姜　宏，周建平，許　燕，祁　雷（.新疆大學(xué) 軟件學(xué)院，新疆　烏魯木齊 830008；.新疆大學(xué)　機(jī)械工程學(xué)院，新疆　烏魯木齊　830047）

基于WiMAX技術(shù)組建無(wú)線電梯故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

姜宏1，周建平2，許燕2，祁雷1
（1.新疆大學(xué) 軟件學(xué)院，新疆烏魯木齊 830008；2.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047）

針電梯安全運(yùn)行遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，結(jié)合WiMAX無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬高、傳輸速度快和覆蓋范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，借助WiMAX通信技術(shù)搭建了一套電梯無(wú)線故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合了電梯故障監(jiān)測(cè)、困人報(bào)警通信及電梯相關(guān)信息管理等功能。對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并重點(diǎn)說(shuō)明了監(jiān)控報(bào)警終端的設(shè)計(jì)過(guò)程。該系統(tǒng)為現(xiàn)階段進(jìn)入使用壽命中后期老齡化電梯的物聯(lián)網(wǎng)改造提供了一種解決方案。

WiMAX；監(jiān)控系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式計(jì)算機(jī)；電梯

0　引言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的逐步推進(jìn)，城市高層建筑數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，電梯已經(jīng)成為城市垂直交通不可替代的運(yùn)輸工具［1］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2013年底國(guó)內(nèi)電梯安裝總量已超過(guò)280萬(wàn)臺(tái)，并且還在持續(xù)增長(zhǎng)。近年來(lái)電梯事故頻發(fā)，引起了社會(huì)各界對(duì)電梯運(yùn)行安全的關(guān)注。究其原因，以往依托人力的電梯運(yùn)行維護(hù)管理制度已無(wú)法適應(yīng)電梯老齡化數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)的現(xiàn)狀，因此，迫切地需要一種先進(jìn)有效的科學(xué)管理模式來(lái)保障電梯的安全運(yùn)行。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展及國(guó)家的大力支持，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用［2］。電梯監(jiān)控系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，為人們提供了一種更加有效的管理模式。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電梯監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)可以對(duì)電梯事故進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)；對(duì)電梯故障進(jìn)行快捷搶修，從而保證電梯安全有效地運(yùn)行，降低電梯事故發(fā)生的頻率，減少電梯事故損失［3］。

目前，行業(yè)專家對(duì)電梯監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了一系列研究，將以往的有線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線化改造并納入物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)已成經(jīng)為一種共識(shí)，傳統(tǒng)的借助3G、WLAN等技術(shù)對(duì)電梯監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化改造的方案已經(jīng)有了一定范圍的應(yīng)用，這些系統(tǒng)在發(fā)揮其重大作用的同時(shí)也暴露出了一些不足，如3G通信帶寬相對(duì)較窄，音頻、視頻信號(hào)采集和實(shí)時(shí)傳輸能力不高，而且數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中會(huì)不斷地產(chǎn)生資費(fèi)，使用成本較高。WLAN技術(shù)通信帶寬滿足要求，但無(wú)線信號(hào)傳輸距離較短，相對(duì)可靠性不高。隨著IEEE 802.16e和IEEE 802.16m移動(dòng)WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的確定，WiMAX技術(shù)由于其高接入速率，可提供基于IP的音頻視頻信號(hào)傳輸［4］，彌補(bǔ)了3G以及WLAN技術(shù)的不足，依托WIMAX技術(shù)建設(shè)的無(wú)線電梯監(jiān)控系統(tǒng)能更好地適應(yīng)該系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)改造的要求。

1　電梯監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)介紹

電梯監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)是以電梯檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的電梯故障判斷警示系統(tǒng)，早期電梯檢測(cè)系統(tǒng)屬于電梯運(yùn)行控制系統(tǒng)的一部分，主要依托傳感器對(duì)電梯運(yùn)行中的轎廂質(zhì)量、門機(jī)信號(hào)、平層信號(hào)、安全鉗等各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)實(shí)施采集，將數(shù)據(jù)反饋到控制端，用于控制電梯穩(wěn)定運(yùn)行。如今由于電梯故障診斷的需要，該系統(tǒng)發(fā)展逐步完善，增加了更多更先進(jìn)的傳感器，對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)感知更加細(xì)致全面。電梯監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)充分利用這一成果，結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)，將一定區(qū)域內(nèi)多部電梯的運(yùn)行狀態(tài)傳輸至一部監(jiān)控計(jì)算機(jī)，由該計(jì)算機(jī)對(duì)電梯故障進(jìn)行分析判斷，及時(shí)反饋給電梯維保人員，保證電梯出現(xiàn)的異常狀況能得到及時(shí)響應(yīng)和處理。

1.1WiMAX通信技術(shù)簡(jiǎn)介

WiMAX［5-8］是由IEEE（美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）推出的無(wú)線寬帶標(biāo)準(zhǔn)，自2001年至今發(fā)布了802.16至802.16m多個(gè)版本。本系統(tǒng)采用 IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)，可支持固定和移動(dòng)寬帶無(wú)線接入，工作頻段為2 GHz～6 GHz，雙工方式為 FDD（頻分雙工）和 TDD（時(shí)分雙工）；非可視覆蓋半徑為 km級(jí)，傳輸峰值可達(dá) 75 Mb/s，支持全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議及QoS技術(shù)，完全滿足在小區(qū)內(nèi)組建無(wú)線電梯監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)需求。

1.2監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)將嵌入式微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、WiMAX無(wú)線通信技術(shù)、電梯故障檢測(cè)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，將電梯故障監(jiān)測(cè)報(bào)警終端與小區(qū)物業(yè)、維保公司、當(dāng)?shù)靥貦z院及監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來(lái)，組成多級(jí)電梯監(jiān)控報(bào)警及故障診斷網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了電梯的集中監(jiān)控管理。電梯業(yè)主可通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯運(yùn)行狀態(tài)；維保公司可通過(guò)該系統(tǒng)調(diào)閱電梯運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程判斷故障類型，制定處理方案，組織維保工作；特檢院等相關(guān)監(jiān)管部門通過(guò)該系統(tǒng)提供的電梯運(yùn)行狀態(tài)及維護(hù)記錄統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，有效監(jiān)管電梯運(yùn)行保障工作。該系統(tǒng)可提高電梯運(yùn)行管理的現(xiàn)代化水平及電梯的維保工作質(zhì)量。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

電梯故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由電梯、監(jiān)測(cè)終端、WiMAX基站、本地服務(wù)器、特檢中心服務(wù)器、監(jiān)控PC和智能手持終端組成。監(jiān)測(cè)報(bào)警終端是系統(tǒng)底層的重要部件，監(jiān)測(cè)終端連接一套傳感器負(fù)責(zé)采集電梯運(yùn)行參數(shù)，內(nèi)設(shè)典型故障參考點(diǎn)，當(dāng)電梯運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，可自動(dòng)或由乘客手動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，申請(qǐng)建立語(yǔ)音視頻傳輸通道，同時(shí)將故障狀態(tài)參數(shù)上傳，電梯正常運(yùn)行時(shí)可接受本地和遠(yuǎn)程訪問(wèn)。WiMAX基站與小區(qū)本地服務(wù)器相連，負(fù)責(zé)組建小區(qū)無(wú)線局域?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)，為每個(gè)監(jiān)控終端分配網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，接受終端入網(wǎng)請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)建立后負(fù)責(zé)接收各終端上傳數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)至本地服務(wù)器。本地服務(wù)器負(fù)責(zé)將小區(qū)內(nèi)每部電梯的各項(xiàng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)整理存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，提供本地和遠(yuǎn)程訪問(wèn)查詢，同時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)定期與特檢中心服務(wù)器做數(shù)據(jù)同步。小區(qū)物業(yè)的監(jiān)控PC負(fù)責(zé)監(jiān)控局域網(wǎng)內(nèi)電梯運(yùn)行狀況，當(dāng)電梯故障時(shí)可響應(yīng)電梯監(jiān)控終端連接請(qǐng)求，建立語(yǔ)音視頻通信，將電梯故障信息存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)訪問(wèn)特檢中心服務(wù)器，上傳故障電梯運(yùn)行參數(shù)申請(qǐng)故障診斷服務(wù)，收到診斷結(jié)果后立即通過(guò)短信發(fā)送給維保人員。特檢中心服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、管理本地區(qū)所有電梯的故障信息，由于處理性能較強(qiáng)，可在其中安裝電梯故障診斷軟件，為全區(qū)所有電梯提供故障診斷服務(wù)，同時(shí)亦可架設(shè)專用網(wǎng)站，提供相關(guān)人員查詢電梯、運(yùn)維工作、檢驗(yàn)工作的信息。

1.3監(jiān)控報(bào)警終端硬件組成

電梯監(jiān)控報(bào)警終端是系統(tǒng)前端硬件核心部件，由嵌入式ARM計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線通信模塊、控制模塊、多媒體模塊和供電模塊組成，如圖2所示。

圖2　電梯監(jiān)控報(bào)警終端組成結(jié)構(gòu)

1.3.1主控計(jì)算機(jī)

主控計(jì)算機(jī)采用以全志A20芯片為核心的工控單板機(jī)，CPU采用ARM Cortex-A7架構(gòu)、具有1 GHz主頻的雙核32位低功耗微處理器，板載外圍硬件資源包括1 GB運(yùn)行內(nèi)存、4 GB NAND Flash存儲(chǔ)器、5路全雙工串口、2路IIC接口、1路SPI接口、2路10位ADC轉(zhuǎn)換接口以及多路通用輸入輸出接口，可外接多種傳感器以及無(wú)線通信模塊。

1.3.2采集模塊

采集模塊由分布安裝在電梯各部位的多個(gè)傳感器組成，傳感器獨(dú)立于電梯控制系統(tǒng)，主要用于電梯關(guān)鍵部位運(yùn)行參數(shù)采集。傳感器包括加速度傳感器、稱重傳感器、震動(dòng)信號(hào)傳感器、平層信號(hào)傳感器和門機(jī)信號(hào)傳感器等，這些傳感器通過(guò)信號(hào)電纜連接監(jiān)測(cè)報(bào)警終端，實(shí)時(shí)采集電梯運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。

1.3.3多媒體模塊

多媒體模塊由 14英寸 LCD液晶屏、音頻功放、揚(yáng)聲器、駐極體話筒以及攝像頭組成。電梯正常運(yùn)行時(shí)，多媒體模塊可播放乘坐電梯相關(guān)知識(shí)的宣傳短片，也可播放多媒體廣告，廣告投放獲取收入可抵消系統(tǒng)運(yùn)維成本；當(dāng)電梯故障時(shí)，多媒體模塊可作為報(bào)警救援視頻電話，采集傳輸電梯內(nèi)部的音視頻信號(hào)，為被困人員提供幫助。

1.3.4供電模塊

供電模塊由主電源與備用電源組成，主電源為AC150-220 V寬壓輸入 DC12V5A輸出開(kāi)關(guān)電源，備用電源為12V7Ah鉛酸蓄電池與充放電管理電路組成的不間斷電源模塊，可保證系統(tǒng)斷電后運(yùn)行1 h。

1.3.5WiMAX通信模塊

本系統(tǒng)借助WiMAX無(wú)線寬帶技術(shù)組網(wǎng)通信，通信模塊選用Intel Centrino Advanced-N+WiMAX 6250無(wú)線網(wǎng)卡，此網(wǎng)卡遵循IEEE802.16e Wave2協(xié)議，工作在3.5 GHz頻段，上行傳輸帶寬為6 Mb/s，下行傳輸帶寬為20 Mb/s，采用Mini PCI-E半高卡設(shè)計(jì)，通信接口為 USB2.0，由Intel官方提供Linux系統(tǒng)及 Windows系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序。

1.3.6射頻卡讀寫模塊

電梯運(yùn)行維護(hù)及管理人員配有身份識(shí)別卡，用于記錄電梯的日常維護(hù)日志，內(nèi)容包括維護(hù)開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間以及維護(hù)、管理人員的身份信息。此設(shè)備采用RFID射頻識(shí)別技術(shù)，讀卡器模塊選用明泰MRF-35-MEM非接觸式 IC卡讀卡器，讀寫卡類型符合 MIFARE標(biāo)準(zhǔn)，讀寫頻率為 13.56 MHz，通信接口為RS232，通信頻率采用115 200 b/s。

1.4WiMAX無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)

IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了 PMP（點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)）以及Mesh（網(wǎng)格網(wǎng)）兩種標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)方式［9-10］，由于本系基站覆蓋半徑要求不大，入網(wǎng)終端數(shù)量較少，并且終端類型為固定式，選擇更為合適的PMP組網(wǎng)方式。完整的WiMAX網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由核心網(wǎng)、基站、用戶基站、接力站、用戶終端設(shè)備和網(wǎng)管組成，本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境所需的信號(hào)覆蓋半徑在 1 km左右，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)中的 50 km，因此可將組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖3所示。

圖3　WiMAX網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

只需在小區(qū)的中心建筑高點(diǎn)布置一個(gè)圖3所示的一體化WiMAX基站，電梯監(jiān)控終端直接與該基站相連組網(wǎng)，只在少部分信號(hào)盲區(qū)架設(shè)小型WiMAX無(wú)線AP做信號(hào)中繼，即可實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)所有電梯監(jiān)控終端的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。WiMAX基站通過(guò)網(wǎng)線將終端上傳數(shù)據(jù)傳輸給小區(qū)監(jiān)控服務(wù)器，由專門的處理軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)提取、分析、整理和存儲(chǔ)等工作。小區(qū)服務(wù)器通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)連接特檢院服務(wù)器，執(zhí)行定期數(shù)據(jù)同步，申請(qǐng)故障分析診斷服務(wù)以及其他必要工作。

2　系統(tǒng)軟件

本系統(tǒng)軟件包括終端軟件以及監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件兩部分，程序設(shè)計(jì)均采用OS（操作系統(tǒng)）+APP（應(yīng)用程序）的模式，終端 OS采用去除圖形界面的 Linux操作系統(tǒng)，APP軟件基于跨平臺(tái) C++應(yīng)用程序框架 QT開(kāi)發(fā)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)采用 Windows 8，APP基于 Windows下的可視化編程環(huán)境Delphi開(kāi)發(fā)。

2.1終端應(yīng)用程序

終端應(yīng)用程序按照實(shí)際功能可劃分為數(shù)據(jù)采集處理、通信、事件判斷處理和多媒體播放4個(gè)主要模塊，如表1所示。

表1　終端應(yīng)用軟件模塊組成

數(shù)據(jù)采集模塊主要針對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集整理。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實(shí)時(shí)性，文本數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)使用TCP協(xié)議傳輸，音、視頻數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)使用基于UDP之上的 RTCP協(xié)議傳輸。事件判斷處理主要針對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與內(nèi)置正常參數(shù)比對(duì)，根據(jù)數(shù)據(jù)異常類型判斷故障類型，觸發(fā)報(bào)警并上傳故障參數(shù)，此外還接受遠(yuǎn)程訪問(wèn)以及命令解析執(zhí)行。多媒體播放模塊則負(fù)責(zé)音、視頻文件解碼播放。

2.2監(jiān)控計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序

監(jiān)控計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序按照功能可劃分為通信、數(shù)據(jù)處理、事物處理和人機(jī)交互界面4個(gè)模塊，如表2所示。

表2　監(jiān)控計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件模塊組成

通信模塊包含 4個(gè)部分：（1）通過(guò) TCP協(xié)議接收終端上傳的數(shù)據(jù)包，發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)算機(jī)與終端的遠(yuǎn)程交互；（2）通過(guò) RTCP協(xié)議接收終端視頻電話數(shù)據(jù)流，并發(fā)布廣告文件更新；（3）緊急情況如需專家會(huì)診，可通過(guò)IP電話建立多方語(yǔ)音通信；（4）將必要電梯狀態(tài)通過(guò)文字短信發(fā)送至救援或維保人員手機(jī)。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)終端上傳數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包提取，對(duì)應(yīng)不同終端的多項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，添加時(shí)間信息存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。事物處理模塊將終端數(shù)據(jù)與預(yù)存正常參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，判斷警情，如有異常則觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，電話短信通知相關(guān)人員，上傳故障參數(shù)至特檢中心服務(wù)器申請(qǐng)故障診斷服務(wù)，并定期將本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)與特檢中心數(shù)據(jù)庫(kù)同步。人機(jī)交互界面則模擬顯示電梯狀態(tài)、轎廂畫面，提供數(shù)據(jù)庫(kù)檢索窗口供相關(guān)人員查詢。

3　結(jié)論

WiMAX作為一種基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的城域網(wǎng)技術(shù)，相比WIFI技術(shù)能在更廣闊的地域范圍提供無(wú)線寬帶連接，在非可視距離達(dá)km級(jí)范圍內(nèi)需要組建高帶寬無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)合具備無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，借助此技術(shù)搭建的無(wú)線電梯故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)安裝布設(shè)方便，靈活性以及可維護(hù)性較高。該系統(tǒng)為現(xiàn)階段進(jìn)入使用壽命中后期老齡化電梯的物聯(lián)網(wǎng)改造提供了一種解決方案。

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Establishment of wireless elevator monitoring and alarm system based on the WiMAX technology

Jiang Hong1，Zhou Jianping2，Xu Yan2，Qi Lei1
（1.The School of Software，Xinjiang University，Urumqi 830008，China；2.The School of Mechanical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

WiMAX wireless network has several advantage such as large bandwidth and large coverage，so this paper introduces a set of wireless elevator monitoring alarm system built by WiMAX wireless communication technology.It integrates some functions，such as the elevator fault detection，trapped people alarm communication，and elevator related information management and so on. This paper details the design mentality and the structure of the system，and mainly introduces the design of the terminal for monitoring alarm.The design provides a solution for reforming old elevators by Internet of Things.

WiMAX；monitoring system；Internet of Things；embedded computer；elevator

TP273+.5

A

1674-7720（2015）02-0055-04

（2014-08-28）

姜宏（1976-），男，副教授，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)，機(jī)電一體化，數(shù)控技術(shù)。