基于无线传感器网络的楼层呼叫与层门自锁系统研究*

杨光祥，曹晓莉

（1.重庆工商大学计算机与信息工程学院，重庆 400067;2.电子商务及供应链系统重庆市重点实验室，重庆 400067）

0 引言

施工升降机广泛应用于高层建筑工地和桥梁施工工地［1］。在各种物料提升设备中，升降机是较有特色的一种。它工作效率高;载物时，适用于各种物品，不需要专门的吊具，也不需要对物料进行很多的包装处理。它的缺点是，在平层就位时，需要来回地启动升降电机以调整上下位置，增加了工人劳动强度，对设备造成了冲击。虽然可以引进电梯的控制方法，但对升降机而言，显得成本太高。并且施工过程中建筑物层高层数均在变化，电梯控制系统无法适应这种隔几天就要调整一次的状况。而且，对于高层建筑来说，工人进出升降机以往的方式通常是通过敲打标准节钢管的原始方式提示通知施工升降机操作人员在某层有工人进出施工升降机的需求。在施工升降机停靠某层后，位于建筑物侧的安全保护层门再打开，工人上下完毕后，需要将层门关闭，施工升降机才能够重新启动运行，在层门处于打开状态时，升降机是不能够运行的。针对这些需求，结合无线传感器网络（WSNs）的应用［2，3］，本文建立了一种楼层呼叫方法与层门自锁算法，设计了呼叫编码解码方法，开发了一种基于WSNs技术的低成本呼叫和层门自锁系统。该系统在使用操作上与电梯类似，但成本低，而且满足建筑工地楼层不断变化与环境恶劣的特点。

1 呼叫与层门系统总体结构

该系统的基本原理是:每层楼安装的呼叫器由工人进行按键呼叫，产生一个呼叫编码，通过315 MHz无线通信模块将信号发送至升降机，而升降机内部的接收装置收到信号后，将呼叫楼层的解码值显示于LED，由升降机操作人员控制电机停车。在停靠于某层目标位置后，该层的层门开关状态由呼叫器通过位于层门上的电磁铁锁芯检测，将状态值发送于接收装置，进而接收装置根据层门的开关状态决定是否可以允许升降机运行。

从结构上看，本系统由两部分组成:呼叫器、主控接收器。由各个不同楼层的呼叫器是WSNs的节点，主控接收器作为WSNs的协调器（coordinator），由多个呼叫器和一个主控接收器共同构成WSNs。

1.1 呼叫器与层门自锁结构

图1为呼叫器与层门之间的安装结构，层门锁芯为电磁铁锁芯，可通过呼叫器控制其通断，接近开关用于检测层门的打开和关闭状态。当层门处于打开状态时，接近开关不能够检测层门的接近状态，因此，呼叫器将层门的状态发送至主控接收装置，通过其切断施工升降机电机的接触器回路，使其不能够启动运行，实现了层门的自锁。

图1 呼叫器层门自锁结构Fig 1 Self-locking of safety door

1.2 传感器节点呼叫器模块结构

图2为呼叫器模块内部结构，工人通过呼叫按键发出呼叫信号;输入检测主要是检测层门接近开关信号;通过锁芯控制电路控制电磁铁锁芯的通断。

图2 呼叫器模块Fig 2 Caller module construction

无线通信模块选择TI公司的CC1101系列射频无线收发器芯片［4，5］。该芯片典型可用频率包括 315，433，868，915 MHz，可编程数据传输速率范围为0.6～600 kbps。

1.3 主控接收模块结构

图3为主控接收模块内部结构，键盘与显示提供人机接口;当层门没有关闭或者有工人进行呼叫时，通过告警模块输出告警提示音;继电器输出用于控制施工升降机电机的启停。

图3 主控接收模块Fig 3 Central control receiving module construction

2 呼叫编码方法

当各个楼层的工人需要使用升降机上下楼时，可以按该模块提供的按扭，一旦按扭信号触发，CPU就产生中断，启动发射电路。发射的楼层信号需要进行编码。接收模块收到PWM波形信号后，通过STM32的定时器或者用外部中断，然后软件处理。

发射电路用PWM的方式来发送数据，采用315 MHz频率的无线射频发射模块，发送信号是经过单片机编码的波形，并采用PWM信号方式进行发送;而且，呼叫模块同时通过接近开关检测本层层门的开关状态，并将开关状态编码通过发射电路发射到接收模块。

编码处理过程中，用宽高窄低代表高电平，用窄高宽低代表低电平，如图4所示。

图4 波形编码Fig 4 PWM encoding

因此，在发送和接收模块之间传输的信号应该是一串宽度不等脉冲（即PWM波形信号），接收模块输出的电平为5V，通过这样的方式进行解码处理，解码出实际的ASCII值（编码长度一般在一个字节），如10010111，然后与存储在ROM中的各个楼层编码ASCII值进行比较，通过比较查找出是哪一层楼使用了呼叫功能，然后通过LED显示楼层。

3 软件设计

该系统的基本原理是:每层楼安装的呼叫器由工人进行按键呼叫，产生一个呼叫编码，经过WSNs传输到接收器进行解码显示和判断。

对于层门的自锁功能是依靠检测层门的接近开关状态与呼叫器配合实现的，其流程图如图5。

呼叫器将呼叫按扭产生的呼叫信号编码后发送给主控接收器（或者主控接收器主动到达某层），电梯操作工人在到达该楼层后，由工人按下解锁按扭，则主控接收器将该信号发送给该层呼叫器，呼叫器打开电磁锁芯，工人可以进出电梯。同时，呼叫器根据检测到的接近开关信号将层门状态发送至主控接收器，由其切断电梯接触器回路的控制电源，使得电梯不能够启动。在工人进出电梯过程完毕后，工人关闭层门，由主控接收器发送关锁信号，呼叫器完成电磁锁芯的关闭控制。

图5 升降机呼叫接收控制流程Fig 5 Flow chart of calling and receiving control of lifter

如果有多个楼层同时按键，有呼叫功能，则接收模块根据先进先出（FIFO）的原则，首先处理最先按下按钮的呼叫信号并显示，其余的在队列中排队等候。

编码长度采用一个字节，可以容纳的总编码数（Code-Num）、实际呼叫楼层编码（CallingLayer）、功能编码数（Fun-Num）数分别为

本系统能够实际呼叫楼层最多采用99层。剩下的157个编码其中120个用于功能编码，主要是对每个楼层的层门关闭和打开状态以及其他设置参数进行存储，剩余部分37个编码保留。

4 实验结果

该系统成功运用于重庆市某33层的高层建筑工地。通过实验，得到编码的误码率指标如表1。

表1 误码率统计Tab 1 Bit error rate statistics

通过该表可以发现，随着同时参与呼叫的呼叫器数量增加，呼叫误码率也会增加，但对于一般的建筑工地，同时参与呼叫的楼层数远远小于实验数量，因此，可以满足实际需求。

5 结论

本文采用基于315 MHz频率的CC1101无线收发芯片，利用WSNs技术设计了楼层呼叫与层门自锁系统，设计了呼叫编解码方法。经过系统实际运行，呼叫距离能够达到300 m，并且误码率较低，能够满足建筑工地实际运行环境需要。

［1］牛余磊，艾明祥.施工升降机变频调速电路的防干扰措施［J］.建筑机械，2010（6）:92－93.

［2］Sheng Xiaohong，Hu Y H.Maximum likelihood multiple-source localization using acoustic energy measurements with wireless sensor networks［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2005，53（1）:44－53.

［3］魏雅川.无线传感器网络自适应声音目标定位算法［J］.传感技术学报，2010，23（3）:418 － 422.

［4］王 超.基于CC1110的井下无线传感器监测网络的设计与实现［J］.传感器与微系统，2010，29（9）:94 －96.

［5］Texas Instruments CC1101 Datasheet［EB/OL］.［2011—04—30］.http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc1101.pdf.