Monitoraggio Degli Impianti Di Sollevamento

IL MONITORAGGIO DEGLI IMPIANTI DI SOLLEVAMENTO

Ing.Ibrahim GULESIN I

MONITORAGGIO DEGLIIMPIANTI DI

SOLLEVAMENTOIng.Ibrahim GULESINL’ascensore è un impianto costituito da uncomplesso di componenti meccanici edapparecchi elettrici che devono essereprogettati ed installati secondo puntualistandard tecnici.

Ing.Ibrahim GULESIN

INDICE

INTRODUZIONE III

CAPITOLO 1IL MONITORAGGIO DEGLI IMPIANTI DI SOLLEVAMENTO1.1 L'ascensore 1

1.1.1 La manovra di un impianto ascensore 41.1.2 Quadro di manovra 51.1.3 La cabina e le porte 51.1.4 Il PLC e l'INVERTER 5

1.1.4.1Il PLC 6

1.1.4.2 L'INVERTER 61.1.5 La sensoristica 7

1.1.5.1 I sensori magnetici 71.1.5.2 Le fotocellule 12

1.2 Collegamenti QDM, tetto cabina, pulsantiera di piano 131.3 Il monitoraggio dei sistemi di sollevamento 16

1.3.1 Il sistema di monitoraggio della Del Bo 19

CAPITOLO 2

SISTEMA DI MONITORAGGIO WIRED2.1 Hardware 26

2.1.1 Funzionamento Master/Slave 27

2.2 Architettura del sistema wired 29

2.3 Protocollo Modbus 312.3.1 Formato dei messaggi 32

2.3.1.1 Formato dei caratteri 332.3.1.2 Indirizzo 33

2.3.1.3 Codice funzione 34

2.3.1.4 CRC16 342.3.1.5 Sincronizzazione dei messaggi 35

2.4 Le funzioni Modbus 35Read Outpu Registers(03)Preset Multiple Registers(16)

2.5 Gestione degli errori 372.5.1 Codici di eccezione 38

LA PROPOSTACAPITOLO 3

IMPLEMENTAZIONE DI UN SISTEMA DI MONITORAGGIO WIRELESS

3.1 La scelta dello standard di comunicazione 393.2 Lo standard IEEE 802.15.4 (Zigbee) 403.3 Caratteristiche tecniche 413.4 Topologia di rete 443.5 Formazione di una rete 46

Ing.Ibrahim GULESIN I

3.5.1 Formazione della rete a stella 463.5.2 Formazione della rete punto a punto 47

3.6 Il dispositivo EZ430-RF2480 473.6.1 CC2480 Target Board Design 483.6.2 eZ430 USB Emulator Board Design 483.6.3 eZ430 Battery Board Design 493.6.4 Le configurazioni 49

CAPITOLO 4SISTEMA DI COMUNICAZIONE ZIGBEE-MODBUS4.1 Architettura della rete WSN (Wireless Sensor Network) 51

4.1.1 Topologia rete WSN 524.2 Descrizione dei dispositivi componenti la rete WSN 55

4.2.1 Nodo End Device (NED) 554.2.2 Nodo Router (NR) 574.2.3 Nodo Coordinatore (NC) 58

4.3 Architettura hardware nodo Zigbee 604.4 Architettura firmware nodo Zigbee 62

4.4.1 Nodo trasduttore 634.4.3 Trasduttore segnali digitali sistema ascensore 634.4.4 Trasduttore segnali analogici sistema ascensore 64

CAPITOLO 5

CONCLUSIONI 66

BIBLIOGRAFIA 68

RINGRAZIAMENTI

Ing.Ibrahim GULESIN 1

CAPITOLO 1: IL MONITORAGGIO DEGLI IMPIANTI DI SOLLEVAMENTO

CAPITOLO 1

IL MONITORAGGIO DEGLI IMPIANTI DI

SOLLEVAMENTO

1.1 L'ascensore

L’ascensore è un impianto costituito da un complesso di componenti meccanici ed

apparecchi elettrici che devono essere progettati ed installati secondo puntuali standard

tecnici.

Tale complessità richiede att enti ed accurati studi da parte dei costruttori e dei

progettisti per mantenere gli standard costruttivi, qualitativi e di sicurezza richiesti dalle

norme di legge e di buona tecnica in vigore, quali le norme UNI EN 81/1 ed UNI EN

81/2. [Guerriero G., 2007]

Per proporre delle innovazioni in tale tipologie di impianti, si è reso necessario

un’analisi del loro funzionamento e dei loro singoli componenti.

Per ascensore si intende un apparecchio elevatore con installazione fissa che serve piani

definiti mediante una cabina che si sposta lungo guide rigide.

Gli ascensori o elevatori possono essere:

A fune

Oleodinamici



L'ascensore a fune è composto principalmente dai seguenti elementi: (figura 1.1)

1. Macchinario di sollevamento (detto anche argano)

2. Cabina passeggeri

3. Contrappeso (che ha funzioni anche di bilanciamento con conseguente riduzione

della potenza elettrica impegnata e dei consumi energetici)

4. Funi di trazione

5. Quadro elettrico di manovra

6. Dispositivi di sicurezza comprendenti: Limitatore di velocità, Paracadute.

Figura 1.1: Ascensore a fune



L'ascensore oleodinamico è composto principalmente dai seguenti elementi (figura 1.2):

1. Centralina idraulica

2. Cilindro e pistone

3. Cabina passeggeri

4. Quadro elettrico di manovra

5. Dispositivi di sicurezza comprendenti: Paracadute, Valvola di blocco.

Figura 1.2: Ascensore oleodinamico



I due azionamenti si differenziano nel modo con cui viene imposto il movimento. In un

ascensore a fune il macchinario di sollevamento trasmette il movimento alle funi che

reggono la cabina; il motore elettrico funziona in entrambe le direzioni di marcia: salita

e discesa.

In un ascensore oleodinamico la centralina idraulica aziona una pompa di tipo

volumetrico che immette un fluido (generalmente un olio con speciali additivi) che

muove il pistone permettendogli di fuoriuscire dal cilindro; in questo caso il motore

elettrico della pompa funziona quando la cabina va in salita poiché in discesa è la forza

di gravità a muoverla tramite l’azionamento di opportune valvole.

Una ulteriore definizione riguardo gli impianti destinato al trasporto solamente di

materiali, senza che vi sia la possibilità di accompagnamento umano, che sono definiti

montacarichi, e non sono soggetti alla Direttiva Ascensori 95/16/CE. [Campanella Lift

Service]

1.1.1 La manovra di un impianto ascensore

La manovra degli impianti è realizzata tramite pulsantiere poste in corrispondenza delle

porte ai piani e collocata in cabina.

Vi sono diversi sistemi di manovra con diverse tipologie di realizzazione.

I principali e più comuni tipi di manovra sono:

manovra con un solo pulsante di chiamata ai piani e pulsantiera universale in

cabina: un pulsante per ogni fermata più un pulsante di arresto ed un pulsante

per l'allarme;

manovra con due pulsanti per chiamata e rinvio al piano terra e pulsantiera

universale in cabina: oggi caduta in disuso per economia di esercizio;

manovra universale con pulsanti per tutte le chiamate sia in cabina che ai piani :

usata solo per montacarichi ed ascensori ad uso promiscuo;

manovra collettiva semplice: con pulsante di prenotazione ai piani e pulsantiera

universale di prenotazione in cabina;



manovra collettiva selettiva nelle due direzioni: con due pulsanti di prenotazione

ai piani per salire o scendere e pulsantiera universale di prenotazione in cabina;

manovra collettiva selettiva in una sola direzione : con pulsante di prenotazione

ai piani solo per scendere, o raramente solo per salire, e pulsantiera universale in

cabina per salire e scendere.

Tutte le manovre sono comandate dall'utente dell'ascensore premendo semplicemente

un pulsante che comunica al quadro di manovra posto in un vano motore in genere

situato al primo o all’ultimo piano dell’impianto.

1.1.2 Quadro di manovra

I quadri di manovra sono o tutti comandati a bassa tensione (24V) e quindi quasi tutti

azionati con corrente trasformata raddrizzata con trasformatori e raddrizzatori che

hanno un polo a terra

1.1.3 La cabina e le porte

Le porte della cabina possono essere azionate manualmente o elettricamente. La

funzione di messa a piano della cabina ne regola il funzionamento.

Nel caso di porte comandate elettricamente queste sono azionate automaticamente e

pilotate dal quadro di manovra che provvede:

all'apertura delle porte della cabina quando arriva al piano,

alla richiusura prima della partenza.

1.1.4 Il PLC e l'INVERTER

Tra i vari componenti del quadro elettrico di manovra ci sono il PLC e l'INVERTER

che svolgono le principali funzioni dell'intero sistema.

Questi dovranno essere in grado di aggiungere al vantaggio del risparmio d’energia una



serie di prestazioni qualitative quali: gradevole comfort nelle fasi di partenza, corsa e

arrivo della cabina anche per velocità elevate, silenziosità assoluta, precisione di arrivo

al piano. Dovranno altresì includere alcune nuove funzionalità firmware ritagliate su

esigenze ormai molto diffuse, quali la gestione del piano corto, il recupero della cabina

in caso di mancanza di tensione, il controllo accurato del freno, ecc.

Il sistema PLC è in realtà una logica programmabile e può essere sempre riprogrammato

ed ottimizzato per ogni tipo di manovra richiesta. Il modello di PLC che si utilizzerà è

espandibile nel numero di punti di ingressi ed uscite.

1.1.4.1 IL PLC

Il PLC è dotato di:

porta seriale per collegarlo direttamente ad un sistema di elaborazione del tipo

PC o per rendere l’impianto autonomo nel segnalare anomalie o dati di

funzionamento, per esempio tramite invio di messaggi SMS su telefoni cellulari,

interfaccia seriale per visualizzatore uomo/macchina che permette di gestire la

diagnostica, di monitorare i parametri fissi e di modificare dei parametri

variabili (temporizzatori, contatori, ecc.).

Grazie ai moduli integrati sulla scheda PLC, è possibile controllare tutti gli input/output

dell’ascensore, dalle chiamate ai piani, ai finecorsa, alle lampade di segnalazione.

La logica programmabile e la memoria del PLC consentono di gestire priorità e

memoria delle chiamate o il riposizionamento della cabina al piano “storicamente” più

conveniente dopo periodo di inutilizzo.

1.1.4.2 L'INVERTER



Nello specifico, l’INVERTER è applicato all’argano tradizionale già installato e

generalmente equipaggiato di motore AC per trasformarlo da velocità fissa a velocità

variabile.

1.1.5 LA SENSORISTICA

La sensoristica adottata sugli impianti di sollevamento serve ad acquisire dati sullo stato

della cabina; in particolar modo vengono utilizzati:

i sensori magnetici, che servono a dare una logica di partenza e di fermata a

piano della cabina;

le fotocellule per la gestione delle porte della cabina.

1.1.5.1 I sensori magnetici

I magneti utilizzati in campo ascensoristico sono in plastoferrite e sono utilizzati

dimensioni differenti secondo gli usi e le distanze di attivazione che si vogliono

ottenere.

In particolare sono utilizzati spessori da 6 a 8 mm, larghezze di 15 o 20 mm e lunghezze

variabili da 80 mm a più di 1 m; per il sensore bistabile (sensori che lavorano con

magneti con doppio polo: nord e sud) il discorso è leggermente differente in quanto il

magnete, se in plastoferrite, deve avere sulla stessa faccia le due polarità, mentre se è in

ferrite ha forma di anello e ne servono due posti a circa 5 cm di distanza l’uno dall’altro.

Il bistabile infatti deve solo commutare e non ha bisogno di una plastoferrite

particolarmente lunga; la lunghezza classica è di 80 mm.

Esempi di magneti per sensori monostabili (sensori che lavorano con magneti con unico

polo: nord o sud) in plastoferrite (figura 1.3); per i sensori con contatto reed non è

importante la polarità che viene posta in fronte al sensore. La plastoferrite essendo

flessibile e morbida, si aggancia grazie al suo magnetismo alla guida e non scivola sia

grazie al campo magnetico sia grazie all’attrito tra la plastica e la guida stessa; con il

tempo questo effetto viene aumentato tanto che, dopo alcuni anni, la plastoferrite appare

quasi incollata alla guida stessa (Esempio 1-2). [STEM s.r.l.]



Figura 1.3: Due esempi di magneti inplastoferrite

Il sensore N.O. (normalmente aperto)chiude il contatto solo in presenza delmagnete, e continua a mantenere il segnalef ino a qua nd o re s t a in f ron te aquest’ultimo. Prima e dopo il contatto èinvece aperto.

Il sensore N.C.(normalmente chiuso) apreil contatto solo in presenza del magnete, econtinua a restare aperto fino a quandoresta di fronte a quest’ultimo. Prima edopo il contatto è invece chiuso.

Il discorso si ripete nel caso in cui si vogliamo utilizzare i magneti in ferrite (figura 1.4),

materiale con maggior flusso magnetico e quindi con possibilità di avere dimensioni

minori. Il vantaggio di utilizzare questa soluzione risiede nella possibilità di trovare, in



corrispondenza del punto in cui è necessario posizionare i magneti del bistabile, dei

bulloni di fissaggio della guida; in questo caso può essere necessario avere due magneti

singoli al posto di un unico magnete in plastoferrite più lungo. La disposizione dei due

magneti in ferrite deve essere compatibile con quella precedentemente illustrata (figura

1.3).

Figura 1.4:Magneti in ferrite

Il sensore BISTABILE chiude il suo contatto solo in presenza della polarità SUD del

magnete, e continua a mantenere il segnale anche in assenza del magnete. Il contatto si

riapre in presenza della polarità NORD del magnete e resta aperto anche in assenza del

magnete. (figura 1.5)

Figura 1.5: Funzionamento magneti in ferrite

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Per la fermata al piano tutti e 3 i sensori monostabili devono essere attivi

contemporaneamente. (figura 1.6)

Figura 1.6: Allineamento sensori per lafermata al piano

La disposizione delle prime due plastoferriti sfalsate tra di loro permette il

riallineamento al piano della cabina quando questa è ferma al piano desiderato. La

figura 1.7 riguarda lo spostamento della cabina verso il basso quando questa ha le porte

aperte: il pavimento della cabina non è più allineato con quello del piano, il primo

sensore esce dal campo magnetico della plastoferrite e si disattiva, il pannello di

controllo farà quindi in modo di riportare la cabina alla giusta posizione aumentando la

potenza al motore. Cosa analoga se la cabina dovesse alzarsi al posto di abbassarsi, il

sensore che si disattiverà sarà questa volta il secondo.

Figura 1.7: Avanzamento versoil basso della cabina

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Questo tipo di fenomeno è molto frequente soprattutto sugli impianti oleodinamici

mentre è meno sentito in quelli a fune. La terza plastoferrite garantisce la sicurezza

fornendo un segnale aggiuntivo ridondante rispetto ai primi due.

Le plastoferriti di dimensioni più contenute tra un piano e l’altro permettono

l’attivazione selettiva di uno dei primi due monostabili quando la cabina è in

movimento di salita (generalmente il primo) o di discesa (generalmente il secondo).

Esse forniscono il comando alla cabina [STEM s.r.l.]:

di accelerare se essa è appena ripartita da un piano

di decelerare in prossimità del piano di arrivo. (figura 1.8)

Figura 1.8: Piste dedicate a 3 monostabili

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Figura 1.9: Esempio di sensori montati

In figura 1.9 sono raffigurati i possibili montaggi dei sensori magnetici sul tetto cabina

che leggono i magneti posti lungo la guida della cabina.

1.1.5.2 Le fotocellule

I sensori sono montati sulle porte di cabina (figura 1.1 0)e rilasciano il consenso al

movimento delle stesse, quando non c’è presenza di persone nella zona di chiusura.

Figura 1.10: Coppia di fotocellule

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1.2 Collegamenti QDM, tetto cabina, pulsantiera di piano

Per quanto detto in precedenza il quadro di manovra è il cervello dell'intero impianto

dell'ascensore.

Si vedrà come questi due organi principali possono dar vita ad un sistema elettro-

meccanico di un ascensore.

Tutte le segnalazioni che si avvertono dall'utente convergono al PLC il quale, mediante

una sua logica interna, provvede ad eseguire i comandi inviando disposizioni

all'INVERTER oppure ai vari apparati collegati alle uscite del PLC.

Si potrà schematizzare in modo sistemistico (figura 1.11) la funzione del PLC e

dell'INVERTER in base ai parametri di I/O ricevuti dall'impianto.

Figura 1.11: Interconnessioni PLC - INVERTER

Ingressi:

lettura vano (stato posizione cabina),

sicurezze (stato in sicurezza dell'ascensore per poter partire),

chiamate (chiamata utente ad un piano)

SICUREZZE

CHIAMATE

LETTURAVANO

SEGNALAZIONE

MOTOREPORTE

PLC INVERTER

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Uscite:

segnalazione (quelle al display che riportano la visualizzazione del piano),

motore porte (apertura e chiusura porta cabina),

INVERTER che gestisce il motore per la salita e la discesa della cabina.

In eventuali condizioni in cui ci siano bisogno di più ingressi ed uscite al PLC, verranno

adottate delle espansioni di I/O.

Il PLC comunica con i suoi dispositivi di I/O mediante protocollo Modbus e permane

nello stato di interrogazione (figura 1.12) fin quando riceve i dati dall'esterno attraverso

gli input (figura 1.13)

PLC I/O

Figura 1.12: PLC interroga il dispositivo di I/O

Figura 1.13: PLC preleva dal dispositivo di I/O il segnale di input

Nel caso di manovra collettiva selettiva nelle due direzioni , si programma il software

del PLC in modo da contraddistinguere la prenotazione di chiamata al piano se è

relativa alla salita o alla discesa.

In questo caso, ai piani intermedi, tra il primo e l'ultimo, si presentano pulsantiere con

doppio pulsante (la salita o la discesa).

La figura 1.14 mostra le possibili pulsantiere che si possono trovare ai piani.

PLC I/O Segnali diInput

segnalazione,motore porte,

inverter

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La pulsantiera con questi due pulsanti (che si trova ai vari piani

tranne che al primo ed all'ultimo) permette la prenotazione di

chiamata dell'ascensore per la salita o la discesa e di essere servita

in base al senso di marcia che al momento l'ascensore sta

effettuando

La pulsantiera con questo solo pulsante si trova unicamente al piano

più basso per prenotare la chiamata in salita

La pulsantiera con questo solo pulsante si trova unicamente al piano

più alto per prenotare la chiamata in salita

Figura 1.14: Pulsantiere di piano

Per tale motivo gli ingressi al PLC derivanti dalle chiamate di piano sono suddivisi in

due gruppi: prenotazione di salita e quella di discesa per ogni piano. Per cui si avrà in

linea di principio una situazione come mostrata in figura 1.15

PLC

UP

N. PIANO

DOWN

Figura 1.15: Richiesta di prenotazione chiamata dapulsantiera di piano

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1 . 3 I L M O N I T O R A G G I O D E I S I S T E M I D I

SOLLEVAMENTO

Il sistema di monitoraggio per gli impianti di sollevamento è un sistema che ha

l’obiettivo di gestire e monitorare a distanza questo servizio attraverso un centro di

controllo, con particolare attenzione, ma non solo, agli aspetti di diagnosi e di sicurezza

degli ascensori e degli impianti di sollevamento attraverso l’utilizzo di software per la

previsione dei livelli di sicurezza e di affidabilità/disponibilità degli impianti. Esso può

inoltre essere considerato come un sistema intelligente da poter utilizzare con successo

come un efficace e robusto strumento decisionale a supporto della gestione delle attività

manutentive. [Magee, G. H., 1998]

Con questa tipologia di sistemi è possibile seguire, anche per quanto riguarda il servizio

degli ascensori, il trend degli ultimi anni che coinvolge sempre più spesso il fornitore

all’interno del processo affidandogli il service globale delle installazioni.

È chiaro, quindi, che la possibilità di verificare il funzionamento di una macchina o di

un impianto rappresenta un problema importante per le imprese che ne sono. A tale

logica sono soggetti non solo gli impianti spesso dedicati ad uso civile come ascensori,

scale mobili ecc, ma tutti gli impianti di sollevamento ad uso industriale.

La necessità di fornire assistenza in remoto ha posto le basi per lo sviluppo di soluzioni

nell’ambito di sistemi telematici per la gestione di questo servizio, a partire dalla

telemanutenzione, per la sua natura di servizio “hard”. Questi sistemi operano attraverso

le stesse attività che sono oggetto della gestione tradizionale, ma con la caratteristica di

poter operare a distanza o, quantomeno, di ricevere assistenza da siti remoti. I nuovi

sistemi di monitoraggio consentono al gestore della macchina di avere le “informazioni

utili”, al momento “giusto”, per una precisa analisi, in tempo reale e senza dover

presidiare costantemente tutti gli impianti distribuiti sul territorio con evidenti risparmi

di risorse e di costi.

Da un punto di vista tecnologico, questi sistemi di monitoraggio, utilizzano sensori di

vario tipo installati sugli impianti; i dati rilevati da questi ultimi vengono inviati tramite

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opportuni sistemi di trasmissione a delle centrali, che raccolgono e utilizzano questi dati

per effettuare diagnosi circa lo stato del servizio. In particolare, il monitoraggio

permette una manutenzione in una logica di tipo predittivo: consente cioè, di formulare

delle ipotesi sul ciclo di vita di qualsiasi componente e, in un secondo momento, la

pianificazione razionale degli interventi manutentivi, rientrando così in un logica

preventiva, volta a garantire il massimo livello di sicurezza, affidabilità e disponibilità

dell’impianto e quindi del servizio. Questo perché le azioni di pianificazione e,

successivamente, di controllo per la gestione e manutenzione del servizio ascensori

sono rese complicate dal fatto che gli impianti sono spesso dislocati sul territorio

urbano, ove lo spostamento delle squadre di intervento è reso maggiormente difficile

dalle distanze e dal traffico veicolare.

Al fine di rendere più efficaci le azioni gestionali e manutentive, in particolare rendendo

più tempestivi gli interventi, o, addirittura, prevenendo il verificarsi di guasti, un

sistema di gestione a distanza consente la rilevazione, registrazione, analisi ed

elaborazione a distanza di grandezze significative relativamente al funzionamento degli

impianti. [Fedele L., Cuccioletta R., Concetti M., 2005]

Lo sviluppo del sistema intelligente di gestione e l’applicazione dello stesso agli

impianti di sollevamento distribuiti sul territorio, trova la sua origine scientifica nei

concetti elaborati nell’ambito dell’ingegneria dei sistemi complessi. Conseguentemente

l’approccio, che ha determinato i risultati di seguito esposti, ha perseguito il desiderio di

trasformare l’impianto tecnologico ascensore in un impianto in grado di “apprendere” e

di migliorare la propria efficienza funzionale, e quindi dotato di memoria.

Questo sistema intelligente, consente:

di uniformare i giudizi sullo stato degli impianti prescindendo dalle tipologie e

dalla loro locazione,

di massimizzare le prestazioni del servizio ascensori e degli impianti e di

minimizzarne i costi di gestione, di fermo e di manutenzione,

di supportare ed ottimizzare la pianificazione e la programmazione degli

interventi,

di monitorare e migliorare il livello di sicurezza e di affidabilità degli impianti.

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In ultima analisi, questa innovazione consente di migliorare il livello di servizio

diminuendo al contempo i costi di fruizione e di manutenzione.

Inoltre, attraverso il sistema:

l’utente non è mai solo in ascensore, poiché il sistema vigila costantemente sul

funzionamento dell’impianto anche in situazioni di black-out generalizzati,

consentendo in caso di bisogno, una efficace rassicurazione del passeggero ed

un pronto intervento di soccorso, grazie al monitoraggio in tempo reale, o,

addirittura,

il tecnico intervenendo su problemi già ben individuati e segnalati dalla

diagnostica del sistema, è in grado di intervenire in maniera mirata, anche nei

casi di guasti intermittenti e risolve il caso al primo intervento evitando quindi il

ripetersi delle situazioni di guasto,

è possibile rilevare eventuali usi impropri dell’ascensore consentendo, da un

lato, interventi mirati per realizzare economie di gestione e miglioramenti nella

gestione del traffico passeggeri e fornendo, dall’altro, importanti indicazioni al

servizio di sicurezza.

Figura 1.16: Schema del sistema di gestione intelligente del servizioascensori o impianti di sollevamento

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Il sistema di monitoraggio può essere utilizzato:

sia tramite linea telefonica (per la gestione in remoto)

sia tramite rete locale (per la gestione in locale)

Le principali funzioni supportate dal sistema sono:

Gestione database: contenente i dati relativi agli impianti monitorati (indirizzo,

dati tecnici impianto, storico chiamate ...).

Gestione chiamate: il software gestisce tutte le chiamate in arrivo da impianti

guasti in modalità automatica o manuale.

Visualizzazione impianti: visualizzazione sul monitor degli impianti monitorati

in gruppi di n alla volta.

Dettagli impianti: possibilità di effettuare un controllo approfondito sul

funzionamento di ogni impianto visualizzando lo stato di tutti gli ingressi, uscite,

chiamate, parametri di programmazione e lista guasti.

Riporto al piano: possibilità di effettuare a distanza un tentativo di riporto al

piano sottostante per le cabine ferme fuori piano con porte chiuse.

Comando relè: possibilità di abilitare a distanza fino ad n uscite per scopi

generici.

Check impianti: controllo automatico di tutti gli impianti monitorati in giorni

prefissati.

1.3.1 IL SISTEMA DI MONITORAGGIO DELLA DEL BO

L'azienda Del Bo dispone di un dispositivo di telemonitoraggio per gli impianti di

ascensore denominato Lift Supervisor (LS).

Esso è basato su una rete di concentratori OTB (figura 1.17) che sono dei PLC semi

intelligenti (cioè in assenza di collegamento con il Master non c’è autogestione locale

ma mantiene gli ultimi stati dell’uscita).

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Ogni dispositivo OTB è posto a monte di ogni singolo impianto prelevandone i dati dal

Master ed inviandoli ad un computer di supervisione.

Ogni modulo OTB dispone di:

12 ingressi digitali

6 uscite relé

2 uscite transistor di logico positiva(source)

Un morsetto d’alimentazione a 24VDC

Connettore RJ45 dedicato al bus di comunicazione ethernet.

Visualizzazione con LED di segnalazione dello stato della comunicazione e

dello stato degli input/output

I moduli d'espansione permettono di estendere le funzionalità del modulo OTB nel

limite di restrizioni enunciate qui di seguito:

1. il modulo OTB accetta fino a 7 moduli d'espansione degli I/O digitali:

Ingressi digitali max. (modulo di I/O + espansioni degli I/O) 236 ingressi

Uscite digitali max. (modulo I/O + espansioni degli I/O) 232 Uscite

I/O digitali max(modulo I/O + espansioni degli I/O) 244 I/O

Punti di relè max. (modulo I/O + espansioni degli I/O) 102 relé

Ingressi analogici 24

Uscite analogiche 24

Max. collegamenti alla rete n x 244

Associazione ingressi alle relativi uscita avviene tramite il Software di

supervisione LS

Associazione vari tipi di sensori agli ingressi programmabile (LS)

Comunicazione Ethernet con il cavo RJ45 o tramite Wireless IEEE

802.11 (Wi-Fi)

2. il numero di canali analogici dello stesso tipo

3. il consumo totale dei moduli di espansione deve essere inferiore a 450 mA.

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Figura 1.17: Rete di concentratori OTB a monte di ogni impianto

Il software di Gestione OTB (presente sul computer supervisore) è specificatamente

destinato all’analisi e memorizzazione di dati provenienti dal campo di acquisizione e

inerenti a sistemi di

automazione,

manutenzione

sistemi di sicurezza.

Le sue caratteristiche funzionali riflettono, quindi, questo genere di compito nella

tipologia di gestione dei segnali acquisiti.

Gli eventi acquisiti dalle interfacce di campo sono letti ed interpretati secondo un ordine

di priorità stabilito come segue:

1. Assenza di collegamento con l’interfaccia.

2. Lettura ingressi digitali On/Off programmabili.

3. Scrittura uscita nel concentratore.

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4. Lettura ingressi analogici(Corrente, voltaggio, termico, ecc...).

5. Ricezione e trasmissione comandi verso le uscite programmabili.

6. Gestione allarmi in modo locale o tramite comando del master.

L'interfaccia OTB o si inserisce nel quadro elettrico di manovra (figura 1.18) o nella

scatola di derivazione 200x200x100 con alimentatore 24 Vdc da 1,6A.

Figura 1.18: OTB nel QDM

Quando si inserisce un nuovo modulo OTB in rete, viene segnato il suo indirizzo IP

(Internet Protocol) in un file excel "Indirizzi IP.xls" (figura 1.19)

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Esistono tre tipi di dispositivi OTB (figura 1.20) a seconda del tipo di rete realizzato:

CAN Open

Modbus

Ethernet

Figura 1.20: Tipologia di OTB

Figura 1.19: Settaggio IP OTB

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L'azienda Del Bo utilizza OTB Modbus (figura 1.21)

Figura 1.21: OTB Modbus

Il sistema Lift Supervisor si basa su tre sistemi operanti in cascata:

1. Il sistema di Misura: sono utilizzati n sottosistemi che permettono l’acquisizione

dati da semplici sensori analogici o l’interfacciamento con dispositivi più

complessi, come il Modbus.

2. Il sistema di Trasmissione: permette di trasferire in centrale parte dei dati

acquisiti dal sistema di Misura.

3. Il sistema di Gestione e Diagnostica: in base ai dati ricevuti, è in grado di

riscontrare eventuali anomalie. Quest’ultimo crea un database delle anomalie.

Dalla valutazione del database delle anomalie, è possibile effettuare una

diagnosi predittiva dell’eventuale problema, prevedendo un’eventuale guasto o

malfunzionamento futuro.

La comunicazione tra l'OTB con il Centro di Elaborazione Dati (CED) è di tipo

bidirezionale: ogni 72 ore il Modulo invia un SMS oppure uno squillo al CED per la

verifica di un corretto funzionamento e, allo stesso tempo, il CED può richiedere

informazioni che saranno fornite dai dati immagazzinati nel Master.

Le principali funzionalità da monitorare sono:

condizione di porta aperta / chiusa;

allarme;

presenza al piano;

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ascensore in movimento;

fotocellula;

fuori servizio;

mancanza di tensione;

extra corsa.

Attualmente l'azienda Del Bo sta sviluppando un sistema di teleallarme per impianti

elevatori.

Tale sistema, in conformità con l'attuale normativa nazionale ed internazionale

(Direttiva Ascensori 95/16/CE e norma UNI EN 81-1, UNI EN 81-2), consente, inoltre,

di effettuare funzioni di telemonitoraggio e diagnostica degli impianti in tempo reale e

da remoto.

CAPITOLO 2: SISTEMA DI MONITORAGGIO WIRED


CAPITOLO 2

SISTEMA DI MONITORAGGIO WIRED

Nel primo capitolo è stato descritto in generale un impianto di sollevamento. In questo

capitolo è descritto il sistema di comunicazione seriale progettato dalla società Del Bo.

L'obiettivo dell'azienda è quello di eliminare la maggior parte dei cavi dell'impianto

adottando un sistema di comunicazione innovativo utilizzando la semplice trasmissione

seriale dai sensori distribuiti sull’impianto (essenzialmente cabina e piani).

2.1 HARDWARE

Il sistema si basa su una scheda elettronica da interfacciare con le diverse tipologie di

quadro elettrico di manovra esistenti nel campo ascensoristico.

A tale scheda saranno connessi tutti i dispositivi dell'ascensore, come descritto nel

paragrafo 2.1.1.

Essa si basa sul microcontrollore PIC16F877A e sul driver MAX485 per la

comunicazione TX/RX a lunga distanza.

Il modulo realizzato si compone di due schede, una mainboard costituita da:

24 I/O, per poter collegare i dispositivi dell'impianto;

connettore per espansione, per poter collegare la scheda di espansione degli I/O;

connettore per nodo Zigbee;

connettore seriale, per interconnettere le altre schede;

connettore per comunicazione con PC a livello TTL, per eventuali controlli;

led per permettere la visualizzazione dei dati che viaggiano sulla seriale

ed una daughter board utile all’espansione di ulteriori 16 I/O.



Tutti gli I/O sono 0 - 24V.

Figura 2.1: Mainboard Modbus-Zigbee con espansione I/O

Poiché il protocollo Modbus utilizza la modalità Master/Slave per la comunicazione,

questa scheda sarà utilizzata sia come Master (sul quadro di manovra), sia come Slave

(sugli altri apparati dell'impianto dove convergeranno i segnali da acquisire).

2.1.1 FUNZIONAMENTO MASTER/SLAVE

Si analizza nel seguito il funzionamento della scheda in base alla sua configurazione

Master o Slave.

IN

OUTSERIAL OUT

IN

MAX485

TT

PIC

ESPANSION

ESPANSION

LED

IN

ZIGBEE

OUT



Master

Il Master ha la funzione di acquisire i dati dalla rete interrogando gli Slaves ed inviarli

al PLC.

All’inizio della ricezione il Master:

analizza il pacchetto di dati trasmessi;

se i dati inviati non sono riconosciuti allora vengono scartati;

altrimenti, per essere sicuro che non ci siano errori di trasmissione in linea, viene

effettuato il controllo del CRC-Modbus, se questo CRC non è esatto viene

scartato tutto il pacchetto appena ricevuto e si aspetta che il Master esegua un

secondo tentativo di comunicazione.

Il Master svolge una funzione centrale del sistema di comunicazione in quanto è

collegato da una parte col PLC (parallela) e dall'altra con gli Slaves (seriale RS485).

(figura 2.2)

PLC Master Slave

Figura 2.2: Connessione Master

Slave

Lo Slave ha la funzione di monitorare e acquisire tutti i segnali derivanti dall'impianto

(figura 2.3) ed in particolar modo quelli dal tetto cabina e dalle pulsantiere di piano:

pulsantiera (sia della cabina che quella di piano)

segnalazione

lettura vano

seriale RS485

parallela



sensori magnetici

motore porte

Acquisiti i dati di campo, lo Slave:

memorizza lo stato ed il tipo di evento letto

esegue localmente un'analisi sulla base delle informazioni ricevute

procede ad una eventuale esecuzione

Infine i dati appena ricevuti sono trasmessi al Master, previa interrogazione da parte del

Master stesso.

2.2 ARCHITETTURA DEL SISTEMA WIRED

La comunicazione Master/Slave avviene in half duplex (figura 2.3) in cui solo il Master

può iniziare il colloquio con gli Slaves e sarà del tipo

domanda/risposta: un solo slave indirizzato

broadcast: indirizzando il messaggio a tutti gli Slaves (indirizzo 0) senza

ottenere alcuna risposta.

È tuttora in corso lo studio per il monitoraggio e l’acquisizione dei segnali provenienti

dai vari dispositivi dell'ascensore (vedi capitolo 1) e da convogliare alla scheda Slave,

che memorizzerà in un suo registro MCU le informazioni successivamente prelevate dal

Master attraverso il protocollo di comunicazione Modbus.

Questo pacchetto dati verrà acquisito dal Master ed inviato al PLC che provvederà o

meno all'esecuzione di un'operazione.



Figura 2.3: Collegamento seriale QDM, pulsantiere di piano, tetto cabina

In figura 2.3 è illustrato schematicamente il funzionamento nel caso di una

configurazione con un Master e quattro Slaves:

Master collegato al PLC nel QDM;

tre Slaves collegati alle pulsantiere di piano con le segnalazioni;

uno Slave collegato sul tetto cabina.

Il Master, dunque, interrogherà ciclicamente ogni singolo Slave in attesa di un pacchetto

dati, anche se non si sono verificati eventi esterni a modificare lo stato di un dispositivo.

Il Master interrogherà a partire dal primo Slaves collegato sulla prima pulsantiera di

piano continuando poi ad interrogare le successive schede fino a ricominciare dalla

prima installata sulla prima pulsantiera (figura 2.4)

PLC

QDM



Figura 2.4: Interrogazione ciclica

Nel successivo paragrafo si descrive il protocollo di comunicazione Modbus in modo da

comprendere più adeguatamente il monitoraggio sull'impianto tra Master e Slave.

2.3 PROTOCOLLO MODBUS

Modbus è uno standard industriale per la comunicazione dei dispositivi di automazione

ed è un protocollo di tipo richiesta/risposta che offre dei servizi specificati da function

codes.

Il protocollo Modbus su linea seriale, esiste in due tipologie:

Modbus ASCII

Modbus RTU.

Il modo ASCII prevede che tutti i caratteri che trasportano informazioni tra

un’apparecchiatura e l’altra siano convertiti in caratteri ASCII, in modo da lasciare dei

caratteri di controllo per definire l’inizio e la fine di un frame: questo comporta un

sostanziale incremento della quantità di byte da trasmettere da un’apparecchiatura

all’altra, con conseguente aumento del tempo di comunicazione.

PULSANTIEREDI PIANO2

MASTER

1

3

CAB INA 4



Per ovviare a ciò è stato introdotto il Modbus RTU [Schiavini M., 2008].

Il Modbus RTU è un protocollo binario nel quale tutti i 256 valori di un byte

trasmettono informazioni. L’inizio e la fine del frame avviene rilevando i tempi di pausa

tra un frame e l’altro e tra un carattere e l’altro.

In questo modo, tutti i dati possono essere trasmessi senza subire conversioni in ASCII:

il numero di byte per ogni frame è notevolmente ridotto quindi ne risulta una

comunicazione più veloce.

II protocollo Modbus definisce il formato e la modalità di comunicazione tra un

"Master" che gestisce il sistema ed uno o più "Slave" che rispondono alle interrogazioni

del Master.

Si possono connettere un Master e fino a 247 Slave su una linea comune (limite logico

del protocollo), l'interfaccia fisica può peraltro limitare ulteriormente il numero di

dispositivi, per esempio l'interfaccia standard RS-485 prevede un massimo di 31 slave

connessi alla linea.

Sostituendo l'ultimo elemento della linea con un apposito "bridge o ripetitore", si

possono connettere altri 31 slave e cosi via, sino al raggiungimento del numero

massimo logico di dispositivi applicati.

Il protocollo Modbus funziona essenzialmente rispettando le seguenti principali regole:

Solo il master può iniziare una transazione;

Una transazione può avere il formato domanda/risposta diretta ad un singolo

slave o broadcast in cui il messaggio viene inviato a tutti i dispositivi sulla linea

che non danno risposta.

Una transazione è composta da una struttura singola domanda/singola risposta o

una struttura singolo messaggio broadcast/nessuna risposta.

2.3.1 FORMATO DEI MESSAGGI

La comunicazione in Modbus avviene tramite un pacchetto dati così composto (figura

2.5):

8 bit di indirizzo del dispositivo con cui il Master ha stabilito la transazione;



8 bit di codice della funzione che deve essere o è stata eseguita;

Nx8 bit di dati che devono essere scambiati, con N si descrive il numero di byte;

16 bit per il controllo d'errore composto secondo l'algoritmo CRC 16.

Figura 2.5: Messaggio Modbus

Se un dispositivo individua un errore nel messaggio ricevuto (di formato, di parità o nel

CRC16) il messaggio è considerato non valido ed è scartato; uno slave che rileva un

errore nel messaggio quindi non eseguirà l'azione e non risponderà alla richiesta, così

come se l'indirizzo non corrispondesse ad alcun dispositivo in linea.

2.3.1.1 FORMATO DEI CARATTERI

Generalmente i dispositivi che adottano il protocollo Modbus utilizzano il formato 8, N,

1 (8 bit di dati, senza alcun controllo di parità e con 1 bit di stop).

2.3.1.2 INDIRIZZO

Le transazioni Modbus coinvolgono sempre il Master, che gestisce la linea, ed uno

Slave per volta (tranne nel caso di messaggi broadcast).

Per identificare il destinatario del messaggio, viene trasmesso come primo carattere un

byte che contiene l'indirizzo numerico del dispositivo slave con cui comunicare.

Ciascuno degli Slave quindi avrà assegnato un diverso indirizzo che lo identificherà

univocamente: gli indirizzi ammissibili sono da 1 a 247.

L'indirizzo 0, che non può essere assegnato ad uno Slave, posto in testa al messaggio

trasmesso dal Master, indica che questo è "broadcast", cioè diretto a tutti gli Slave

contemporaneamente.



Possono essere trasmessi come broadcast solo messaggi che non richiedono risposta per

espletare la loro funzione, quindi solo le assegnazioni.

2.3.1.3 CODICE FUNZIONE

II secondo carattere del messaggio identifica la funzione che deve essere eseguita dallo

slave il quale risponde a sua volta con lo stesso codice ad indicare che la funzione è

stata eseguita. [Schiavini M., 2008]

Comunemente le funzioni Modbus più utilizzate sono quelle riportate di seguito in

tabella 2.1

FUNZIONE DESCRIZIONE

01 Read Coil Status

02 Read Input Status

03 Read Holding Registers

04 Read Input Registers

05 Force Single Coil

06 Preset Single Register

07 Read Status

15 Force Multiple Coils

16 Preset Multiple Registers

Tabella 2.1: function codes

2.3.1.4 CRC16

Gli ultimi due caratteri del messaggio contengono il codice di ridondanza ciclica

(Cyclic Redundancy Check) calcolato secondo l'algoritmo CRC16.(figura 2.5)

[Schiavini M., 2008]



2.3.1.5 SINCRONIZZAZIONE DEI MESSAGGI

La sincronizzazione del messaggio tra trasmettitore e ricevitore è ottenuta interponendo

una pausa tra i messaggi pari ad almeno 3.5 volte il tempo di un carattere.

Se il dispositivo ricevente non riceve per un tempo di 3,5 caratteri, ritiene completato il

messaggio precedente e considera che il successivo byte ricevuto sarà il primo di un

nuovo messaggio e quindi un indirizzo.

2.4 LE FUNZIONI MODBUS

Le funzioni di lettura e scrittura del protocollo Modbus sono state formulate per

adattarsi alle più svariate applicazioni in ambito industriale.

Di seguito saranno riportate le funzioni Modbus implementate nel sistema di

comunicazione adottato dall’azienda.

Read Output Registers (03)

Questa funzione permette di richiedere il valore di registri a 16 bit (word) contenenti

variabili numeriche.

Il modo broadcast non è permesso.

Domanda

Figura 2.6: Tempi di trasmissione RTU



Oltre all'indirizzo dello slave ed al codice funzione (03) il messaggio contiene

l'indirizzo di partenza (starting Address) espresso su due byte ed il numero di word da

leggere anch'esso su due byte.

Il numero massimo di word che possono essere lette è 125.

La numerazione degli indirizzi parte da zero (word1= 0) per il Modbus.

Esempio: Richiesta di lettura dallo slave 25 dei registri da 069 a 0071.

ADDR FUNC DATAstart

Addr HI

DATAstart

Addr LO

DATAbit #HI

DATAbit #LO

CRCHI

CRCLO

19 03 00 44 00 03 46 06

Tabella 2.2

Risposta

Oltre all'indirizzo dello slave e al codice funzione (03) il messaggio comprende un

carattere che contiene il numero di byte di dati ed i caratteri contenenti i dati.

I registri richiedono due byte ciascuno, il primo dei quali contiene la parte più

significativa.

Esempio: Risposta alla richiesta sopra riportata.

ADDR FUNC DATAbyte

count

DATAbyte

69 HI

DATAbyte

69 LO

DATAbyte

70 HI

DATAbyte

70 LO

DATAbyte

71 HI

DATAbyte

71 LO

CRCHI

CRCLO

19 03 06 02 2B 00 00 00 64 AF 7A

Tabella 2.3

Preset Multiple Registers (16)

Questa funzione permette di impostare il valore di un blocco consecutivo di registri a 16

bit.

Il modo broadcast è permesso.

Domanda



Oltre all'indirizzo dello slave e al codice funzione (16) il messaggio contiene l'indirizzo

dipartenza (starting Address), il numero di word da scrivere, il numero di byte che

contengono idati e i caratteri di dati. La numerazione degli indirizzi parte da zero

(word1 = 0) per il Modbus.

Esempio: Richiesta di impostare, sullo slave 17, 1 word all'indirizzo 35. con valore 268.

ADDR FUNC DATAstart

Addr HI

DATAstart

Addr LO

DATAWord# HI

DATAWord# LO

DATAbyte

Count

DATAWord35 HI

DATAWord35 LO

CRCHI

CRC

LO

11 10 00 22 00 01 02 01 0C 6C 87

Tabella 2.4

Risposta

Oltre all' indirizzo dello slave e al codice funzione (16) il messaggio comprende

l'indirizzo di partenza (starting Address) e il numero di word scritte.

Esempio: Risposta alla richiesta sopra riportata.

ADDR FUNC DATAstart

Addr HI

DATAstart

Addr LO

DATAbit #HI

DATAbit #LO

CRCHI

CRCLO

11 10 00 22 00 01 A3 53

Tabella 2.5

2.5 GESTIONE DEGLI ERRORI

In Modbus esistono due tipi di errori, gestiti in modo diverso: errori di trasmissione ed

errori operativi. Gli errori di trasmissione sono errori che alterano il messaggio, nel suo

formato, nella parità (se è usata), o nel CRC16. [Schiavini M., 2008]

Il dispositivo che rileva errori di questo tipo nel messaggio lo considera non valido e

non fornisce risposta. Qualora invece il messaggio sia corretto nella sua forma ma la

funzione richiesta, per qualsiasi motivo, non sia eseguibile, si ha un errore operativo. A

questo errore il dispositivo slave risponde con un messaggio di eccezione.



Questo messaggio è composto dall'indirizzo, dal codice delta funzione richiesta, da un

codice d'errore e dal CRC. Per indicare che la risposta è la notifica di un errore il codice

funzione viene ritornato con il bit più significativo ad "1".

Domanda

Esempio: Richiesta di lettura dallo slave 10 del bit 1185.

ADDR FUNC DATAstart

Addr HI

DATAstart

Addr LO

DATAbit #HI

DATAbit #LO

CRCHI

CRCLO

0A 01 04 A1 00 01 AC 63

Tabella 2.6

Risposta

La richiesta chiede il contenuto del bit 1185. che non esiste nello slave.

Questi risponde con il codice d'errore "02" (ILLEGAL DATA ADDRESS) e ritorna il

codice funzione 81h (129).

Esempio: Eccezione alla richiesta sopra riportata.ADDR FUNC DATA

exept.code

CRCHI

CRCLO

0A 81 02 B0 53

Tabella 2.7

2.5.1 CODICI DI ECCEZIONE

La tabella 2.8 mostra i codici di eccezione più utilizzati

Codice Nome Sign ificato

01 ILLEGAL FUNCTION Il codice di funzione ricevuto noncorrisponde ad una funzione permessa sulloslave indirizzato

02 ILLEGAL DATA ADDRESS L'indirizzo cui fa riferimento il campo datinon è un indirizzo permesso sullo slaveindirizzato

03 ILLEGAL DATA VALUE Il valore da assegnare cui fa riferimento ilcampo dati non è permesso per questo



indirizzo

07 NAK -

NEGATIVEACKNOWLEDGEMENT

La funzione non può essere eseguita nelleattuali condizioni operative o si è tentato discrivere in un ndirizzo a sola lettura

Tabella 2.8


CAPITOLO 3: IMPLEMENTAZIONE DI UN SISTEMA DI MONITORAGGIO WIRELESS

CAPITOLO 3

LA PROPOSTA: IMPLEMENTAZIONE DI UN

SISTEMA DI MONITORAGGIO WIRELESS

3 . 1 L A S C E L T A D E L L O S T A N D A R D D I

COMUNICAZIONE

Come descritto nel Capitolo 2, la comunicazione master/slave avviene in modalità

seriale con baud rate di 9600bps. Essendo ogni pacchetto Modbus composto di 6 bytes,

ne risulta un tempo di trasmissione tra un pacchetto e l’altro di circa 10ms. La non

eccessiva velocità di trasmissione richiesta ha pertanto condotto alla scelta di adottare la

tecnologia Zigbee per la comunicazione wireless.

Lo standard ZigBee definisce un meccanismo di comunicazione senza fili operante su

basse distanze e con una banda passante del tutto modesta: 250 Kbps su un raggio

teorico tra i dieci e i settantacinque metri, realizzando reti star o peer-to-peer tra oggetti

mobili dotati di sensori e consente di monitorare e controllare.

ZigBee è un sistema per la trasmissione di dati ed il comando di dispositivi a distanza in

ambiente wireless.

Permette di interconnettere alcune centinaia di nodi ed è caratterizzato da bassa

potenza e basso costo.

I motivi che spingono l’affermarsi di questa nuova tecnologia sono principalmente due:

1. L’esistenza di svariate soluzioni proprietarie, e conseguenti problemi di

interoperabilità;

2. Necessità di avere dispositivi per il monitoraggio e controllo a basso costo e a

basso consumo. [WSN Laboratory]



3.2 Lo standard IEEE 802.15.4 (Zigbee)

Lo standard wireless IEEE 802.15.4 è stato approvato nel maggio del 2003, ed

incorpora soluzioni per reti a basso rate di dati, a basso costo e a basso consumo di

potenza, il tutto con una piccola complessità.

Fornisce le specifiche per due livelli:

Physical (PHY)

Medium Access Control (MAC)

Le principali caratteristiche del protocollo IEEE 802.15.4 sono:

1. semplicità e affidabilità

Il canale di accesso è CSMA/CA con time slotting opzionale

Utilizza messaggi di ack e strutture beacon opzionali

La sicurezza è multi-livello

Superframe opzionale

Routing su vari percorsi

2. robustezza

Si accerta che il canale sia libero prima della trasmissione

Conferma ogni pacchetto ricevuto

Ritrasmette se non viene ricevuta conferma

Duty cycle molto basso

Lo standard IEEE 802.15.4 definisce tre tipi di dispositivi al fine di ridurre il costo di

realizzazione della rete:



NETWORK COORDINATOR

Mantiene la totale conoscenza della rete

E’ il più sofisticato dei tre tipi

Maggiore memoria e potenza di computazione richiesta

FULL FUNCTION DEVICE (FFD)

Può funzionare in qualsiasi topologia

Capace di essere il coordinatore di rete

Capace di essere un coordinatore

Può parlare a qualche altro dispositivo

E’ possibile aggiungergli memoria

REDUCED FUNCTION DEVICE (RFD)

Limitato a funzionare nella topologia a stella

Non può divenire un coordinatore di rete

Parla solamente ad un coordinatore di rete

Implementazione molto semplice

3.3 CARATTERISTICHE TECNICHE

Come tutti i membri della famiglia IEEE 802, lo standard si occupa di definire

solamente i primi due livelli corrispondenti nel modello ISO/OSI al fisico ed al datalink

(tabella 3.1).

I dispositivi Zigbee possono operare nelle tre bande libere (tabella 3.2):

868-868.6 MHz: questa banda libera è utilizzabile nella maggior parte dei paesi

europei con un ritmo di trasmissione di 20Kbit/s;

902-928 MHz: una grossa porzione di questa banda libera è utilizzabile in

Australia, Nuova Zelanda e nella maggior parte dei paesi del continente



americano e presenta un ritmo di comunicazione di 40 Kbit/s;

• 2400-2483.5 MHz: questa banda è utilizzabile nella quasi totalità del globo, con

un bit rate massimo di 250 Kbit/s.

Modello ISO/OSISemplificazione

Modello ISO/OSI IEEE 802.15.4

Applicazione Applicazioni utente

Applicazioneutente

Presentazione

Profilo applicazioniSessione

Trasporto

Livello di rete Livello rete

Livello dati Livello dati

Logical linkcontrol (MAC)

Media accesscontrol (MAC)

Livello Fisico Livello fisicoLivello fisico

(PHY)

Tabella 3.1: Modello ISO/OSI

Lo standard IEEE 802.15.4 definisce un totale di 27 canali numerati dallo zero al

ventisei; un solo canale è allocato nella banda 868 MHz, dieci canali sono allocati nella

banda 915 MHz ed i restanti sedici canali risiedono nella banda 2.4 GHz. [WSN

Laboratory]

PHY

(MHz)

Frequencyband

(MHz)

Spreading parameters Data parameters

Chip rate(kchip/s) Modulation

Bit rate(kb/s)

Symbol rate(ksymbol/s) Symbols

868/915868-868.6 300 BPSK 20 20 binary

902-928 600 BPSK 40 40 binary

2450 2400-2483.5 2000 O-QPSK 250 62.516-ary

Orthogonal

Tabella 3.2: Bande di lavoro dei dispositivi Zigbee

La maggior parte dei dispositivi wireless, dagli impieghi medici agli usi della vita

quotidiana, utilizza la banda ai 2,4 GHz.



Proprio per la tipologia dei servizi concessi, Zigbee è particolarmente indicato per tutti

gli indirizzi che non richiedono grandi velocità di trasferimento dati, al massimo

250kbit/s. [WSN Laboratory]

Nella tabella 3.3 sono presentate le specifiche tipiche di bit rate e latenze di messaggi

nei vari settori in cui il wireless può essere impiegato.

Sett ore Massimo data rate richiesto(kbit/s)

Latenza massima(ms)

Elettronica di consumo 3 16.7

Periferiche PC 115.2 16.7

Domotica 10 100

Diagnostica 10 30

Giocattoli 115.2 16.7-100

Tabella 3.3: Specifiche tecniche tipiche di bit rate e latenze di messaggi

I benefici di una connessione wireless a basso costo, semplice e di basso consumo quale

Zigbee, portano ad avere numerosi benefici nelle più svariate applicazioni che vanno

dalla domotica all'ambito industriale, includendo anche applicazioni mediche, nel

controllo e nella automazione.

Nel settore industriale il posizionamento di sensori in punti in cui non è possibile

arrivare con reti cablate (parti meccaniche in rotazione o all'interno di ambienti sigillati)

trova in questa tecnologia wireless una sicura e semplice soluzione.

Un esempio di applicazioni possibili è il campo dell'ascensoristica dove i nodi possono

essere applicati a:

i pulsanti di piano e di cabina

lettura vano

fotocellula

operatore

contatto limitatore di velocità



pulsantiera di manutenzione

sensori

lettura delle calamite

telecomando

supervisione dell'ascensore

I dati forniti non devono essere continuamente inviati in condizioni di non allarme e la

quantità di dati trasmessi è relativamente bassa.

3.4 TOPOLOGIA DI RETE

Un sistema conforme all’IEEE 802.15.4 è composto da diversi componenti.

Un dispositivo può essere un Reduced Function Device (RFD) o un Full Function

Device (FFD).

I dispositivi FFD hanno al loro interno il livello MAC con il set completo delle

primitive di rete che permette loro di operare come coordinatori della rete, mentre gli

RFD contengono una versione del MAC ridotta, che consente solo la realizzazione di

dispositivi di rete.

Lo standard IEEE 802.15.4 permette la formazione di due topologie di rete. La prima

topologia è la rete a stella (figura 3.1) ed è formata attorno ad un FFD che funziona

come coordinatore principale, fulcro delle connessioni con dispositivi sia FFD sia RFD.

La seconda tipologia di rete permette collegamenti punto a punto senza il diretto

coinvolgimento di un coordinatore per ogni sotto rete, anche se un coordinatore della

rete PAN (Personal Area Network) è in ogni caso prevista.

Ogni dispositivo è in grado di realizzare un collegamento con altri dispositivi adiacenti,

portando alla formazione di reti complesse (figura 3.2).

Una topologia di rete supportabile dallo standard IEEE 802.15.4 è la Cluster-Tree, che

può essere interpretata come un’architettura gerarchica ad albero, nella quale tutti i

dispositivi sono collegati tra loro tramite il minor numero possibile di connessioni.



Figura 3.1: Rete a stella

In questa architettura i dispositivi che gestiscono i collegamenti di rete devono essere

degli FFD, mentre i dispositivi RFD possono solo operare come utilizzatori.

In figura 3.2 è riportata una rappresentazione di un’architettura Cluster-Tree; come si

può notare è formata da sottoreti (cluster) che vengono ad interagire fra loro creando

una macrostruttura.

In questa topologia, da notare che lo scambio di dati fra i vari cluster viene eseguito da

cluster head (dispositivi FFD); non potranno avvenire connessioni fra due RFD facenti

parte di cluster diversi.

In ogni struttura cluster tree, esiste comunque un unico PAN coordinator.

Figura 3.2: Cluster tree



3.5 FORMAZIONE DI UNA RETE

La formazione della rete è gestita dal livello rete dello stack ISO/OSI che non fa parte di

questo standard, dato che il protocollo IEEE 802.15.1 definisce solo gli ultimi due

livelli dello stack; tutt avia è fornita una breve visione su come ogni tipologia

d’architettura possa essere formata.

3.5.1 FORMAZIONE DELLA RETE A STELLA

La struttura base di una star network è quella precedentemente vista nella figura 3.1.

Al momento dell’attivazione i dispositivi FFD si pongono nella modalità di

funzionamento come coordinatori, iniziando una scansione tra i canali in cerca di altri

dispositivi, sia che quest’ultimi siano FFD che RFD; a questo punto ogni dispositivo

FFD attivato potrebbe creare una propria rete e diventare il coordinatore PAN.

Tutte le star networks lavorano indipendentemente da tutte le altre star presenti

nell’area; in ultimo viene scelto il coordinatore PAN tra i dispositivi FFD, dando

priorità ai dispositivi FFD che non siano coordinatori delle reti a stella.

3.5.2 FORMAZIONE DELLA RETE PUNTO A PUNTO

Nella rete peer to peer ogni dispositivo è in grado di comunicare con qualsiasi altro

dispositivo nel raggio d’azione. Un dispositivo potrà essere nominato come

coordinatore PAN, per esempio, in virtù di essere stato il primo dispositivo a

comunicare sul canale, oppure in base alle strutture di rete preimpostate nei dispositivi

FFD, che potrebbero imporre restrizioni tipologiche sulla formazione della rete stessa.



Figura 3.3: Configurazione peer to peer

3.6 IL DISPOSITIVO EZ430-RF2480

Il kit eZ430-RF2480 [Texas Instruments, 2008], prodotto dalla Texas Intruments, è un

pacchetto hardware e software che nasce per lo sviluppo di applicazioni di reti wireless

ZigBee. Quindi questo kit wireless, grazie al proprio hardware e software, offre la

possibilità di valutare a pieno il microprocessore di rete ZigBee CC2480 a 2.4GHz e il

microcontrollore MSP430F2274. Fondamentalmente questo kit, dal punto di vista

hardware, è formato da tre tipologie di componenti:

3.6.1 CC2480 TARGET BOARD DESIGN



Il modulo è formato da una board (figura 3.4) su chi sono integrati sia l’acceleratore

ZigBee CC2480 sia il microcontrollore MSP430F2274, connessi tra di loro tramite

interfaccia SPI. Inoltre questa board integra un circuito RF e nel farlo impiega un chip

antenna per limitare il più possibile gli ingombri del modulo.

La board include anche due led indicatori (1 rosso e 1 verde), un interruttore per il

lancio dell’applicazione, 5 pin disponibili per il GPIO per espandere l’interfaccia I/O ed

un ingresso coassiale usato per le connessioni ai sensori o strumenti. [eZ430-RF2480

Demonstration Kit]

Figura 3.4: Modulo CC2480

3.6.2 EZ430 USB EMULATOR BOARD DESIGN

Il modulo (figura 3.5) ha essenzialmente una duplice funzione:

1. permettere di prelevare l’alimentazione per la Target Board da un PC,

tramite interfaccia USB (Caso Nodo Coordinatore);

2. consentire la programmazione e l’invio/ricezione dati dalla USB del PC

verso la UART del MSP430.



Figura 3.5: Modulo USB emulator board

3.6.3 EZ430 BATTERY BOARD DESIGN

AAA eZ430 Battery Boards. Queste sono le batterie che consentono l’alimentazione

della Target Boards nel caso di soluzioni mobili.

Figura 3.6: Modulo batteria

3.6.4 LE CONFIGURAZIONI

L’integrazione dei componenti descritti può dar vita fondamentalmente a due tipologie

di nodo. La prima è riferita ad un nodo coordinatore (figura 3.7), quindi un nodo FFD

alimentato dalla rete elettrica, dato il maggiore consumo di energia a causa delle

molteplici funzioni che deve espletare.



Figura 3.7: Configurazione dei moduli per Nodo Coordinatore

Mentre la seconda tipologia di nodo si riferisce sia ad un nodo router sia ad un end-

device (figura 3.8). Infatti, entrambe queste tipologie di nodi richiedendo una certa

mobilità e avendo dei consumi molto ridotti, rispetto ad un nodo coordinatore, possono

essere alimentati a batteria, anche per lunghissimi periodi.

Figura 3.8: Configurazione dei moduli per Nodo Router e End-Device

Per quanto riguarda la programmazione ed il debug, il kit eZ430-RF2480 utilizza il tool

IAR Embedded Workbench Integrated Development Environment (IDE), che permette

di scrivere, scaricare, e testare le proprie applicazioni. Il debugger permette all'utente di

lanciare l’applicazione alla massima velocità con eventuali punti d'arresto o singoli

avanzamenti non consumando alcuna risorsa extra. Inoltre la TI, a completamento del

kit, fornisce un firmware demo che consente l’invio della temperatura e del livello

batteria dai nodi router/end-device verso il nodo coordinatore. Da tale firmware demo

sarà ricavato il codice per l’implementazione della rete oggetto della tesi.

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CAPITOLO 4: SISTEMA DI COMUNICAZIONE MODBUS-ZIGBEE

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CAPITOLO 4

SISTEMA DI COMUNICAZIONE MODBUS-

ZIGBEE

4.1 ARCHITETTURA DELLA RETE WSN (WIRELESS

SENSOR NETWORK)

Il sistema che si intende realizzare nell’ambito del progetto prevede lo sviluppo di un

prototipo per:

l’acquisizione da remoto,

la visualizzazione e l’archiviazione dei dati relativi al funzionamento

dell’impianto elevatore,

allo scopo, non solo di monitorarne il corretto funzionamento, ma anche di dotare il

sistema stesso di una diagnostica predittiva, con il quale sia possibile, in tempo reale,

individuarne tempestivamente gli eventuali malfunzionamenti.

In tale contesto, oggetto del presente capitolo, è la definizione dell’architettura base

della rete WSN relativa all’impianto elevatore.

La rete WSN ha la funzione principale di raccogliere, attraverso determinati sensori

localizzati nella cabina ed ai piani, dati sul funzionamento dell’impianto elevatore e

trasmetterli in remoto. Le informazioni raccolte dalla rete saranno utilizzate per ulteriori

funzioni di monitoraggio e diagnostica.

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4.1.1 TOPOLOGIA RETE WSN

La comunicazione dei dati raccolti dai sensori installati sull’impianto avverrà in

modalità wireless secondo il protocollo ZigBee – IEEE 802.15.4 (capitolo 3)

L’architettura generale della rete WSN è mostrata in figura 4.1.

Figura 4.1: Architettura della rete wireless WSN (protocollo Zigbee)

In particolare, la rete WSN si compone di tre dispositivi principali:

Nodo End Device (NED): installato sulla cabina dell’impianto elevatore, per

l’interazione con le grandezze presenti in cabina (pulsantiera, fotocellula,

temperatura, sensori magnetici, ecc.);

Nodi Router (NR): installati ad ogni piano, per l’interazione con le grandezze di

piano (display, pulsantiera) e per svolgere funzioni di router nella rete mesh

installata;

Nodo Coordinatore (NC): installato nel quadro di manovra come nodo terminale

della rete che da un lato trasmette/riceve i dati verso/da i vari nodi e dall’altro

comunica con il PLC.

CABINA

SENSORI DI CABINA

NED

QDM

PLC MASTER

NC

NR

SENSORI DI PIANO

PIANO

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Come mostrato in figura 4.1, in cabina sono installati i sensori di cabina (pulsantiera,

pulsantiera di manutenzione, fotocellula, ecc). Tutti gli output di tali dispositivi sono

raccolti, in tempo reale, dalla scheda Slave (figura 2.1) su cui è installato il nodo Zigbee

configurato come NED. (figura 4.2)

Figura 4.2: Interfaccia Modbus-Zigbee

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I dati raccolti dai dispostivi di cabina sono inviati, dunque, via rete ZigBee, al

Coordinatore collegato alla scheda Master installata all’interno del quadro di manovra.

Tale trasmissione è garantita in particolare dalla dislocazione su ogni piano di nodi

router; tali nodi router, oltre che svolgere funzioni di rete, saranno a loro volta dei

moduli di raccolta dati relativamente ai dispositivi di piano come pulsantiera, allarme,

ecc, ed inviati al nodo coordinatore.

Figura 4.3: Collegamento wireless QDM, pulsantiere di piano, tetto cabina

Infine, il nodo coordinatore, oltre ad avere funzioni di rete, avrà quindi il compito di

raccogliere dati provenienti dagli End-Device di cabina e dai Router di piano e di

trasferirli al PLC installato nel quadro di manovra.

Le caratteristiche principali della rete wireless WSN sono riportate nella seguente

tabella 4.1:

SLAVE

NODO END DEVICE

SLAVE

NODO ROUTER

NODO ROUTER

MASTERNODO COORDINATORE

PLC

QDM

SLAVE

NODO ROUTER

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Caratteristiche della rete wireless

Protocollo ZigBee – IEEE 802.15.4

Bandwidth 2.4 Ghz

Max data rate 250 kbps

Topologia Mesh network

# coordnatori 1

# router 1 x piano

# end device 1

Tabella 4.1

Nel paragrafo successivo saranno dettagliati i dispositivi componenti della rete WSN.

4.2 DESCRIZIONE DEI DISPOSITIVI COMPONENTI LA

WSN

Come accennato al paragrafo precedente, la WSN si compone di tre dispositivi

principali:

Nodo End Device (NED);

Nodo Router (NR);

Nodo Coordinatore (NC).

4.2.1 Nodo End Device

Il dispositivo Nodo End Device (NED nel seguito) è collegato alla scheda Slave nella

cabina dell’impianto elevatore. La comunicazione può sinteticamente essere descritta in

quattro step:

1. lo Slave raccoglie le informazioni provenienti da tutti i dispositivi della cabina

2. dallo Slave i dati vengono inviati al NED

3. i dati dal NED vengono inviati in modalità wireless mediante protocollo Zigbee

ai NR

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4. dai NR le informazioni vengono trasmesse in wireless al NC.

La figura 4.4 mostra uno schema a blocchi per il componente NED.

Figura 4.4: Architettura generale del dispositivo NED

Dispositivi di Cabina

Principalmente, sono dispositivi che generano output di tipo 0-24Vdc, ed un sensore

con uscita analogica per rilevare la temperatura ambiente di cabina.

Microcontroller (MSP430)

Riceve in input (in modalità wired) gli output di tutti i dispositivi di cabina e ne

predispone l’invio al transceiver per la comunicazione in wireless ZigBee. L’invio dei

dati dal microcontroller al transceiver avviene in modalità wiredSPI secondo il

protocollo.

Transceiver (CC2480)

Ha la funzione di trasmettere i dati provenienti dal micro ed inviarli in modalità

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wireless ZigBee ai vari NR di piano.

4.2.2 Nodo Router

Sono installati ad ogni piano ed hanno una doppia funzione:

raccolgono dati provenienti dai dispositivi di piano e li inviano al nodo

coordinatore (NC);

raccolgono i dati trasferiti dal NED di cabina e li inviano al nodo NC.

La figura 4.5 descrive uno schema a blocchi per il componente NR.

Figura 4.5: Architettura generale del dispositivo NR

Dispositivi di piano

Sono dispositivi che generano output di tipo 0-24Vdc ed eseguono le seguenti funzioni:

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dati dal microcontroller al transceiver dovrà avvenire in modalità wired – SPI.




4.2.3 Nodo Coordinatore

Il nodo NC è installato nel quadro di manovra sulla scheda Master ed ha la funzione di

raccogliere i dati provenienti dal nodo di cabina e dai vari nodi di piano ed inviarli al

PLC o scheda di controllo, in modalità wired parallela;

La figura 4.6 mostra lo schema a blocchi per il componente NC.

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Figura 4.6: Architettura generale del dispositivo NC




dati dal microcontroller al transceiver dovrà avvenire in modalità wired – SPI.




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4.3 ARCHITETTURA HARDWARE NODO ZIGBEE

La rete è progettata in modo che ogni singolo nodo ZigBee, coordinatore, router o end-

device possegga le medesime caratteristiche HW, mentre la specifica configurazione è

determinata dalle peculiarità FW.

Come descritto nel capitolo 3, il nodo ZigBee è basata sul processore CC2480 della

Texas Instruments. Si tratta di un transceiver con acceleratore ZigBee a basso costo che

fornisce un set di funzionalità completa per l’implementazione di uno stack ZigBee. Ciò

consente di evitare che sul microcontrollore ad esso collegato si debba implementare il

codice per lo stack ZigBee e quindi di riservare le proprie risorse ad altre applicazioni.

Figura 4.7: Comunicazione nodo Zigbee CC2480/microcontroller applicativo

La scelta del microcontrollore (MCU) è stata effettuata considerando le caratteristiche

fondamentali che il nodo trasduttore deve possedere: basso costo, basso consumo per

alimentazione a batteria, ingressi analogici e digitali, interfaccia SPI e UART, nonché

un DMA per i trasferimenti veloci interni ed una memoria non volatile tipo flash: il

microcontrollore utilizzato per l’interfacciamento con il transceiver da un lato e con le

grandezze da monitorare/controllare dall’altro è l’MSP430F2274. Si elencano di seguito

alcune caratteristiche principali:

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Architettura 16-Bit RISC

Frequenze di clock interne fino a 16MHz

2 timer a 16-Bit con registri Capture/Compare

Porta UART ed SPIADC a 10-Bit, 200-kbps con Internal Reference, Sample-

and-Hold, Autoscan, and Data Transfer Controller

Memoria non volatile di tipo flash 32KB + 256B

Memoria RAM 1KB

L’MCU utilizzato è dotato sia di porta seriale SPI sia di UART per la comunicazione

con il Transceiver. Volendo riservare la porta UART alla comunicazione con le schede

Master/Slave, la connessione MCU/Transceiver avviene via bus SPI.

Figura 4.8: Comunicazione MCU/Transceiver via SPI, la porta UART,così come negli altri input (ADC, GPIO, ecc) si riservano alleapplicazioni specifiche del nodo trasduttore

Sezione RF

La sezione RF del nodo utilizza l’antenna integrata Johanson Technology

2450AT18B 100 a 2450MHz. Il relativo circuito di adattamento transceiver/antenna è

quello suggerito dalla casa costruttrice, che è ottimizzato per occupazione di spazio sul

PCB anziché per la distanza di comunicazione. La scelta è dovuta principalmente agli

spazi ridotti in cui devono essere installati i nodi ed alla distanza non proibitiva tra i

nodi stessi (distanze tra i piani di un building).

SPI

ADC

GPIO

UARTMSP430F2274 CC2480

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4.4 ARCHITETTURA FIRMWARE NODO ZIGBEE

Il firmware per il nodo ZigBee residente su MCU si fonda essenzialmente

sull’interfaccia Simple API che il transceiver mette a disposizione per lo sviluppo di

un’applicazione ZigBee. Si tratta di un set di 10 semplici comandi che il MCU deve

inviare al transceiver, tramite la porta SPI, grazie ai quali è possibile creare una rete

ZigBee completa.

Il firmware è organizzato in 5 moduli:

1. APP (Application): implementazioni funzionalità specifica del nodo trasduttore

(acquisizione ADC, comunicazione UART, ecc): dipende dal nodo;

2. HAL (Hardware Abstraction Layer): driver di basso livello (UART, SPI, Timer);

3. MT (Monitor Test): astrazione software per il debug su PC;

4. SAPI (Simple API): interfaccia verso i comandi SAPI del transceiver realizzata in

modo da fare apparire come se lo stack ZigBee fosse implementato direttamente

su MCU;

5. ZACCEL: protocollo SPI richiesto dal CC2480.

Nella topologia della rete, a livello applicativo, il nodo configurato come trasduttore è

riferito come Source, mentre il nodo configurato come collettore dei dati provenienti dai

nodi trasduttori è riferito come Sink.

Il livello APP è l’unico responsabile della specifica applicazione destinata al singolo

nodo:

acquisizione ADC per i sensori analogici

acquisizione segnali digitali

comunicazione seriale con le schede Master/Slave,

ecc.,

quindi dell’interazione con il livello SAPI verso l’acceleratore ZigBee.

A tale proposito il MCU si configura come un Host per il transceiver, attraverso il bus

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63

SPI (MSP430 master – CC240 slave); il livello SAPI implementa i comandi per lo stack

semplificato ZigBee ed utilizzato ZACCEL per il protocollo e HAL per i driver di basso

livello.

Il firmware applicativo è rappresentato da una macchina a stati, le cui transizioni

dipendono dalla configurazione utente e dai feedback provenienti dal CC2480.

4.4.1 Nodo trasduttore

Ogni singolo nodo della rete ZigBee a sua volta funge da trasduttore, sfruttando le

interfacce HW messe a disposizione dall’unità MCU, quali ADC, GPIO, UART, SPI,

I2C, ecc.

I trasduttori si differenziano per la specifica installazione. La tabella 4.2 seguente

elenca i segnali da prelevare per ognuno degli ambienti da considerare.

Dispositivi di cabina Dispositivi di piano Quadro di manovra

TIPO USCITA TIPO USCITA TIPO USCITA

Sensoretemperatura

Analogica Display Digitale PLC UART

Display Digitale Pulsantiera 0-24 Vdc Corrente Analogica

Allarmi (legge13)

0-24 Vdc Indicatori 0-24 Vdc Tensione Analogica

Pulsantiera 0-24 Vdc Temperatura Analogica

Bottoniera dimanutenzione

0-24 Vdc

Fotocellule 0-24 Vdc

Operatore 0-24 Vdc

Tabella 4.2: Segnali di input ai trasduttori

4.4.2 Trasduttore segnali digitali sistema ascensore

I segnali digitali provenienti dal sistema ascensore sono impacchettati tramite il sistema

TIMIOS-TIMIOM in un unico segnale seriale codificato secondo protocollo Modbus.

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Il nodo trasduttore per questo tipo di segnale riserva l’interfaccia UART verso il

dispositivo ed implementa il protocollo Modbus (figura 4.9) per la lettura dei dati

impachettati e poi trasmessi verso il nodo coordinatore.

23 – RX UART

MSP430

24 – TX UART

Figura 4.9: Trasmissione dati con UART

4.4.3 Trasduttore segnali analogici sistema ascensore

Il microcontrollore MSP430 utilizzato per il nodo possiede un convertitore ADC a 10

bit e 16 canali multiplexati di input, due dei quali sono dedicati, uno al segnale di

tensione di alimentazione per la misura del livello di batteria, l’altro al segnale

proveniente dal sensore di temperatura interno per la misura della temperatura

ambiente; i restanti ingressi possono essere dedicati ai sensori per le misure dei

parametri analogici provenienti dal sistema ascensore necessari per i moduli di fault

detection e fault isolation.

In particolare, per le misure di corrente sul motore del sistema di trazione, il segnale

proviene dal trasduttore di corrente della LEM LA55-P che lavora nel range [-40A,

+40A] e fornisce in uscita un segnale nel range [-5V, +5V]; mentre per le misure di

tensione è utilizzato il trasduttore LEM CV3-500 che fornisce in uscita un segnale nel

range [-4.4V, +4.4V] per un ingresso di tensione che può andare da -230V a +230V.

Ognuno dei trasduttori è dunque prima sottoposto a precondizionamento, quindi

applicato all’ingresso analogico ad esso dedicato del MCU.

PROTOCOLLOMODBUS

Convertitore TX UARTparallelo/serialesegnali digitaliascensore RX UART

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65

BloccoTrasduttoridi corrente e

tensione

MotoreTrazion

e

Rete di condizionamentosegnali analogici(convertitorecorrente/tensione,adattamento di impedenza,traslatore di livello)

Ingressi analogiciMSP430:0range 0..3Vsingle ended;Vref = 0V

A2

MSP43A3

A4


CAPITOLO 5: CONCLUSIONI

CAPITOLO 5

CONCLUSIONI

Il presente lavoro è stato finalizzato alla progettazione di un sistema di monitoraggio

remoto e di diagnostica in comunicazione wireless per ascensori.

Sono stati raccolte indicazioni sia sugli studi indirizzati alla progettazione effettuata

dalla stessa azienda (utilizzando la comunicazione seriale RS485), sul protocollo

Modbus, sia sui vari dispositivi wireless commerciali adatti per questo settore.

Per la realizzazione della rete WSN si è proposta la tecnologia Zigbee evidenziandone i

vantaggi (di risparmio energetico, di ingombro e costi contenuti) nel campo di

applicazione.

La rete è progettata in modo che ogni singolo nodo ZigBee, coordinatore, router o end-

device possegga le medesime caratteristiche HW, mentre la specifica configurazione è

determinata dalle peculiarità FW individuando:

Nodo coordinatore (nel quadro elettrico di manovra)

Nodo router (posizionato uno per ogni piano)

Nodo end device (tetto cabina)

I dati raccolti dai dispostivi di cabina sono inviati, dunque, via rete ZigBee, al

Coordinatore collegato alla scheda Master installata all’interno del quadro di manovra.

Tale trasmissione è garantita in particolare dalla dislocazione su ogni piano di nodi

router; tali nodi router, oltre che a svolgere funzioni di rete, saranno a loro volta dei

moduli di raccolta dati relativamente ai dispositivi di piano come pulsantiera, allarme,

ecc, ed inviati al nodo coordinatore.

Ogni modulo Zigbee è composto da un microcontrollore MSP430F2274 (MCU e da un

transceiver CC2480.

Il MCU proposto è dotato sia di porta seriale SPI sia di UART per la comunicazione con


CAPITOLO 5: CONCLUSIONI

il transceiver. Volendo riservare la porta UART alla comunicazione con le schede

Master/Slave, la connessione MCU/transceiver avviene via bus SPI.

Il firmware applicativo è rappresentato da una macchina a stati, le cui transizioni

dipendono dalla configurazione utente e dai feedback provenienti dal transceiver

CC2480.

Ogni singolo nodo della rete ZigBee a sua volta funge da trasduttore, sfruttando le

interfacce HW messe a disposizione dall’unità MCU, quali ADC, GPIO, UART, SPI,

I2C, ecc.

Il nodo coordinatore ha il compito di prelevare i dati provenienti dai nodi dislocati nella

rete installata, di servire eventuali servizi locali e di smistarli via UART al PLC che

controlla l'impianto.

Monitoraggio Degli Impianti Di Sollevamento

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