羅永通 林創(chuàng)魯 張巍

開發(fā)設(shè)計

基于MQTT的電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端預(yù)警軟件*

羅永通 林創(chuàng)魯 張巍

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510180）

電梯遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警是提升電梯安全運(yùn)行的新舉措。提出基于MQTT的電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端預(yù)警軟件，實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測及故障預(yù)警，且預(yù)警信息可實(shí)時發(fā)送至手機(jī)終端。經(jīng)測試表明：該軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，狀態(tài)監(jiān)測準(zhǔn)確，預(yù)警及時有效，可提高電梯故障的處理效率。

消息隊列遙測傳輸；電梯物聯(lián)網(wǎng)；故障預(yù)警；狀態(tài)監(jiān)測

0 引言

目前，我國電梯產(chǎn)量和電梯保有量均為世界第一[1]。電梯安全事故偶有發(fā)生，如何及時發(fā)現(xiàn)電梯故障并采取有效措施加以處理，已成為電梯使用單位、監(jiān)管部門和維保單位共同應(yīng)對的課題。電梯物聯(lián)網(wǎng)是解決上述問題的技術(shù)手段之一。為此，根據(jù)電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文提出一種基于消息隊列遙測傳輸（message queuing telemetry transport, MQTT）[2]的電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端預(yù)警軟件，通過對電梯信號采集、故障識別和實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)電梯的遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障預(yù)警[3]。

1 電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由電梯物聯(lián)網(wǎng)終端、MQTT云服務(wù)器和移動端APP 3部分組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端通過電梯控制器接口或傳感器獲取電梯實(shí)時數(shù)據(jù)；通過信號識別和判斷獲得電梯運(yùn)行狀態(tài)及故障預(yù)警信息；借助4G網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器，根據(jù)MQTT發(fā)布訂閱的協(xié)議進(jìn)行通信，將電梯運(yùn)行狀態(tài)和故障預(yù)警信息等以Publish控制報文的格式發(fā)布主題到MQTT云服務(wù)器和移動端APP，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警的實(shí)時監(jiān)測和快速響應(yīng)。MQTT云服務(wù)器和移動端APP方便用戶遠(yuǎn)程登錄并查看電梯的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)和故障預(yù)警信息。

圖1 電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測預(yù)警軟件設(shè)計

為使電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)具有較強(qiáng)的事務(wù)處理能力，電梯物聯(lián)網(wǎng)終端采用Linux操作系統(tǒng)，C語言編程，基于多任務(wù)軟件架構(gòu)，開發(fā)環(huán)境為ubuntu16.04；開源MQTT消息服務(wù)器EMQX在Erlang/OTP語言平臺開發(fā)，支持大規(guī)模連接和分布式集群；移動端APP的開發(fā)工具為AndroidStudio IDE，采用Java語言開發(fā)，手機(jī)系統(tǒng)版本不低于Android 8.0。

基于MQTT的電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端預(yù)警軟件分為多任務(wù)數(shù)據(jù)采集、故障預(yù)警、MQTT數(shù)據(jù)管理和人機(jī)交互4大模塊，功能框圖如圖2所示。

圖2 基于MQTT的電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端預(yù)警軟件功能框圖

3 關(guān)鍵模塊實(shí)現(xiàn)

3.1 多任務(wù)數(shù)據(jù)采集

3.1.1 多任務(wù)環(huán)境構(gòu)建

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端需實(shí)現(xiàn)電梯數(shù)據(jù)采集、邏輯判斷、通訊傳輸和故障預(yù)警等多個任務(wù)。為此，電梯物聯(lián)網(wǎng)終端軟件采用適用于ARM9硬件平臺的多任務(wù)軟件架構(gòu)，uboot版本為uboot-20130729；內(nèi)核版本為linux-3.5-20170221；busybox版本為busybox-1.20.0；移植USB驅(qū)動、4G驅(qū)動、串口驅(qū)動、I/O驅(qū)動、數(shù)碼管驅(qū)動、按鍵驅(qū)動等，終端應(yīng)用程序涉及的多任務(wù)功能框圖如圖3所示。

圖3 應(yīng)用程序多任務(wù)功能框圖

3.1.2 電梯實(shí)時數(shù)據(jù)采集

在Linux多任務(wù)處理環(huán)境基礎(chǔ)上，采用輪詢方式定時向串口發(fā)送查詢電梯實(shí)時采集命令，并創(chuàng)建獨(dú)立的線程池來接收、解析和存儲串口應(yīng)答數(shù)據(jù)。電梯實(shí)時采集的數(shù)據(jù)主要包括轎門、層門、平層、電梯運(yùn)行、檢修、內(nèi)呼指令、安全回路、報警按鈕、機(jī)房門和消防運(yùn)行等信號。根據(jù)電梯實(shí)時采集的數(shù)據(jù)對電梯運(yùn)行模式、實(shí)時狀態(tài)、機(jī)房巡檢等進(jìn)行多維度監(jiān)測。電梯實(shí)時數(shù)據(jù)采集流程圖如圖4所示。

圖4 電梯實(shí)時數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2 故障預(yù)警

通過分析采集的電梯實(shí)時數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)警判斷邏輯并結(jié)合相關(guān)的定時器，經(jīng)識別處理實(shí)現(xiàn)電梯故障預(yù)警。電梯故障識別主要包括關(guān)門故障、開門故障、困人故障、通訊故障、網(wǎng)絡(luò)故障、速度故障和內(nèi)呼按鈕故障等。電梯預(yù)警主要包括轎門預(yù)警、層門預(yù)警、無運(yùn)行預(yù)警等。電梯故障預(yù)警流程圖如圖5所示。

圖5 電梯故障預(yù)警流程圖

3.3 MQTT數(shù)據(jù)管理

電梯物聯(lián)網(wǎng)采用傳統(tǒng)HTTP協(xié)議存在時效性差、傳輸效率低、功耗大、不支持QoS等問題，本文采用MQTT協(xié)議作為物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議。

電梯實(shí)時數(shù)據(jù)采用MQTT加JSON格式進(jìn)行數(shù)據(jù)上報，報文格式為“終端設(shè)備的時間戳、數(shù)據(jù)類型、負(fù)荷”，報文示例為

{"timestamp":"2019-12-03T11:40:45+08:00", "data_type":2,"data":[{ "device_id":"010005043070","lift_number":1,"rbe":"0x00000000000000101000" }]}，其中負(fù)荷含有3個對象：第一個對象為設(shè)備ID，1個MQTT云服務(wù)器可與多個電梯物聯(lián)網(wǎng)終端通訊，數(shù)據(jù)信息報文以2 s/次的頻率發(fā)送；第二個對象為電梯的485地址，1個電梯物聯(lián)網(wǎng)終端可與多臺電梯進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集；第三個對象為電梯實(shí)時狀態(tài)和故障預(yù)警，前10個字節(jié)中每個字節(jié)1表示電梯信號有效，后10個字節(jié)表示故障預(yù)警有效，電梯故障預(yù)警報文發(fā)送流程圖如圖6所示。

圖6 電梯故障預(yù)警報文發(fā)送流程圖

3.4 人機(jī)交互

用Qt開發(fā)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)用戶與界面動態(tài)交互。為滿足交互需求，設(shè)計交互界面、自定義交互字庫以及通信接口3部分。交互界面設(shè)計主要考慮數(shù)據(jù)和用戶之間的交互過程；自定義交互字庫設(shè)計根據(jù)嵌入式特點(diǎn)，移植字庫；通信接口設(shè)計主要涉及數(shù)據(jù)與界面交互的數(shù)據(jù)格式，提高數(shù)據(jù)顯示效率。

4 軟件測試

基于MQTT的電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端預(yù)警軟件測試采用人為模擬的實(shí)際故障來驗(yàn)證困人故障、檢修和關(guān)門故障。測試電梯的型號為HGP-1050-C0150，速度為1.75 m/s，承重為1050 kg，層站門數(shù)為20/20/20，提升高度為74 m。電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端現(xiàn)場安裝圖如圖7所示；人機(jī)交互測試界面如圖8所示；現(xiàn)場部分功能驗(yàn)證測試結(jié)果如表1所示。

圖7 電梯物聯(lián)網(wǎng)終端現(xiàn)場安裝圖

圖8 人機(jī)交互測試界面

表1 現(xiàn)場部分功能驗(yàn)證測試結(jié)果

5 結(jié)語

本文設(shè)計基于MQTT的電梯物聯(lián)網(wǎng)預(yù)警終端軟件，構(gòu)建電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測多任務(wù)運(yùn)行環(huán)境，采用基于MQTT的電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸報文，實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行信號實(shí)時采集、故障識別和故障預(yù)警等功能。與HTTP相比，MQTT具有完全開源、網(wǎng)絡(luò)帶寬要求低、服務(wù)質(zhì)量可配置、通信流量低等優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣泛。

[1] 吳熠銘,林創(chuàng)魯,李昌,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯運(yùn)行安全監(jiān)測軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].自動化與信息工程,2013,34(1):26-29,40.

[2] 唐一晟,陳俊凱,陳涌楠,等.基于MQTT的輕量級AGV小車系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2020,10(7):76-78.

[3] 姚麗麗.基于MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳方案研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2020,10(10):30-32.

Early Warning Software of Elevator Internet of Things Monitoring Terminal Based on MQTT

Luo Yongtong Lin Chuanglu Zhang Wei

(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing, Guangzhou 510180, China)

Elevator remote condition monitoring and fault early warning is a new measure to improve the safe operation of elevator. This paper proposes the system architecture of elevator Internet of things based on mqtt, designs the early warning software of elevator Internet of things monitoring terminal, realizes the real-time monitoring of elevator operation status and fault early warning, and the early warning information can be sent to the mobile terminal in real time. The test shows that: the software runs stably and reliably, the condition monitoring is accurate, the early warning is timely and effective, and it can improve the processing efficiency of elevator fault.

MQTT; elevator internet of things; fault early warning; condition monitoring

廣東省市場監(jiān)督管理局科技項(xiàng)目（2020CT08）

羅永通，男，1991年生，本科，助理工程師，主要研究方向：特種設(shè)備智能監(jiān)測與預(yù)警。E-mail: 1264240941@qq.com

林創(chuàng)魯，男，1983年生，碩士，副研究員，主要研究方向：特種設(shè)備智能監(jiān)測與預(yù)警。

張巍，男，1979年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：電梯安全監(jiān)控與應(yīng)急處置。

TP277

A

1674-2605(2021)03-0005-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.03.005