基于3G+Internet網絡的電梯遠程監控系統設計

鄭永康　陳俊武　李強

摘 要： 通過對電梯遠程監控系統數據采集和數據傳輸方式的分析，提出對電梯實時運行信號和轎廂音視頻信號分別進行采集，并通過3G網絡和Internet網絡進行傳輸的遠程數據采集和傳輸的技術方案，提高了數據采集的可靠性和傳輸時效，降低了運行費用。通過電梯數據采集器、IPC（網絡攝像頭）、數據綜合和發布裝置以及交換機，將分布在各處的電梯運行狀況和故障信息通過3G網絡和Internet網絡及時傳輸到遠程監控中心，并通過監控中心監控終端的操作，實現對各處電梯的遠程監視和控制。實際應用效果表明，該設計具有較好的適用性和推廣價值。

關鍵詞： 電梯遠程監控系統； 3G； 互聯網； 數據采集

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）07-32-04

0 引言

目前我國在用電梯已突破160萬臺，電梯運行的安全性、可靠性管理已經成為一個的重要問題。電梯遠程監控系統能夠同時監控多處多臺電梯的實時運行狀態和電梯轎廂內的音視頻信號，及時發現并排除故障，保障電梯的正常運行。

目前現有的商業化運作的電梯遠程監控系統包括三菱電梯、日立電梯、蒂森電梯等，采用計算機建立狀態數據檔案，實現24小時監控，但系統只能監控本公司的電梯，對其他公司電梯不能兼容[1]。因此國內的電梯生產企業需開發配套的電梯遠程監控系統，以提高產品的競爭力。

將監控端采集到的數據傳送到遠程監控中心，各種電梯遠程監控系統所采用的傳輸方式有多種，早期的有電話線有線傳輸[2]或者是GSM短消息通訊方式。電話線有線傳輸方式只適用于小范圍小區域的監控系統，對于大范圍的全局監控管理幾乎是不可能的；GSM短信通訊一定存在延時，容易發生阻塞，這對實時性要求較高的監控系統有很大影響，并且傳輸信息量少。隨著互聯網技術與通訊技術的發展，出現了各種采用Internet網絡、移動通訊網絡的傳輸方式。文獻[3]利用GPRS/GSM網絡實現電梯監控數據的傳輸，提高了數據傳輸的實時性，但數據傳輸費用較高；文獻[4]采用Internet網絡傳輸，降低了監控系統的數據傳輸費用；文獻[5]采用3G網絡實現數據傳輸，滿足了大數據量實時傳輸的需求。以上各種電梯遠程監控方案對電梯的實時運行狀態和轎廂內的音視頻信號采取統一的數據采集與傳輸，沒有滿足這兩類信號在傳輸數據量、實時性和傳輸可靠性的不同要求，無法兼顧數據傳輸性能與傳輸費用。

針對以上問題，本文在電梯監控端對電梯實時運行狀態和轎廂內的音視頻信號分別進行采集，并根據它們的特點與傳輸要求，兼顧數據傳輸費用，分別采用3G網絡和Internet網絡進行傳輸，既有效保證了信號采集的可靠性，又能在保證數據傳輸性能要求的基礎上降低數據傳輸費用，還可以根據電梯所處環境的不同，方便調整數據信號傳輸的方式，使電梯遠程監控系統的實施具有靈活性。

1 系統總體設計

電梯遠程監控系統對電梯內的檢測信號繁多，主要分為電梯的實時運行狀態和電梯轎廂內的音視頻信號兩大類。電梯的實時運行狀態的檢測數據具有間斷、突發、數據量少的特點，對傳輸的實時性和可靠性要求高；梯轎廂內的音視頻信號的檢測數據則有持續、數據量大的特點，對傳輸的實時性和可靠性的要求不是太高。3G移動通信技術是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通訊技術，速率一般在幾百kbps以上，它允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，不需要利用電路交換模式的網絡資源，可靠性高，不受地理位置的限制，特別適用于實時運行狀態的檢測數據的傳輸；Internet網絡傳輸費用低，適合電梯轎廂內的音視頻信號采集數據的傳輸。

為保證電梯檢測信號采集的可靠性，本系統對這兩類檢測信號分開采集。對電梯實時運行狀態信號由數據采集卡通過與電梯控制主板串行連接進行采集，通過數據總線傳輸至遠程監控終端的數據綜合和發布裝置進行集中與緩存，由與之相連的3G模塊進行傳輸；轎廂內的音視頻信號則由安裝在轎廂內的IPC采集，通過網絡線由TCP/IP協議傳送到遠程監控終端的交換機，再連接到Internet網絡傳輸。交換機與數據綜合和發布裝置連接，當遠程監控終端沒有3G網絡或Internet網絡時，系統可以采用其中任意一種網絡方式來傳輸全部監控數據，提高了系統組網的靈活性。

本系統能實現遠程訪問電梯，讀取電梯的運行參數及歷史故障記錄，通過解析電梯的運行參數，了解當前電梯的運行狀態；通過解析電梯的故障代碼，了解當前電梯發生的歷史故障；通過遠程診斷，協助維保人員更好地對電梯進行保養；通過音視頻監控電梯內的狀況并與電梯乘客通話。

遠程監控系統分為數據采集端、網絡傳輸和遠程監控端三部分。數據采集端由位于控制柜附近安裝的數據采集器、轎廂內安裝的音視頻采集模塊和機房安裝的數據綜合和發布裝置組成；網絡傳輸由3G網絡模塊和交換機組成；遠程監控端由終端服務器、手持或監控中心的終端設備組成。系統架構如圖1所示。

以下介紹系統主要組成部分的功能。

⑴ 數據采集器

數據采集器通過RS422通訊方式與電梯控制板連接，實現對電梯的監控、記錄并分析電梯的實時運行狀態，當電梯發生故障時，可迅速報警并上傳故障代碼到數據綜合和發布裝置。

⑵ 音視頻采集模塊

采用IPC設備，采集轎箱內的視頻數據及音頻數據，通過TCP/IP協議發送給交換機。

⑶ 數據綜合和發布裝置

接收數據采集器發送的數據，并可接收交換機發送的音視頻數據，通過本地存儲器保存數據，再通過3G發射器將數據發送出去。

⑷ 3G網絡模塊

采用3G模塊實現與3G網絡的聯通，實時把采集模塊和音視頻采集模塊采集到的數據發送到3G網絡中，并接收遠程監控中心發送的指令和網絡中的音頻數據。

⑸ 交換機

接收各個電梯的音視頻采集數據，與Internet網絡連通發送數據，并與數據綜合和發布裝置連通，向它發送音視頻數據，或接收它發送來的電梯運行數據。

⑹ 終端服務器

包括Web服務器、數據庫服務器和數據庫。Web服務器實時監測網絡端口，接收通訊網絡發送來的電梯實時運行數據和音視頻數據，通過數據庫服務器實時存入數據庫中，在需要時提取數據庫中的歷史數據。

⑺ 管理終端

包括各種PC機、平板電腦、手機等各種固定或移動智能終端，接收終端服務器發送來的信息，直觀地了解當前電梯的運行狀態，并向電梯控制板發送控制指令，實時查詢電梯的運行狀態，實現電梯的遠程診斷及遠程維保功能。

2 數據采集端的設計

2.1 硬件設計

⑴ 數據采集器

數據采集器采用Cortex-M0作為核心芯片，通過RS422通訊方式與電梯控制板連接，利用422電平轉換芯片進行電平轉換后與電梯主控板進行數據通信，讀取電梯的運行方向、當前層站、轎門開閉等運行參數和門區外停梯、沖頂、蹲底、運行中開門和超速等故障信息，并可對電梯主控板進行參數設置。數據采集器采用標準串行通信方式，并取電梯主控板422接口處的5V電源為采集器供電。利用485串行通訊接口通過數據總線與數據綜合和發布裝置進行數據通信，轉發電梯的運行參數與故障信息。RS232 console接口利用232串口與調試顯示設備進行數據通信，在進行本地調試的時候輸出調試信息供調試者觀察。RS232程序燒寫口利用232串口與ISP燒寫工具連接實現串口形式對CPU進行程序燒寫，方便程序調試和修改等操作。數據采集器的硬件模塊結構如圖2所示。

⑵ 數據綜合和發布裝置

數據綜合和發布裝置采用基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器S3C2440A作為核心，綜合了RS485模塊、USB-3G功能模塊、網口模塊、蓄電池模塊、USB接口模塊和RS232 Console接口模塊等。RS485模塊以HOST模式運行，通過485總線連接多個電梯數據采集器。網口利用網絡協議接口芯片進行數據轉換后與局域網連接，收發音視頻數據。USB-3G模塊引用CPU的一對USB接口與其他輔助電路組成USB HOST模式接口，用于連接3G模塊并和其進行通訊，達到利用3G模塊發送和接收數據的效果。引用CPU的一對USB接口與其他輔助電路組成USB HOST模式接口，用于讀取作為音視頻暫存器的U盤或其他USB設備。數據綜合和發布裝置的模塊結構如圖3所示。

2.2 軟件設計

數據采集器、數據綜合和發布裝置的軟件是基于Linux操作系統的，使用C語言和keil C51開發工具進行開發[6]。

數據采集器程序主要有電梯控制信號采集子程序和串口通信子程序。電梯控制信號采集子程序針對的是公司電梯控制器主板，根據主板型號與通訊協議直接從主板獲取電梯的實時運行參數，通過RS422接口傳回數據采集器。串口通信子程序完成采集模塊與數據綜合和發布裝置之間的數據傳輸。

數據綜合和發布裝置實現IP模塊相關指令及3G模塊相關指令[7]，完成上網、建立連接、發送數據等功能。程序分為主程序、終端串口通信子程序。主程序完成3G模塊初始化與網絡連接等操作。串口通信子程序完成與數據采集器之間的數據傳輸，采用串口通信的方式控制3G模塊，通過向串口寫命令，對模塊發出控制指令，根據串口返回的信息來判斷執行情況。這個過程和Windows里面的“超級終端”工具十分相似。消息是以“AT指令”的形式發出。AT指令集有一整套完備的功能，對標準的通信模塊都予以支持，支持標準的“AT指令集”，并且提供相應的擴展指令。3G模塊支持斷線重播機制，可以實現自動連接的功能。數據綜合和發布裝置程序的運行流程如圖4所示。

3 遠程監控端的設計

遠程監控端設于維保單位，用于實時監測電梯的運行狀態，接收數據綜合、發布裝置和交換機發送的監控數據與音視頻數據，并儲存在數據庫中。同時可以主動向數據綜合和發布裝置發送指令，進行實時電梯狀態及故障的查詢。當電梯發生故障時，可以第一時間查看電梯運行狀態及乘客狀態，實施遠程救援，同時可以直接進行對話，了解現場情況。可通過各種移動通訊運營商的通訊網絡與各種移動通訊工具通訊，接收電梯運行狀態信息，或發布維護操作命令。遠程監控端的網絡拓撲結構如圖5所示。

遠程監控端軟件采用B/S架構模式[8]，ASP.NET開發動態Web頁面，Web服務器采用微軟公司的IIS6.0，數據庫采用SQL Server。采用Net Interface實時監測網絡端口，接收通訊網絡發送來的電梯實時運行數據和音視頻數據；中間件CTRY實現各部分數據的處理、數據緩存和數據轉換等功能，并將數據送至Web服務器進行實時監控；采用DB服務器將網絡中接收到的電梯運行的實時數據存入數據庫中，在Web服務器需要查詢時提取數據庫中的歷史數據；Web Server以監測網頁的形式將電梯的實時運行情況，以及故障報警、音視頻的信息發布給用戶；用戶通過Web Browser瀏覽監測中心的監測情況并可實時跟蹤。用戶還可以通過Web Page查詢電梯的歷史運行情況和歷史故障列表等信息，在故障的同時通過視頻和音頻實時監測電梯內部情況并及時和電梯內部被困人員溝通。遠程監控端的軟件架構如圖6所示。遠程監控端的監控界面如圖7所示。

4 結束語

本文設計了電梯遠程監控系統，針對兩類電梯遠程監控信號——電梯實時運行信號和轎廂音視頻信號的特點，分別進行數據采集，并由3G網絡和Internet網絡分別進行數據傳輸，不但提高了系統的可靠性和穩定性，節約了監控系統的運行費用，而且還可以根據監控終端的網絡環境調整數據傳輸方式，提高了系統的適用性。該系統作為公司開發的新一代高速電梯的一個重要組成部分，已在多個項目中得到應用，實際應用效果表明，該監控系統具有較好的適用性和推廣價值。下一步的研究是對該系統與電梯群控系統的功能做進一步整合，例如利用該系統采集的轎廂視頻信號對轎廂內的乘客人數進行視頻識別，將結果提供給電梯群控系統，提高群控調度的效果。

參考文獻：

[1] 王強.遠程監控系統的應用與研究[D].河海大學碩士學位論文，2003.

[2] 李濤，王仲林，杜曉東.有線公用電話網和無線移動通信網相結合的電梯遠程監控系統[J].電工技術雜志，2004.9：81-83

[3] 鄭丹丹，劉明蘭，何超等.基于GPRS/GSM的電梯遠程監控系統設計[J].自動化儀表，2007.28（12）：49-51，54

[4] 仲兆峰.基于互聯網環境的城市電梯遠程監控平臺[J].自動化技術與應用，2009.28（8）：57-60

[5] 段登，邱意敏，周力等.基于B/S架構+3G網絡的電梯遠程監控系統研究[J].安徽工程大學學報，2011.26（2）：68-70

[6] 李明輝.電梯遠程監控系統設計[J].電子技術應用，2009.35（8）：97-99，103

[7] 王斌杰.電梯遠程監控系統研究與設計[D].沈陽建筑大學碩士學位論文，2011.

[8] 謝超，周國富，鐘遠東等.電梯遠程監控后臺控制系統的設計[J].機電工程技術，2004.33（8）：71-72