引 言

智慧營區(qū)的建設是軍隊信息化發(fā)展的必然要求，通過智慧營區(qū)的建設，營房管理部門可以更加高效的對營房營具進行監(jiān)控和管理。電梯作為營區(qū)內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，各電梯生產廠家提供的監(jiān)控系統(tǒng)都依賴于自己的設備，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，沒有對外提供開放、標準的接口，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)內的電梯難以有效進行集中監(jiān)管，出現(xiàn)故障時不能及時準確地預警和定位，存在嚴重的安全隱患。因此需要設計一套獨立于電梯自身電氣系統(tǒng)的通用監(jiān)控系統(tǒng)來對電梯進行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設計

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

監(jiān)測節(jié)點由安裝在轎廂內外的傳感器組、PLC 以及無線通信模塊組成，傳感器負責采集電梯運行過程中的實時狀態(tài)信息，PLC 對采集的信息進行前端處理，各節(jié)點的無線通信模塊以自組網(wǎng)方式形成 ZigBee 無線監(jiān)控網(wǎng)絡用于數(shù)據(jù)傳輸。終端服務器選用FameView 組態(tài)開發(fā)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和監(jiān)控界面設計，以實現(xiàn)與基于 Unity3D 的數(shù)字營區(qū)三維可視化系統(tǒng)進行信息交互，實現(xiàn)電梯的實時監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件結構圖如圖 2 所示。監(jiān)測節(jié)點中各傳感器采集的數(shù)據(jù)由PLC 進行處理并封裝成消息幀格式，通過 ZigBee 終端節(jié)點經(jīng)ZigBee 路由上傳到監(jiān)控終端的ZigBee 協(xié)調器，再由協(xié)調器上傳至上位監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 監(jiān)測節(jié)點

電梯的電氣結構復雜，涉及眾多機電元件，在正常工作時， 與其相關的狀態(tài)參數(shù)較多，其中的關鍵參數(shù)主要為轎廂平層狀態(tài)、轎廂門開關狀態(tài)、電梯主回路通斷狀態(tài)以及轎廂負載狀態(tài)等。本系統(tǒng)的功能是對營區(qū)內電梯進行監(jiān)控，上傳至上位機的信息主要是電梯的位置信息及當前的運行狀態(tài)信息，因此選用西門子S7-200 PLC CPU 224XP 作為前端處理器對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理并判斷電梯當前的運行狀態(tài)，若發(fā)生故障則生成相應的故障代碼。圖 3 所示為監(jiān)測節(jié)點硬件結構圖。

電梯常見故障包括非平層停梯、關人、沖頂或蹲底、開門行梯等，判斷方法如下：

(1) 選用接近開關作為電梯平層檢測傳感器，每層安裝一個平層監(jiān)測點，當電梯通過監(jiān)測點時產生有效信號，運行至樓層之間時信號失效，由此可得出，若長時間沒有有效信號， 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器監(jiān)測轎廂在運行過程中是否超過上、下極限距離，若超過則產生報警信號， 啟動相應故障處理預案；

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

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

2.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡

2.2.1 網(wǎng)絡拓撲結構

ZigBee 網(wǎng)絡可以分為星型網(wǎng)絡、網(wǎng)狀網(wǎng)絡和樹狀網(wǎng)絡， 其拓撲結構如圖 4 所示。星型網(wǎng)絡結構簡單、易于實現(xiàn)，但星型網(wǎng)絡中的路由器不具備路由功能，所有終端都與網(wǎng)絡協(xié)調器直接通信，因此其通信距離受限于協(xié)調器的通信范圍。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，任意兩臺設備只要在其無線信號覆蓋范圍內都可以通信，所以具備較高的可靠性，但其網(wǎng)絡拓撲是動態(tài)變化的， 不易維護。綜合考慮，本文最終選擇樹型網(wǎng)絡作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構。這是因為系統(tǒng)需要較大的網(wǎng)絡覆蓋范圍，必須 增加路由功能，而網(wǎng)狀網(wǎng)絡的研究較為復雜，尤其是節(jié)點部署 不當時容易導致網(wǎng)絡連接質量出現(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代 KH1002-485，其內 部集成了順舟 SZ05-ADV 嵌入式無線串口模塊，該模塊使用 了加強型 ZigBee 無線技術以及符合工業(yè)標準應用的無線通訊 設備，具有通信距離遠、抗擾能力強、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點和特性， 同時使用簡單，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)軟件設計

系統(tǒng)軟件包括 ZigBee 網(wǎng)絡節(jié)點程序、上位機監(jiān)控程序和 PLC 軟件三個部分。

3.1 ZigBee 無線傳輸網(wǎng)絡

ZigBee 通信模塊的通信流程主要包含建立無線通信網(wǎng)絡 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

 ZigBee 協(xié)調器的作用是建立和維護網(wǎng)絡，當協(xié)調器上電 后，首先進行硬件以及協(xié)議棧的初始化，接著掃描并選擇合 適信道，設定 PANID 值，建立 PAN。在收到終端設備的連 接請求后，協(xié)調器節(jié)點為其分配網(wǎng)絡地址，同時將網(wǎng)絡地址對 應的設備 MAC 地址進行存儲，從而進行網(wǎng)絡的協(xié)調管理。終 端節(jié)點上電后首先進行硬件以及協(xié)議棧的初始化，然后查找周 圍是否存在 ZigBee 網(wǎng)絡，若有 ZigBee 網(wǎng)絡則申請連接，若 沒有則繼續(xù)查找。成功接入網(wǎng)絡后，終端節(jié)點將傳感數(shù)據(jù)發(fā)送 至協(xié)調器。

3.1.2 數(shù)據(jù)通信

上位機通過串口向 ZigBee 協(xié)調器發(fā)送命令報文，根據(jù)命 令字來讀取各電梯的運行數(shù)據(jù)。命令中包含電梯編號，ZigBee協(xié)調器收到命令后通過電梯編號查找其對應的網(wǎng)絡地址，并 通過網(wǎng)絡地址無線訪問 ZigBee 設備。整個通信過程分為以下 幾步 ：

（1）上位機通過串口將指令發(fā)送至 ZigBee 協(xié)調器 ；

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

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

（4）ZigBee 協(xié)調器經(jīng)串口將反饋信息發(fā)送至上位機。 為方便數(shù)據(jù)信息的接收和發(fā)送，采用無線網(wǎng)絡透明化處 理，即通過無線 ZigBee 網(wǎng)絡的透明傳輸實現(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 上位機監(jiān)控軟件設計

上位機監(jiān)控軟件采用 FameView 組態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)，其主要 功能是與 ZigBee 協(xié)調器進行通信，建立、更新數(shù)據(jù)庫，將數(shù) 據(jù)實時顯示以對電梯進行監(jiān)控，并提供人工操作接口。

3.3 PLC 軟件設計

監(jiān)測節(jié)點 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)信息判斷電梯的運行狀態(tài)，并將其與電梯位置信息一起 上傳至上位機監(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 可以很方便地設計出系 統(tǒng)梯形控制圖。當系統(tǒng)上電硬件初始化結束后，PLC 讀取當 前電梯的實時數(shù)據(jù)并處理，將其封裝成消息幀后發(fā)送至上位機，之后進入睡眠狀態(tài)直至被上位機的喚醒指令喚醒或睡眠 間隔結束，然后循環(huán)上述過程。

4 實現(xiàn)與測試

本系統(tǒng)在實驗室中進行了數(shù)據(jù)采集以及通信的試驗。在 測試中，監(jiān)測節(jié)點能夠準確采集傳感器的數(shù)據(jù)并通過 ZigBee 網(wǎng)絡與上位機通信，當協(xié)調器故障重啟后，監(jiān)測節(jié)點能主動加 入新的 ZigBee 網(wǎng)絡，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 語

本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術的營區(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，對電梯 運行的各種實時參數(shù)進行接收、處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā) 送至上位機，上位機通過電梯監(jiān)控界面實時顯示當前各電梯 的狀態(tài)。采用該系統(tǒng)有利于營房部門提高營區(qū)內電梯養(yǎng)護、管 理的效率