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【摘 要】ZigBee是一种新型的短距离无线通信技术，它采用2.4Ghz波段，基本速率为250Kbps，传输范围室内可达75米，具有高可靠性、低功耗、低部署成本的优点，在这一背景下，本文提出一种适合于拥有多台电梯的楼宇的新型数据传输方案。即将集成ZigBee信号收发模块的前端机部署在各电梯机房，作为ZigBee节点，然后在大楼内便于接入有线以太网的地方布置ZigBee协调器与网关，最后监控中心的计算机通过以太网与网关连接。
【关键词】ZigBee无线通信 电梯故障监测
一、系统整体结构
本文设计的无线电梯故障报警系统主要由监控中心、网关以及用于数据采集与无线通信的ZigBee电梯故障监测网络（包括ZigBee协调器与前端机ZigBee节点）组成。
（1）系统选用一台PC作为监控中心，通过以太网与网关进行数据和命令的通信，系统提供了基于Web的用户界面，用户可以通过监控中心的Web浏览器实现电梯状态监测数据的实时显示、故障报警等功能。
（2）根据ZigBee协议，网关是指为ZigBee提供通信协议转换的设备。在本系统中，网关主要负责电梯监测数据的接收、存储、处理等任务，为上层的监控中心提供了HTTP服务，通过RS232接口与下层的ZigBee网络互联。
（3）ZigBee电梯故障监测网络包括一个ZigBee协调器和多个前端机ZigBee传感器节点。ZigBee网络采用了星型拓扑结构，每个节点与ZigBee协调器直接连接。
ZigBee协调器通过RS232接口与网关实现数据通信，主要负责建立无线传感器网络、向网络中的传感器节点转发命令并接收电梯监测数据等任务。ZigBee协调器需要频繁的进行数据收发以及数据的处理计算，功耗较高，因此由固定电源供电。
前端机ZigBee传感器节点连接有用于获取电梯状态和故障信息的传感器，负责数据的采集与预处理。
二、网关的设计
网关选用了Samsung公司生产的SoC芯片S3C2440，S3C2440基于ARM920T内核，是一款高性能、低功耗32位RISC嵌入式处理器，具有丰富的外设及功能接口，包括128MB的NAND Flash、2MB的NOR Flash、64MB的SDRAM，以及I/O接口、以太网、RS232接口和电源管理等。
网关选用Linux作为嵌入式操作系统。Linux内核主要由进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口、进程间通信5个子系统组成。Linux完全兼容POSIX标准，支持多任务，具有强大的网络功能，性能稳定，同时具有良好的可裁剪性和可移植性。网关上移植有Apache和MySql，分别提供了HTTP服务和数据管理服务。
三、ZigBee节点和传感器的设计
ZigBee节点选用了Chipcon公司推出的CC2430，这是世界上第一款符合IEEE 802.15.4协议2.4GHz的ZigBee芯片。
系统需要采集的电梯故障信号有：
（1）电梯安全回路的故障信号。电梯安全回路一般由相序保护继电器、限速器开关、安全钳开关、急停开关、极限开关、缓冲器开关等串联而成。其中某一开关动作则电梯安全回路继电器失电，电梯便无法运行，即使是正在运行的电梯也因此而制动停车。
（2）电梯门锁回路的故障信号。电梯门锁回路由每一层站的层门锁和轿门锁开关串联而成，回路中的任一个开关断开，电梯将无法运行。
在电梯控制主板或PLC的输入接口侧，安全回路和门锁回路都有对应的输入端子。因此，可以根据输入端子的通断状态来获取故障信号。
通过监测对应端子接线上的电流有无，即开关量信号，我们可以获取电梯故障信息，因此可以在端子接线处安装霍尔开关量电流传感器进行监测。
霍尔传感器采用Honeywell公司的SS40A型开关量电流传感器。
四、系统的软件架构设计
用户通过监控中心PC的Web浏览器访问在网关上的Web服务器即可完成电梯故障监测与报警等任务。用户在Web浏览器页面上的文本输入栏中输入监测参数，根据用户设置的参数，系统可以通过Javascript脚本及AJAX技术手动或自动向Web服务器发起命令发送请求以及数据查询请求，返回的数据能够实时动态的显示在Web页面上。
用户由Web页面发出的请求根据HTTP协议通过LAN网络发送到运行在网关上的Web服务器Apache。如果Web服务器收到的是命令发送请求，服务器将调用命令发送CGI程序。命令发送CGI程序启动socket客户进程，连接到后台运行的socket服务接口。如果连接成功，命令发送CGI程序通过socket连接向后台进程传递用户请求发送的命令，传递完成后，命令发送CGI程序再通过Web服务器向监控中心返回结果。
系统以一个命令队列作为暂存用户命令发送请求的缓冲区。后台进程接收到的命令不会直接发送给ZigBee协调器，而是首先从命令队列的队尾写入命令队列，等待队列控制器的定时调度。如果条件达成，队列控制器将会从命令队列的对头取出一条命令，将命令封装成规定格式的命令帧后，再通过串口发送给ZigBee协调器。
ZigBee协调器接收到命令帧后，首先进行命令帧的解析，取出命令和目标地址。根据目标地址，协调器将命令封装为不含地址信息的命令帧并转发给指定网络地址的传感器节点。传感器节点收到命令帧后，进行数据采集等任务。将采集到的数据封装为规定格式的数据帧，发送给ZigBee协调器，再由ZigBee协调器通过串口返回到网关。
如果Web服务器收到了监控中心发出的数据查询请求，与接收到命令发送请求的处理过程类似，首先调用数据查询CGI程序，连接到socket服务接口，连接成功后，通过队列控制器从数据队列或信息队列中取出所有数据，并返回给监控中心进行显示。
参考文献：
[1]李文仲， 段朝玉等. ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践. 第1版. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2009.
[2] 赵广超. 基于ZigBee的无线传感器网络定位技术的研究与实现. 长沙： 国防科学技术大学， 2009.
【关键词】ZigBee无线通信 电梯故障监测
一、系统整体结构
本文设计的无线电梯故障报警系统主要由监控中心、网关以及用于数据采集与无线通信的ZigBee电梯故障监测网络（包括ZigBee协调器与前端机ZigBee节点）组成。
（1）系统选用一台PC作为监控中心，通过以太网与网关进行数据和命令的通信，系统提供了基于Web的用户界面，用户可以通过监控中心的Web浏览器实现电梯状态监测数据的实时显示、故障报警等功能。
（2）根据ZigBee协议，网关是指为ZigBee提供通信协议转换的设备。在本系统中，网关主要负责电梯监测数据的接收、存储、处理等任务，为上层的监控中心提供了HTTP服务，通过RS232接口与下层的ZigBee网络互联。
（3）ZigBee电梯故障监测网络包括一个ZigBee协调器和多个前端机ZigBee传感器节点。ZigBee网络采用了星型拓扑结构，每个节点与ZigBee协调器直接连接。
ZigBee协调器通过RS232接口与网关实现数据通信，主要负责建立无线传感器网络、向网络中的传感器节点转发命令并接收电梯监测数据等任务。ZigBee协调器需要频繁的进行数据收发以及数据的处理计算，功耗较高，因此由固定电源供电。
前端机ZigBee传感器节点连接有用于获取电梯状态和故障信息的传感器，负责数据的采集与预处理。
二、网关的设计
网关选用了Samsung公司生产的SoC芯片S3C2440，S3C2440基于ARM920T内核，是一款高性能、低功耗32位RISC嵌入式处理器，具有丰富的外设及功能接口，包括128MB的NAND Flash、2MB的NOR Flash、64MB的SDRAM，以及I/O接口、以太网、RS232接口和电源管理等。
网关选用Linux作为嵌入式操作系统。Linux内核主要由进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口、进程间通信5个子系统组成。Linux完全兼容POSIX标准，支持多任务，具有强大的网络功能，性能稳定，同时具有良好的可裁剪性和可移植性。网关上移植有Apache和MySql，分别提供了HTTP服务和数据管理服务。
三、ZigBee节点和传感器的设计
ZigBee节点选用了Chipcon公司推出的CC2430，这是世界上第一款符合IEEE 802.15.4协议2.4GHz的ZigBee芯片。
系统需要采集的电梯故障信号有：
（1）电梯安全回路的故障信号。电梯安全回路一般由相序保护继电器、限速器开关、安全钳开关、急停开关、极限开关、缓冲器开关等串联而成。其中某一开关动作则电梯安全回路继电器失电，电梯便无法运行，即使是正在运行的电梯也因此而制动停车。
（2）电梯门锁回路的故障信号。电梯门锁回路由每一层站的层门锁和轿门锁开关串联而成，回路中的任一个开关断开，电梯将无法运行。
在电梯控制主板或PLC的输入接口侧，安全回路和门锁回路都有对应的输入端子。因此，可以根据输入端子的通断状态来获取故障信号。
通过监测对应端子接线上的电流有无，即开关量信号，我们可以获取电梯故障信息，因此可以在端子接线处安装霍尔开关量电流传感器进行监测。
霍尔传感器采用Honeywell公司的SS40A型开关量电流传感器。
四、系统的软件架构设计
用户通过监控中心PC的Web浏览器访问在网关上的Web服务器即可完成电梯故障监测与报警等任务。用户在Web浏览器页面上的文本输入栏中输入监测参数，根据用户设置的参数，系统可以通过Javascript脚本及AJAX技术手动或自动向Web服务器发起命令发送请求以及数据查询请求，返回的数据能够实时动态的显示在Web页面上。
用户由Web页面发出的请求根据HTTP协议通过LAN网络发送到运行在网关上的Web服务器Apache。如果Web服务器收到的是命令发送请求，服务器将调用命令发送CGI程序。命令发送CGI程序启动socket客户进程，连接到后台运行的socket服务接口。如果连接成功，命令发送CGI程序通过socket连接向后台进程传递用户请求发送的命令，传递完成后，命令发送CGI程序再通过Web服务器向监控中心返回结果。
系统以一个命令队列作为暂存用户命令发送请求的缓冲区。后台进程接收到的命令不会直接发送给ZigBee协调器，而是首先从命令队列的队尾写入命令队列，等待队列控制器的定时调度。如果条件达成，队列控制器将会从命令队列的对头取出一条命令，将命令封装成规定格式的命令帧后，再通过串口发送给ZigBee协调器。
ZigBee协调器接收到命令帧后，首先进行命令帧的解析，取出命令和目标地址。根据目标地址，协调器将命令封装为不含地址信息的命令帧并转发给指定网络地址的传感器节点。传感器节点收到命令帧后，进行数据采集等任务。将采集到的数据封装为规定格式的数据帧，发送给ZigBee协调器，再由ZigBee协调器通过串口返回到网关。
如果Web服务器收到了监控中心发出的数据查询请求，与接收到命令发送请求的处理过程类似，首先调用数据查询CGI程序，连接到socket服务接口，连接成功后，通过队列控制器从数据队列或信息队列中取出所有数据，并返回给监控中心进行显示。
参考文献：
[1]李文仲， 段朝玉等. ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践. 第1版. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2009.
[2] 赵广超. 基于ZigBee的无线传感器网络定位技术的研究与实现. 长沙： 国防科学技术大学， 2009.