巫濤江，柳 朋，余曉毅，吳德操，張春娟

(1.電梯智能運維重慶市高校工程中心，重慶 402260；2.重慶理工大學(xué) 光纖傳感與光電檢測重慶市重點實驗室，重慶 400054)

電梯是服務(wù)于當(dāng)今高層建筑的重要通行運輸設(shè)備，國家對此制定了嚴(yán)格的性能要求，歸納起來可分為4點：安全性、可靠性、舒適性和平層精度。其中前3點均與電梯運行中的振動強度密切相關(guān)。振動本質(zhì)上是加速度變化的高頻分量。由于轎廂式電梯在運行中存在頻繁的啟動加速和制停減速過程，其加減速的均勻性以及在勻速階段的平穩(wěn)性可以由縱向振動強度來進(jìn)行統(tǒng)一描述。而橫向振動強度則與軌道間隙相關(guān)，能在一定程度上反映軌道的變形量[1-2]。因此，實時檢測電梯運行中轎廂的振動信號，有助于分析電梯的性能參數(shù)，保障電梯的運行安全以及乘客的乘坐體驗。

根據(jù)國家GB/T 10058—2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電梯轎廂運行在恒定加速度中，垂直方向(Z軸方向)振動最大峰峰值應(yīng)小于0.3 m/s2。同時按照我國《電梯技術(shù)條件》中的相關(guān)規(guī)定，電梯的起制動應(yīng)平穩(wěn)、迅速，加、減速度最大值不大于1.5 m/s2。為了保證電梯的工作效率，還規(guī)定了 “交直流快速電梯平均加、減速度不小于0.5 m/s2，直流高速電梯平均加、減速度不小于0.7 m/s2”。同時，在常規(guī)電梯技術(shù)中為使電梯乘坐舒適，也必須控制電梯運行中的振動，尤其是病床電梯等特種電梯應(yīng)嚴(yán)格保證運行的平穩(wěn)性，其水平振動加速度應(yīng)不大于0.05 m/s2。此外，電梯運行的平穩(wěn)性與其拖動系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)的制造、安裝精度和維修保養(yǎng)的質(zhì)量有密切關(guān)系。在電梯常規(guī)維護(hù)中一般不對電梯的運行振動強度進(jìn)行詳細(xì)檢測，電梯平穩(wěn)性一般僅由維保人員的體感判斷，存在較大誤差，大量故障不能被及時發(fā)現(xiàn)。添加對電梯轎廂加速度和振動強度進(jìn)行實時監(jiān)測的傳感裝置，當(dāng)出現(xiàn)轎廂異常時能夠精準(zhǔn)報警，及時排查安全隱患，可有效保障電梯安全、平穩(wěn)、舒適地運行。

目前,電梯振動測量方法可分為兩類:一類是利用傳統(tǒng)標(biāo)尺、鉛錘等物理工具測量的方法，該方法成本低、操作簡單，但是受人為影響誤差較大，且不能實現(xiàn)長期實時監(jiān)測。另外一類是利用加速傳感技術(shù)或激光測距技術(shù)來實現(xiàn)的現(xiàn)代測量方法，具有時效性高、儀器使用方便、工作穩(wěn)定等特點，但目前這些設(shè)備大多數(shù)以單機現(xiàn)場測量方式為主，對執(zhí)行測試的人員要求較高，面對電梯集群尚未實現(xiàn)互聯(lián)監(jiān)測與實時預(yù)警。

MEMS傳感器是一種尺寸極小、低成本、高集成的智能傳感系統(tǒng)，由微電子技術(shù)發(fā)展而來，可廣泛應(yīng)用于通信、檢測、信號處理等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)[3-4]。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起與發(fā)展，要求由終端進(jìn)行傳感數(shù)據(jù)采集，并通過無線通信鏈路將數(shù)據(jù)發(fā)至云端進(jìn)行分布式處理，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、跨域區(qū)的信息監(jiān)測?；贛EMS技術(shù)的微型傳感器由于其相對傳統(tǒng)傳感器具備低成本、超低功耗、全數(shù)字輸出的特性，不需要設(shè)計復(fù)雜的供電、信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，大幅縮減了設(shè)備體積，成為目前物聯(lián)網(wǎng)傳感領(lǐng)域的主流技術(shù)。

基于MEMS技術(shù)的加速度傳感器主要可分為壓電式、電容式和熱感應(yīng)式三類，在不同的應(yīng)用層面都各有優(yōu)缺點。本文采用了由ST公司推出的新一代電容式三軸加速度傳感器LIS3DH[5]，由MEMS傳感器和一枚ASIC接口芯片兩部分組成，前者用于測量X、Y、Z三個方向的區(qū)域位移量，后者則將電容值的變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。MEMS傳感器利用硅的機械性質(zhì)設(shè)計出的兩組可移動硅梳齒機械結(jié)構(gòu)，一組相當(dāng)于固定的電極，另一組為可移動電極隨待測物移動。當(dāng)可移動的梳齒產(chǎn)生了位移，就會隨之產(chǎn)生與位移成比例電容值的改變。當(dāng)待測物在變速運動時，其內(nèi)部電容的變化量(ΔC)由ASIC接口芯片轉(zhuǎn)換成電壓數(shù)字值輸出。LIS3DH采樣率高達(dá)5 kHz，量程達(dá)16g，振動檢測帶寬大于1 kHz，符合電梯轎廂振動檢測的實際需求。

1 原理

電梯轎廂在運行中的加速度可分為兩類，電梯啟動與制停所產(chǎn)生的運行加速度(為低頻信號)和轎廂的振動加速度(為高頻信號)。因此，引入4階高通/低通數(shù)字濾波器對加速度信號進(jìn)行頻率分離，分別獲得低頻分量a和高頻分量z。經(jīng)過實測驗證，設(shè)置截止頻率為2～4 Hz時所測信號較為理想。同時，引入歸一化信號幅度域SMA[4]，對三軸振動進(jìn)行整體分析，如下所示：

(1)

式中,zX(t)，zY(t)，zZ(t)分別為振動高頻分量z電梯轎廂在X，Y，Z軸的方向分量;T為歸一化時間，那么電梯振動信號值可表示為

(2)

根據(jù)國家GB/T 10058—2009標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)

(3)

或垂直(Z軸方向)振動大于0.3 m/s2、水平(X、Y軸方向)振動大于0.05 m/s2時便可進(jìn)行報異常警，當(dāng)S大于1 m/s2時進(jìn)行振動危險報警。

同理，定義整體運行加速度A的報警閾值為

(4)

2 系統(tǒng)設(shè)計

本振動監(jiān)測系統(tǒng)為分布式設(shè)計，如圖1所示，包括前端振動監(jiān)測節(jié)點、無線路由器、云服務(wù)器3個部分，從而構(gòu)建完整的LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)。LoRa網(wǎng)絡(luò)基于Chirp擴頻(Chirp Spread Spectrum,CSS)調(diào)制技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，直線傳輸距離可達(dá)8 km，即使在城區(qū)環(huán)境下單個路由器也足以實現(xiàn)整個住宅小區(qū)的信號覆蓋[9-10]，極大地降低了組網(wǎng)成本和運營成本。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

前端監(jiān)測節(jié)點安裝在每個電梯轎廂內(nèi)，主要包含MEMS加速度傳感器、微控器(Microcontroller Unit，MCU)與LoRa[8]射頻單元。其中，MCU利用I2C接口獲取LIS3DH在電梯轎廂X、Y、Z三軸方向測得的振動數(shù)據(jù)，并通過LoRa網(wǎng)絡(luò)將壓縮后的異常振動數(shù)據(jù)傳輸至無線路由器。多個電梯監(jiān)測節(jié)點可與LoRa路由器建立星形無線連接，再由路由器將數(shù)據(jù)通過有線以太網(wǎng)或4G Cat1網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端服務(wù)器。系統(tǒng)采用Semtech公司提供的SX1278作為前端監(jiān)測節(jié)點的LoRa射頻單元，而無線路由器則選擇具有8通道同步收發(fā)能力的SX1301射頻單元，以提高數(shù)據(jù)吞吐能力。

云端服務(wù)器利用MySQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)海量電梯節(jié)點的振動數(shù)據(jù)存儲，服務(wù)器軟件架構(gòu)如圖2所示，包含數(shù)據(jù)訪問層、邏輯控制層、表示層3個部分，分別用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的解析和存儲，振動數(shù)據(jù)的解算、分析和故障預(yù)警，以及對客戶訪問邏輯處理。

圖2 云端軟件架構(gòu)

客戶端采用了客戶端/服務(wù)器(Client/Server，C/S)與瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)混合訪問設(shè)計。其中，C/S客戶端軟件采用LabVIEW編寫[11-12]，如圖3所示，可方便維保人員登錄服務(wù)器實時觀察特定電梯的運行振動情況，實現(xiàn)電梯故障的快速診斷。

圖3 C/S客戶端系統(tǒng)管理界面

B/S客戶端以網(wǎng)頁方式進(jìn)行訪問，如圖4所示，通過對歷史振動數(shù)據(jù)分析，反映電梯的長期工況。

圖4 B/S客戶端

3 實驗分析

為了驗證系統(tǒng)的振動監(jiān)測性能，實驗將前端監(jiān)測節(jié)點安裝到一臺微型電梯模型的轎廂側(cè)面，如圖5所示，以便于模擬各類突發(fā)事件所產(chǎn)生的振動信號。通過本系統(tǒng)采集不同工況下的振動數(shù)據(jù)，同時對比參考傳感器的測量結(jié)果，驗證本系統(tǒng)測量的可靠性。參考傳感器為上海傳振電子科技有限公司生產(chǎn)的CZ820高精度壓電式振動傳感器，原理為壓電晶體受到力的作用，受壓變形產(chǎn)生電荷，晶體兩端形成電勢差，經(jīng)過集成電路處理后輸出與振動速度成比例的電壓信號，具有頻率范圍寬、動態(tài)范圍大、堅固耐用、可靠性強、穩(wěn)定性好、安裝方便和抗干擾能力強等優(yōu)點，可滿足本實驗對比測量要求。

圖5 電梯模型

表1 正常運行條件下水平振動實驗數(shù)據(jù) 單位：m/s2

以相同實驗條件運行模型電梯，從第1層開始，分別記錄電梯在第2～第7層?？克查g的整體振動信號S；參考水平振動測量步驟，記Z軸正向為正行程(低層至高層運行)、Z軸負(fù)向為負(fù)行程(高層至低層運行)，分組測量。分別測得電梯轎廂在正、負(fù)行程下的振動數(shù)據(jù)如表2所示，基于MEMS技術(shù)的電梯振動傳感器測量得到的振動信號與參考傳感器所測值相近，差值均小于0.015 m/s2，可完全勝任電梯日常運行中振動的長時監(jiān)測。

表2 正常運行條件下整體振動實驗數(shù)據(jù) 單位：m/s2

通過控制模型電梯電源的通斷與鋼纜拽引，可模擬電梯在運行中驟停、加速墜落、外部撞擊等常見突發(fā)情況，電梯轎廂在多種運行狀態(tài)下測得的整體振動數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 異常狀態(tài)下整體振動實驗數(shù)據(jù) 單位：m/s2

在幾種常見意外情況下，基于MEMS技術(shù)的電梯振動傳感器能夠很好地測量電梯運行中遇到意外所產(chǎn)生的振動信號，與參考傳感器誤差值均小于10%，且在前端PC服務(wù)器上能正確產(chǎn)生報警信號，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計效果。

4 結(jié)束語

基于MEMS技術(shù)研制了一種分布式電梯振動監(jiān)測系統(tǒng)，利用LoRa射頻芯片建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)跨區(qū)域的電梯安全監(jiān)測。由實驗數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)的振動監(jiān)測性能優(yōu)異，與傳統(tǒng)壓電式傳感器對比，在電梯正常運行時測量值誤差很??；在電梯異常狀態(tài)下，本系統(tǒng)的誤差雖有所增大，但仍能準(zhǔn)確判斷異常狀態(tài)，而成本和體積相較傳統(tǒng)傳感器大幅降低，具備良好的實用價值。

未來，以該傳感網(wǎng)絡(luò)為平臺，可在電梯轎廂內(nèi)集成更豐富的MEMS傳感器，進(jìn)一步提高故障預(yù)警精度。例如一些早期電梯軌道故障并不會引起明顯的轎廂振動，但會產(chǎn)生較大的噪聲或異響，通過集成矩陣式MEMS麥克風(fēng)和MEMS氣壓計可以快速追蹤噪聲方位和高度，從而確定軌道故障的確切位置。此外，在云端平臺還可引入大數(shù)據(jù)分析算法，實現(xiàn)對特定型號電梯的質(zhì)量分析，發(fā)現(xiàn)其可能存在的一些設(shè)計缺陷。