùn)行狀態(tài)，并將其與電梯位置信息一起 上傳至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。PLC 控制器流程圖如圖 7 所示，利 用 PLC 編程軟件 STEP7 V5.4 SP3 CH 可以很方便地設(shè)計(jì)出系 統(tǒng)梯形控制圖。當(dāng)系統(tǒng)上電硬件初始化結(jié)束后，PLC 讀取當(dāng) 前電梯的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并處理，將其封裝成消息幀后發(fā)送至上位機(jī)，之后進(jìn)入睡眠狀態(tài)直至被上位機(jī)的喚醒指令喚醒或睡眠 間隔結(jié)束，然后循環(huán)上述過程。

4 實(shí)現(xiàn)與測試

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集以及通信的試驗(yàn)。在 測試中，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確采集傳感器的數(shù)據(jù)并通過 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通信，當(dāng)協(xié)調(diào)器故障重啟后，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)能主動(dòng)加 入新的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，保證有效的通信過程。電梯監(jiān)控組態(tài)系 統(tǒng)如圖 8 所示。三維營區(qū)界面如圖 9 所示。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的營區(qū)電梯集中監(jiān)控系統(tǒng)， 采用西門子 S7-200 PLC CPU 224XP 作為前端處理器，對(duì)電梯 運(yùn)行的各種實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行接收、處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā) 送至上位機(jī)，上位機(jī)通過電梯監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各電梯 的狀態(tài)。采用該系統(tǒng)有利于營房部門提高營區(qū)內(nèi)電梯養(yǎng)護(hù)、管 理的效率