姚長鴻，夏鐘興

（杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，浙江　杭州　310000）

雷達監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

姚長鴻，夏鐘興

（杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，浙江杭州310000）

近年來電梯事故頻發(fā)，電梯的井道擠壓事件日益受到社會的關(guān)注.本文基于雷達監(jiān)測障礙物的敏感性，以電梯的安全性為切入點，從雷達監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用原理及雷達監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用的優(yōu)點，及系統(tǒng)設(shè)計、信號采集模塊設(shè)計，特點之處是以雷達檢測為技術(shù)，將障礙物的檢測嵌入安全管理，給電梯的安全管理注入的新的觀點.

電梯；安全設(shè)計；雷達監(jiān)測

基于雷達監(jiān)測原理，雷達監(jiān)控檢測技術(shù)主要由單片機CPU、雷達波震蕩發(fā)射傳感器、顯示屏和其他外圍電路及部分模擬電路組成.單片機CPU通過連接到總線的器件（CMOS、NMOS、PMOS、雙極性），邏輯0（低）和邏輯1（高）的電平不是固定的，它由電源VCC的相關(guān)決定，每傳輸一個數(shù)據(jù)位就產(chǎn)生一個脈沖.總線讀取MLX90615采集的雷達信號，將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的被測物體距離值并顯示在液晶屏上.實驗結(jié)果表示，雷達監(jiān)測距離0.5～1.5m間，準(zhǔn)確度達到了5厘米，實現(xiàn)了轎廂在井道內(nèi)行駛過程中的快速、準(zhǔn)確檢測障礙物的測量.本文介紹了一種基于I2C總線支持任何IC生產(chǎn)過程（NMOS CMOS、雙極性）.兩線―串行數(shù)據(jù)（SDA）和串行時鐘（SCL）線在連接到總線的器件間傳遞信息的安全設(shè)計.

1　雷達監(jiān)測井道障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用的基本原理

井道障礙物雷達監(jiān)安全系統(tǒng)可以通過雷達的距離檢測井道是否存在異常障礙物，并將測量到的信息送入系統(tǒng)安全回路控制單元，安全回路根據(jù)所接收到的信息進行轎廂是否正常行駛的安全判定，并向cpu發(fā)出動作指令.cpu根據(jù)接收的執(zhí)行信息啟動安全控制指令.

電梯轎廂主動安全系統(tǒng)如圖1所示.在轎廂的上下方裝有測距傳感器，用來對轎廂行駛區(qū)域障礙物的異常檢測，判斷轎廂與前方障礙物或障礙物之間距離，根據(jù)電梯額定輪速度，可測算出轎廂的安全報警距離，并在必要時觸發(fā)報警裝置、安全回路、曳引制動系統(tǒng)工作，發(fā)出制動執(zhí)行，同時該安全系統(tǒng)檢測出危險距離進行曳引減速控制.

2　雷達監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用的優(yōu)點

傳統(tǒng)電梯行駛區(qū)域的障礙物監(jiān)測存在盲區(qū)，只在軌道上下方有緩沖行程開關(guān)和極限開關(guān)，動態(tài)障礙物的主動監(jiān)測和非接觸式安全距離測量還存在盲區(qū)，主動雷達監(jiān)測井道障礙具有性能穩(wěn)定，反應(yīng)快速、智能誤小等優(yōu)點.雷達監(jiān)測障礙是通過紅雷達震蕩器采集被測區(qū)域的距離并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，單片機CPU單元將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為控制信號并與電梯安全回路和顯示回路相通.給傳統(tǒng)電梯加裝上新的安全主動控制系統(tǒng)，不失為井道事故頻發(fā)、民生關(guān)注熱點時期對傳統(tǒng)電梯的技術(shù)革新，雷達障礙物主動監(jiān)測控制具有高精度、速度快、操作簡便等優(yōu)點，更符合現(xiàn)代社會對安全的心理需求.

3　系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)使用雷達測距，雷達通過天線發(fā)射一個電磁波，電磁波在物體上反射雷達波束，并重新被雷達接收.在進行可靠性數(shù)據(jù)采集時，要對被試系統(tǒng)各用電器安全回路、安全器件進行全面的監(jiān)控和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)判斷，前提是：一是能夠從系統(tǒng)中獲得足夠多的可及測試節(jié)點但不能破壞被試系統(tǒng)完好性；二是信號模數(shù)轉(zhuǎn)換、出入接口必須連接可靠，能夠防止誤判和導(dǎo)致被試系統(tǒng)發(fā)生故障.按數(shù)據(jù)類型確定待測信號和采樣節(jié)點，并以電梯監(jiān)督檢驗的實際距離要求，作為信號判斷依據(jù)，設(shè)計采樣連接器模數(shù)轉(zhuǎn)換分析軟件接入電路可獲取監(jiān)控所需的信號.原狀態(tài)下電梯用電器單元直接與電梯電線束連接形成工作回路，在不影響原電路工作的情況下獲得電路狀態(tài)參數(shù).構(gòu)建多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對各節(jié)點處的電參數(shù)進行實時的測量和數(shù)據(jù)處理，便可實現(xiàn)準(zhǔn)確的障礙物的識別和定位.

雷達波測量距離是根據(jù)雷達發(fā)射信號和雷達接收信號間的時間來計算的，在直接反射時，波程傳播時間t，測量距離s則為vt除以2，即vt/2，.其中波速為光速c=300000km/s時，所以s為可測算值.

圖1　雷達監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)安裝示意圖

雷達監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的作用依據(jù)雷達震蕩波的原理進行距離測量.主要由單片機CPU、雷達波接受傳感器、顯示屏和其他外圍電路及部分模擬電路組成.其設(shè)計圖如圖2所示.當(dāng)系統(tǒng)處于工作時，雷達接受裝置將采集到的雷達波轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號.單片機CPU將采集的數(shù)字信號經(jīng)過運算后，顯示出距離值，并給控制室發(fā)出警示蜂鳴器鳴叫，同時達到預(yù)設(shè)極值時將信號反饋給安全回路，發(fā)出停機指令.

圖2　雷達監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)原理圖

4　信號采集部分

傳感器將采集到的雷達信號轉(zhuǎn)化為電信號，并經(jīng)過低噪聲放大器放大后送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器.模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號經(jīng)濾波器低通濾波器調(diào)理后送入數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器對數(shù)字信號運算處理后輸出測量結(jié)果并保存在通過SMBus或PWM方式供單片機CPU單元讀取.此系統(tǒng)是主動安全系統(tǒng)的核心，當(dāng)中央處理單元通過分析計算確定前方存在障礙物隱患時，便會啟動警報，采取減速操作；當(dāng)障礙物在危險距離內(nèi)，轎廂沒有有效制停，則主機關(guān)閉電源.

5　微處理單片機CPU

傳感器部分采用單片機8051F020系列.該控制器具有高速可靠、低功耗、寬溫度范圍等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電機控制、手持設(shè)備等場合.多通用I/O引腳、A/D轉(zhuǎn)換器等通信接口，能夠滿足雷達監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用要求.它對信息采集單元收集到的各種信息進行分析計算，并對轎廂危險或安全狀態(tài)進行實時辨識，當(dāng)距離達到極限值時輸出報警信號并通過安全回路控制自動使轎廂駐停.主要由距離傳感器、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和具有強大功能的DSP單元等組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖所示.

6　顯示和其他外圍設(shè)計

該設(shè)計顯示部分采用基于LCD1602的液晶芯片通用設(shè)計，在DB0～DB7與cpu單片機連接，用于顯示用戶用電信息；P25、P26、P27、分別控制LCD1602的寄存器選擇輸入端RS、讀寫控制輸入端R/W、使能信號輸入端E；通過調(diào)節(jié)R58電阻值的大小來控制液晶顯示的對比度.

6.1LCD液晶顯示器是一種極低功耗的顯示器件液晶顯示屏具有功耗低、體積小、對比度可調(diào)、內(nèi)置字符發(fā)生器、易匹配處理器等優(yōu)點.第1腳：VSS為接地電源；第2腳：VDD接5V正電源；第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度；第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器；第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作，當(dāng)RS和R/W同時為低電平時可以寫入指令或顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)；第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r，液晶模塊執(zhí)行命令；第7-14腳：D0—D7為8位雙向數(shù)據(jù)線；第15腳：背光源正極；第16腳：背光源負極.其他外圍輔助電路主要包括控制按鍵、報警電路、低功耗蜂鳴電路等部分.控制按鈕主要產(chǎn)生開/合的信號.

6.2軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計，主要包括：初始化模塊、按鍵檢測模塊、距離檢測模塊和液晶顯示模塊等.初始化模塊主要完成復(fù)位、通用I/O、中斷、定時器、I2C等初始化設(shè)置.按鍵檢測模塊主要是檢測按鍵是否按下，從而觸發(fā)外部中斷并執(zhí)行距離檢測功能.檢測模塊主要是按照I2C總線方式對數(shù)字傳感器進行讀取操作，按預(yù)定的公式將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成轎廂距離的值，顯示在液晶屏上，方便觀察數(shù)據(jù).當(dāng)距離達到極限值時時，報警功能發(fā)出警示.

7　距離檢測模塊

該系統(tǒng)可以根據(jù)轎廂的實際速度設(shè)定幾個判斷距離.比如A為安全報警距離，B為強制減速距離C為強制制動距離，其中A≥B≥C.程序控制流程圖如圖所示.系統(tǒng)工作時，不停地計算轎廂與前障礙物的實際距離，當(dāng)實際距離小于安全報警距離A，時，蜂鳴器開始嗚叫，提醒cpu注意控制轎廂速度；當(dāng)實際距離小于B.時，系統(tǒng)開始實施強制減速，此時，轎廂速度有下降表現(xiàn)，如果隨著與障礙物的實際距離小于C時，該系統(tǒng)進行強制制動措施.

微控制器單片機內(nèi)部集成了I2C串行接口，該設(shè)計采用兼容方式對MLX90615采集的雷達信號讀寫操作.主要包括讀取從地址、建立通訊協(xié)議、設(shè)置發(fā)射率、讀取被測物體數(shù)據(jù)、距離模數(shù)轉(zhuǎn)換等步驟，其程序流程在檢測模塊中對數(shù)字傳感器MLX90615進行讀寫操作，首先從器件MLX90615讀取子地址（SMBus從動器地址默認地址為5Bh）. MLX90615中發(fā)射率出廠設(shè)置為1.MLX90615的RAM單元07h地址存放的是被測物體的距離值，因此，按照I2C總線時序讀取多字節(jié)數(shù)據(jù). MLX90615中讀出的距離值轉(zhuǎn)換為實際距離.

電梯的安全距離由于現(xiàn)場和型號的差別，標(biāo)準(zhǔn)也有差異，同時隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，建立實時有效的數(shù)據(jù)庫十分必要.系統(tǒng)依托Microsoft SQL Server 2000，該管理系統(tǒng)能提供超大型系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)庫服務(wù)，具有不同問題發(fā)生的不同安全措施，Internet站點可將其數(shù)據(jù)分開存放在多臺服務(wù)器上，可以在一臺計算機上運行多個SQL Server 2000，該應(yīng)用程序通過Windows進程間通訊（IPC）組件（例如共享內(nèi)存）而非通過網(wǎng)絡(luò)連接到SQL Server 2000.盡管每個服務(wù)器需分開管理，但組內(nèi)的各個服務(wù)器可共同分擔(dān)數(shù)據(jù)庫處理負荷.通過SQL Toolkit建立ODBC數(shù)據(jù)源，對數(shù)據(jù)庫進行連接和數(shù)據(jù)信息存取的操作，從而確保了系統(tǒng)的靈活性和通用性.

8　“互聯(lián)+”實際效果

掛接ZigBee無線傳感節(jié)點和GSM/GPRS模塊；建立web服務(wù)器和SQLite數(shù)據(jù)庫，接收、解析和存儲ZigBee節(jié)點采集的生理數(shù)據(jù)，控制GSM/GPRS進行緊急呼救和短信發(fā)送；讓硬件智能化，提供自動距離功能，為管理部門和技術(shù)服務(wù)人員提供便利.

經(jīng)功能測試表明：

1.在通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋，測試電梯可以攜帶監(jiān)測設(shè)備；系統(tǒng)自動進行距離監(jiān)測，數(shù)據(jù)傳輸和存儲.

2.系統(tǒng)能夠智能的分析數(shù)據(jù)并將結(jié)果以短信形式發(fā)送到監(jiān)管與技術(shù)人員手機上，同時能夠智能緊急呼叫.

3.管理者或技術(shù)人員可以使用電腦等其它管理模塊設(shè)備，通過瀏覽器訪問，查看存儲的故障數(shù)據(jù)信息，或者96333（杭州地區(qū)電梯故障監(jiān)控服務(wù)平臺）電話查詢現(xiàn)場情況.

通過性能測試表明：

設(shè)備智能工作.管理者可以實時收到故障數(shù)據(jù)短信提示，但受傳感器信號覆蓋范圍的影響（測試表明，兩個傳感節(jié)點間可傳遞數(shù)據(jù)包的間隔距離上限為1.8米）.同時CPU設(shè)備存儲空間有限，存儲在SQLite數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)會每隔一段時間以數(shù)據(jù)包的形式通過GSM發(fā)送給管理者.

總體來說該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的故障監(jiān)測設(shè)備相比，具有易攜帶、低功耗、低成本等優(yōu)點，在未來的電梯遠程監(jiān)管和提高安全性能、提高應(yīng)急救援方面，有很大的市場前景.但系統(tǒng)依賴于強大的“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，工作主要性能是依托公共環(huán)境下無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建研究，及物聯(lián)網(wǎng)終端模塊的設(shè)備，才能實現(xiàn)更大范圍、更實用的遠程管理.

9　結(jié)束語

由于突發(fā)性的人員進入轎廂井道行駛區(qū)域，容易造成人員擠壓傷，傳統(tǒng)的安全控制方式已經(jīng)不能完全解決電梯運行中的危險因素.此款設(shè)計的雷達監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用采用低功耗的ARM處理器和高精度的雷達震蕩波傳感器，簡化了硬件和軟件設(shè)計任務(wù).提高了電梯運行中的安全系數(shù)，在未來“互聯(lián)網(wǎng)+”下，電梯安全方面具有廣泛的應(yīng)用前景.

〔1〕丁鷺飛.雷達原理［M］.電子工業(yè)出版社，2014.

〔2〕李道京.高分辨率雷達運動目標(biāo)成像探測技術(shù)［M］.國防工業(yè)出版社，2014.

〔3〕Clive Alabaster（C·阿拉巴斯特（英）.脈沖多普勒雷達——原理、技術(shù)與應(yīng)用［M］.電子工業(yè)出版社，2016.

〔4〕陳富龍，林琿，程世來.星載雷達干涉測量及時間序列分析的原理、方法與應(yīng)用［M］.科學(xué)出版社，2013.

〔5〕張新德.圖說液晶顯示器原理與快修［M］.機械工業(yè)出版社，2011.

〔6〕麥克依文，（英）卡西麥利.物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計從原型到產(chǎn)品［M］.人民郵電出版社，2015.

〔7〕徐宏喆，等.實用軟件設(shè)計模式教程［M］.清華大學(xué)出版社，2009.

TN959

A

1673-260X（2016）07-0162-03

2016-04-11