張吉祥 甘 晶 陳惠明

(南京林業(yè)大學機械電子工程學院1，江蘇 南京 210037;江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院2，江蘇 南京 210003)

0 引言

目前，我國電梯年產(chǎn)量、保有量、年增長量均為世界第一，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)場人員，但常常由于發(fā)現(xiàn)或通知不及時，導致救援時間過長。

國外電梯監(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)的價格比較昂貴，一般用戶難以承受［3－5］。國內(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)沒有提供電梯維保安檢電子標簽功能，對于電梯的檢驗、維保等狀況，政府質(zhì)監(jiān)部門不能夠?qū)崟r掌握和有效監(jiān)督;語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程實時監(jiān)測和報警系統(tǒng)的方案。

1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)平臺主要由三部分構(gòu)成:監(jiān)控中心、網(wǎng)絡傳輸和數(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)采集終端設計為轎廂終端和機房終端兩部分，如圖1所示。轎廂終端通過一系列傳感器采集電梯運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，轎廂終端和電梯機房終端之間的數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊傳輸。機房終端通過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)絡模塊傳輸至服務器。用戶通過計算機或者各種智能手機聯(lián)網(wǎng)就可以遠程監(jiān)測電梯實時運行狀態(tài)。

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

本文設計的系統(tǒng)是一個能實現(xiàn)電梯故障報警、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，其主要包括以下三方面功能。

①電梯遠程實時監(jiān)視報警功能

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時監(jiān)測電梯關人、沖頂、沉底等異常情況，并通過GPRS在第一時間傳送到物業(yè)用戶、維保單位和政府質(zhì)監(jiān)部門。

記錄下電梯的故障，并實時反映到監(jiān)控中心的監(jiān)控器，通過短信的方式發(fā)送給電梯維護人員，確保在電梯發(fā)生故障時工作人員第一時間趕到現(xiàn)場處理，減少人員被困的時間。

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

②語音安撫功能

電梯轎廂內(nèi)的語音安撫系統(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知識;另外可以讓被困人員知道外界已經(jīng)獲得被困信號且正在處理途中。

③電梯維保刷卡簽到功能

對于電梯的檢驗、維保等狀況，政府部門能夠?qū)崟r掌握，可以及時敦促有關方面落實責任，達到技術(shù)監(jiān)管的目的，有效杜絕無資質(zhì)維保人員無證上崗等現(xiàn)象，排除不按規(guī)定周期維保、檢驗等不安全因素。

2 終端數(shù)據(jù)采集設備的設計

2.1 轎廂終端的設計

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。

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器、下平層感應器、門開關感應器、基站感應器、上極限感應器、下極限感應器、紅外人體感應器等。通過這些信號的整合，可以得出電梯的一些運行狀態(tài)，如電梯沖頂、電梯蹲底、電梯困人、開門運行、門區(qū)外停梯、運行時間超長等。ZigBee模塊將這些數(shù)據(jù)傳送到機房終端。語音安撫模塊能及時對電梯內(nèi)的乘客進行安撫，穩(wěn)定乘客情緒及給乘客提供安全保護知識，有效配合救援。

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

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

①協(xié)調(diào)器，它是啟動和配置網(wǎng)絡的一種設備，一個ZigBee網(wǎng)絡只允許有一個ZigBee協(xié)調(diào)器。

②路由器，它是一種支持關聯(lián)的設備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其他設備，可以擴展網(wǎng)絡覆蓋面，一個ZigBee網(wǎng)絡可以有多個ZigBee路由器。

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

當轎廂終端和機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，可以在它們之間增加ZigBee的Router模塊，形成網(wǎng)絡，恢復通信。一幢大樓往往有多臺電梯，通過ZigBee組成網(wǎng)絡，可將所有數(shù)據(jù)匯集到機房終端上(機房終端的ZigBee模塊設置為協(xié)調(diào)器)。這樣只需一個GPRS模塊上傳數(shù)據(jù)。

2.2 機房終端的設計

電梯機房終端數(shù)據(jù)采集器如圖3所示。機房終端通過ZigBee模塊接收來自各個電梯轎廂終端發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù)信息;同時機房終端數(shù)據(jù)采集器對機房內(nèi)的牽引電機進行測速，判斷電梯是否超速;當有電梯維保人員維保時進行RFID維保信息的采集，然后進行信息的整合處理，最后通過GPRS模塊將電梯實時信息發(fā)送到Internet網(wǎng)絡。

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

GPRS具有接入迅速、永遠在線、流量計費等特點，在遠程突發(fā)性數(shù)據(jù)實時傳輸中有不可比擬的優(yōu)勢，特別適合于頻發(fā)小數(shù)據(jù)量的實時傳輸［10－11］，因而GPRS業(yè)務在遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)、自動售貨系統(tǒng)、門禁保安系統(tǒng)、物質(zhì)管理系統(tǒng)等方面有特殊的應用。

本設計中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服務和發(fā)送控制模塊的AT指令。用戶利用該模塊能非常簡單、方便地進行數(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 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計流程如下。

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

服務器將收到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控中心主機登陸Internet服務器，并連接到數(shù)據(jù)庫服務器讀取或查詢需要的數(shù)據(jù)?？蛻舳塑浖?shù)據(jù)進行處理，并模擬現(xiàn)場電梯直觀的運行狀態(tài)圖，為電梯客戶提供服務。監(jiān)控中心的查詢命令和控制命令通過互聯(lián)網(wǎng)和GPRS網(wǎng)發(fā)送到GPRS模塊中，再由GPRS模塊傳送到終端設備并對它們進行操作，實現(xiàn)對電梯的遠程監(jiān)控。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)首次在電梯遠程報警系統(tǒng)中運用了ZigBee無線組網(wǎng)傳輸技術(shù)，不僅解決了井道內(nèi)布線困難的問題，而且降低了成本;而采用GPRS無線傳輸數(shù)據(jù)也解決了在機房內(nèi)增加網(wǎng)線困難的問題。系統(tǒng)完善的語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、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。

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