基于物联网的营区电梯集中监控系统设计与实现

引 言

智慧营区的建设是军队信息化发展的必然要求，通过智慧营区的建设，营房管理部门可以更加高效的对营房营具进行监控和管理。电梯作为营区内各建筑尤其是重要场所的主要交通工具，其安全性和可靠性不言而喻。目前，各电梯生产厂家提供的监控系统都依赖于自己的设备，不同品牌的电梯由于自身的硬件和接口之间存在着巨大差异，没有对外提供开放、标准的接口，所以各厂家的监控系统不具备良好的普适性， 造成营区内的电梯难以有效进行集中监管，出现故障时不能及时准确地预警和定位，存在严重的安全隐患。因此需要设计一套独立于电梯自身电气系统的通用监控系统来对电梯进行监控。

1 系统总体设计

营区电梯集中监控系统由监测节点、数据传输网络和监控终端三部分组成，其结构图如图 1 所示。

监测节点由安装在轿厢内外的传感器组、PLC 以及无线通信模块组成，传感器负责采集电梯运行过程中的实时状态信息，PLC 对采集的信息进行前端处理，各节点的无线通信模块以自组网方式形成 ZigBee 无线监控网络用于数据传输。终端服务器选用FameView 组态开发平台实现数据的显示和监控界面设计，以实现与基于 Unity3D 的数字营区三维可视化系统进行信息交互，实现电梯的实时监控。

2 系统硬件设计

系统硬件结构图如图 2 所示。监测节点中各传感器采集的数据由PLC 进行处理并封装成消息帧格式，通过 ZigBee 终端节点经ZigBee 路由上传到监控终端的ZigBee 协调器，再由协调器上传至上位监控系统。

2.1 监测节点

电梯的电气结构复杂，涉及众多机电元件，在正常工作时， 与其相关的状态参数较多，其中的关键参数主要为轿厢平层状态、轿厢门开关状态、电梯主回路通断状态以及轿厢负载状态等。本系统的功能是对营区内电梯进行监控，上传至上位机的信息主要是电梯的位置信息及当前的运行状态信息，因此选用西门子S7-200 PLC CPU 224XP 作为前端处理器对传感器采集的数据进行处理并判断电梯当前的运行状态，若发生故障则生成相应的故障代码。图 3 所示为监测节点硬件结构图。

电梯常见故障包括非平层停梯、关人、冲顶或蹲底、开门行梯等，判断方法如下：

(1) 选用接近开关作为电梯平层检测传感器，每层安装一个平层监测点，当电梯通过监测点时产生有效信号，运行至楼层之间时信号失效，由此可得出，若长时间没有有效信号， 则电梯处于非平层停梯状态；

(2) 在轿厢顶部和底部安装永磁感应器监测轿厢在运行过程中是否超过上、下极限距离，若超过则产生报警信号， 启动相应故障处理预案；

(3) 轿厢内地板上安装称重传感器，当电梯出现故障时， 根据称重传感器的数据判断电梯内是否有人，以此确定是否为关人故障，并最先处置该故障。

除上述传感器外，为更好地对维保信息进行监管，还需加装射频卡读写模块，每次例行维保任务后只需要刷一次卡，节点就可以将维修人员的信息、日期、任务完成情况等信息上传至上位机。

2.2 数据传输网络

2.2.1 网络拓扑结构

ZigBee 网络可以分为星型网络、网状网络和树状网络， 其拓扑结构如图 4 所示。星型网络结构简单、易于实现，但星型网络中的路由器不具备路由功能，所有终端都与网络协调器直接通信，因此其通信距离受限于协调器的通信范围。在网状网络中，任意两台设备只要在其无线信号覆盖范围内都可以通信，所以具备较高的可靠性，但其网络拓扑是动态变化的， 不易维护。综合考虑，本文最终选择树型网络作为系统的网络拓扑结构。这是因为系统需要较大的网络覆盖范围，必须 增加路由功能，而网状网络的研究较为复杂，尤其是节点部署 不当时容易导致网络连接质量出现问题。

2.2.2 无线通信模块

系统的无线通信模块选用康海时代 KH1002-485，其内 部集成了顺舟 SZ05-ADV 嵌入式无线串口模块，该模块使用 了加强型 ZigBee 无线技术以及符合工业标准应用的无线通讯 设备，具有通信距离远、抗扰能力强、组网灵活等优点和特性， 同时使用简单，不需要用户考虑 ZigBee 协议的编程，直接接 上串口就能实现数据的透明传输。无线串口模块引脚图如图 5 所示。

3 系统软件设计

系统软件包括 ZigBee 网络节点程序、上位机监控程序和 PLC 软件三个部分。

3.1 ZigBee 无线传输网络

ZigBee 通信模块的通信流程主要包含建立无线通信网络 与数据通信两大通信过程。

3.1.1 建立无线通信网络

 ZigBee 协调器的作用是建立和维护网络，当协调器上电 后，首先进行硬件以及协议栈的初始化，接着扫描并选择合 适信道，设定 PANID 值，建立 PAN。在收到终端设备的连 接请求后，协调器节点为其分配网络地址，同时将网络地址对 应的设备 MAC 地址进行存储，从而进行网络的协调管理。终 端节点上电后首先进行硬件以及协议栈的初始化，然后查找周 围是否存在 ZigBee 网络，若有 ZigBee 网络则申请连接，若 没有则继续查找。成功接入网络后，终端节点将传感数据发送 至协调器。

3.1.2 数据通信

上位机通过串口向 ZigBee 协调器发送命令报文，根据命 令字来读取各电梯的运行数据。命令中包含电梯编号，ZigBee协调器收到命令后通过电梯编号查找其对应的网络地址，并 通过网络地址无线访问 ZigBee 设备。整个通信过程分为以下 几步 ：

（1）上位机通过串口将指令发送至 ZigBee 协调器 ；

（2）ZigBee 协调器根据指令中的电梯编号查询电梯 ZigBee 接收设备的地址，并按指定数据格式发送 ；

（3）电梯 ZigBee 接收设备提取指令信息，通过串口传输 至 PLC，PLC 根据指令做出相应操作并将反馈信息通过电梯 ZigBee 接收设备上传到 ZigBee 协调器 ；

（4）ZigBee 协调器经串口将反馈信息发送至上位机。 为方便数据信息的接收和发送，采用无线网络透明化处 理，即通过无线 ZigBee 网络的透明传输实现无线串口的功能， 在通信过程中统一使用 ModBus RTU 消息帧，其格式如图 6 所示。

3.2 上位机监控软件设计

上位机监控软件采用 FameView 组态系统实现，其主要 功能是与 ZigBee 协调器进行通信，建立、更新数据库，将数 据实时显示以对电梯进行监控，并提供人工操作接口。

3.3 PLC 软件设计

监测节点 PLC 控制器的功能是读取各传感器数据，根据 数据信息判断电梯的运行状态，并将其与电梯位置信息一起 上传至上位机监控系统。PLC 控制器流程图如图 7 所示，利 用 PLC 编程软件 STEP7 V5.4 SP3 CH 可以很方便地设计出系 统梯形控制图。当系统上电硬件初始化结束后，PLC 读取当 前电梯的实时数据并处理，将其封装成消息帧后发送至上位机，之后进入睡眠状态直至被上位机的唤醒指令唤醒或睡眠 间隔结束，然后循环上述过程。

4 实现与测试

本系统在实验室中进行了数据采集以及通信的试验。在 测试中，监测节点能够准确采集传感器的数据并通过 ZigBee 网络与上位机通信，当协调器故障重启后，监测节点能主动加 入新的 ZigBee 网络，保证有效的通信过程。电梯监控组态系 统如图 8 所示。三维营区界面如图 9 所示。

5 结 语

本文设计的基于物联网技术的营区电梯集中监控系统， 采用西门子 S7-200 PLC CPU 224XP 作为前端处理器，对电梯 运行的各种实时参数进行接收、处理，并将处理后的数据发 送至上位机，上位机通过电梯监控界面实时显示当前各电梯 的状态。采用该系统有利于营房部门提高营区内电梯养护、管 理的效率