張吉祥 甘 晶 陳惠明

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院1，江蘇 南京 210037;江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院2，江蘇 南京 210003)

0 引言

目前，我國(guó)電梯年產(chǎn)量、保有量、年增長(zhǎng)量均為世界第一，然而電梯老齡化現(xiàn)象致使故障頻發(fā)［1－2］。電梯故障的發(fā)現(xiàn)主要依靠被困人員、保安等現(xiàn)場(chǎng)人員，但常常由于發(fā)現(xiàn)或通知不及時(shí)，導(dǎo)致救援時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

國(guó)外電梯監(jiān)控系統(tǒng)由于采用不同的通信方式和不同的硬件接口，相互之間不能通用，而且系統(tǒng)的價(jià)格比較昂貴，一般用戶難以承受［3－5］。國(guó)內(nèi)的電梯監(jiān)控系統(tǒng)多為有線方式傳輸，井道內(nèi)布線困難;系統(tǒng)沒(méi)有提供電梯維保安檢電子標(biāo)簽功能，對(duì)于電梯的檢驗(yàn)、維保等狀況，政府質(zhì)監(jiān)部門(mén)不能夠?qū)崟r(shí)掌握和有效監(jiān)督;語(yǔ)音安撫功能不夠完善，使被困人員承受著巨大的身心壓力。對(duì)此，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型井道式電梯遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)的方案。

1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)平臺(tái)主要由三部分構(gòu)成:監(jiān)控中心、網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)采集終端。由于井道式電梯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性［6－7］，數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)為轎廂終端和機(jī)房終端兩部分，如圖1所示。轎廂終端通過(guò)一系列傳感器采集電梯運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，轎廂終端和電梯機(jī)房終端之間的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee模塊傳輸。機(jī)房終端通過(guò)RFID射頻模塊采集維保信息，最后把處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸至服務(wù)器。用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)或者各種智能手機(jī)聯(lián)網(wǎng)就可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電梯實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)電梯故障報(bào)警、困人救援、政府監(jiān)督管理、隱患防范等功能的綜合性電梯管理平臺(tái)，其主要包括以下三方面功能。

①電梯遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視報(bào)警功能

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯關(guān)人、沖頂、沉底等異常情況，并通過(guò)GPRS在第一時(shí)間傳送到物業(yè)用戶、維保單位和政府質(zhì)監(jiān)部門(mén)。

記錄下電梯的故障，并實(shí)時(shí)反映到監(jiān)控中心的監(jiān)控器，通過(guò)短信的方式發(fā)送給電梯維護(hù)人員，確保在電梯發(fā)生故障時(shí)工作人員第一時(shí)間趕到現(xiàn)場(chǎng)處理，減少人員被困的時(shí)間。

通過(guò)對(duì)電梯運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計(jì)，可以準(zhǔn)確掌握電梯運(yùn)行中出現(xiàn)故障的類(lèi)型和發(fā)生概率，幫助分析潛在的不安全因素，為電梯的日常維護(hù)和保養(yǎng)提供直接數(shù)據(jù)支持，提高維保的針對(duì)性，降低維保成本。除此之外，還可以幫助查找事故原因，并作為政府部門(mén)行政監(jiān)督管理的重要依據(jù)。

②語(yǔ)音安撫功能

電梯轎廂內(nèi)的語(yǔ)音安撫系統(tǒng)可以安撫被困人員，減輕被困人員的心理壓力;可以給被困人員提供安全保護(hù)知識(shí);另外可以讓被困人員知道外界已經(jīng)獲得被困信號(hào)且正在處理途中。

③電梯維保刷卡簽到功能

對(duì)于電梯的檢驗(yàn)、維保等狀況，政府部門(mén)能夠?qū)崟r(shí)掌握，可以及時(shí)敦促有關(guān)方面落實(shí)責(zé)任，達(dá)到技術(shù)監(jiān)管的目的，有效杜絕無(wú)資質(zhì)維保人員無(wú)證上崗等現(xiàn)象，排除不按規(guī)定周期維保、檢驗(yàn)等不安全因素。

2 終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)

2.1 轎廂終端的設(shè)計(jì)

轎廂終端數(shù)據(jù)采集器如圖2所示，其采集安裝在電梯轎廂頂部的各種傳感器信號(hào)。

圖2 電梯轎廂終端數(shù)據(jù)采集器Fig.2 The terminal data collector of elevator car

安裝在轎廂頂部的傳感器包括上平層感應(yīng)器、下平層感應(yīng)器、門(mén)開(kāi)關(guān)感應(yīng)器、基站感應(yīng)器、上極限感應(yīng)器、下極限感應(yīng)器、紅外人體感應(yīng)器等。通過(guò)這些信號(hào)的整合，可以得出電梯的一些運(yùn)行狀態(tài)，如電梯沖頂、電梯蹲底、電梯困人、開(kāi)門(mén)運(yùn)行、門(mén)區(qū)外停梯、運(yùn)行時(shí)間超長(zhǎng)等。ZigBee模塊將這些數(shù)據(jù)傳送到機(jī)房終端。語(yǔ)音安撫模塊能及時(shí)對(duì)電梯內(nèi)的乘客進(jìn)行安撫，穩(wěn)定乘客情緒及給乘客提供安全保護(hù)知識(shí)，有效配合救援。

系統(tǒng)采用ZigBee等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞，根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)［8－9］。ZigBee的技術(shù)特性使其廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)控制和監(jiān)視等諸多領(lǐng)域。

ZigBee工作在2.4 GHz，適用于數(shù)據(jù)量較大的無(wú)線通信，ZigBee模塊間可以組成網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種設(shè)備類(lèi)型。

①協(xié)調(diào)器，它是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器。

②路由器，它是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其他設(shè)備，可以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋面，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)ZigBee路由器。

③終端設(shè)備，可以發(fā)送或接收信息但不能執(zhí)行任何路由操作，終端設(shè)備必須被聯(lián)接到協(xié)調(diào)器或一個(gè)路由器，并且不支持子設(shè)備。

當(dāng)轎廂終端和機(jī)房終端之間由于距離原因或由于阻擋物原因等不能直接通信時(shí)，可以在它們之間增加ZigBee的Router模塊，形成網(wǎng)絡(luò)，恢復(fù)通信。一幢大樓往往有多臺(tái)電梯，通過(guò)ZigBee組成網(wǎng)絡(luò)，可將所有數(shù)據(jù)匯集到機(jī)房終端上(機(jī)房終端的ZigBee模塊設(shè)置為協(xié)調(diào)器)。這樣只需一個(gè)GPRS模塊上傳數(shù)據(jù)。

2.2 機(jī)房終端的設(shè)計(jì)

電梯機(jī)房終端數(shù)據(jù)采集器如圖3所示。機(jī)房終端通過(guò)ZigBee模塊接收來(lái)自各個(gè)電梯轎廂終端發(fā)來(lái)的傳感器數(shù)據(jù)信息;同時(shí)機(jī)房終端數(shù)據(jù)采集器對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的牽引電機(jī)進(jìn)行測(cè)速，判斷電梯是否超速;當(dāng)有電梯維保人員維保時(shí)進(jìn)行RFID維保信息的采集，然后進(jìn)行信息的整合處理，最后通過(guò)GPRS模塊將電梯實(shí)時(shí)信息發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)。

圖3 電梯機(jī)房終端數(shù)據(jù)采集器Fig.3 The terminal data collector of elevator machine room

GPRS具有接入迅速、永遠(yuǎn)在線、流量計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)，在遠(yuǎn)程突發(fā)性數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸中有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，特別適合于頻發(fā)小數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)傳輸［10－11］，因而GPRS業(yè)務(wù)在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、自動(dòng)售貨系統(tǒng)、門(mén)禁保安系統(tǒng)、物質(zhì)管理系統(tǒng)等方面有特殊的應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)中GPRS模塊采用SIM300。它是一款三頻段GSM/GPRS模塊，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，并且擴(kuò)展了TCP/IP AT指令。SIM300使用串口通信的方式和外部連接，串口1可用作GPRS服務(wù)和發(fā)送控制模塊的AT指令。用戶利用該模塊能非常簡(jiǎn)單、方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。GPRS下行數(shù)據(jù)傳輸速度最大為85.6 kbit/s，上行數(shù)據(jù)傳輸速度最大為 42.8 kbit/s。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如下。

首先建立一個(gè)Socket，具有固定IP地址的服務(wù)器發(fā)送一個(gè)連接請(qǐng)求:AT+CIPSTART=“TCP”，“IP address”，“port”。其中，“IP address”為服務(wù)器端的 IP地址;“port”為端口號(hào)，范圍為0～65535。連接成功后，將電梯運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)或故障信息打包成固定數(shù)據(jù)幀格式，通過(guò)GPRS模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器，發(fā)送指令為AT+CIPSEND=發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，返回“〉”號(hào)后可以填寫(xiě)數(shù)據(jù)發(fā)送。發(fā)送完成后，發(fā)送指令A(yù)T+CIPCLOSE結(jié)束TCP連接。

服務(wù)器將收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。監(jiān)控中心主機(jī)登陸Internet服務(wù)器，并連接到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器讀取或查詢(xún)需要的數(shù)據(jù)?？蛻舳塑浖?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并模擬現(xiàn)場(chǎng)電梯直觀的運(yùn)行狀態(tài)圖，為電梯客戶提供服務(wù)。監(jiān)控中心的查詢(xún)命令和控制命令通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和GPRS網(wǎng)發(fā)送到GPRS模塊中，再由GPRS模塊傳送到終端設(shè)備并對(duì)它們進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)首次在電梯遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)中運(yùn)用了ZigBee無(wú)線組網(wǎng)傳輸技術(shù)，不僅解決了井道內(nèi)布線困難的問(wèn)題，而且降低了成本;而采用GPRS無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)也解決了在機(jī)房?jī)?nèi)增加網(wǎng)線困難的問(wèn)題。系統(tǒng)完善的語(yǔ)音安撫功能能減輕被困人員的心理壓力。結(jié)果顯示系統(tǒng)通用性強(qiáng)、安裝方便且更加人性化，為電梯安全監(jiān)管提供了新的技術(shù)支撐。

［1］李屹，張慧慧，鄭剛.電梯智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2009，31(8):55 －56.

［2］國(guó)際電梯網(wǎng).國(guó)際質(zhì)檢總局關(guān)于電梯安全問(wèn)題的集中答復(fù)［EB/OL］.［2011 － 10 － 11］.http://www.weee.cc/info/detail/2011/10/26445/.

［3］高潮，劉安厚，郭永彩.基于多種傳輸技術(shù)的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2009(11):135－137.

［4］伊?xí)鴸|，薛季愛(ài)，徐國(guó)強(qiáng).一種新型電梯遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2009(8):19－22.

［5］劉松國(guó)，韓樹(shù)新，李偉忠，等.電梯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)研究［J］.自動(dòng)化與儀表，2011(10):42－45.

［6］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 24475-2009電梯遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)［S］.2009:3－4.

［7］陳家勝.電梯結(jié)構(gòu)原理及安裝維修［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［8］余立建，王茜，李文仲.物聯(lián)網(wǎng)/無(wú)線傳感網(wǎng)實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2010.

［9］王益祥，牛江平.遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)的研究［J］.自動(dòng)化儀表，2011，32(3):4 －7.

［10］鄭丹丹，劉明蘭，何超.基于GPRS/GSM的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2007，28(12):49 －51.

［11］Eleview H S C.Remote intelligent elevator monitoring system［J］.International Journal of Computers and Applications，2004，26(2):111－118.