基于物聯(lián)網(wǎng)技術的電梯監(jiān)控系統(tǒng)設計

李娟娟， 王希娟

(陜西國際商貿(mào)學院 信息與工程學院，西安 712046)

0 引言

電梯數(shù)量的急劇增加，給人們的生活和工作帶來了極大便利。于此同時電梯故障也時有發(fā)生，人們面對電梯“吃人”和“被困”等情況，增加了乘坐電梯的恐懼感，對電梯的安全存在擔憂。如何解決用少量人員在最短的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)電梯故障，并及時進行電梯故障的分析、維護和管理成了研究的熱點。伴隨信息技術、電子技術、移動網(wǎng)絡技術和計算機等技術的訊速發(fā)展，電梯智能監(jiān)控過程中使用物聯(lián)網(wǎng)技術勢在必行。

目前，國內(nèi)外對電梯智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究主要分為兩類，一類是以電梯生產(chǎn)企業(yè)為主，通過電梯控制系統(tǒng)直接采集各種智能監(jiān)控數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，國外典型的代表有美國奧的斯將全球的30萬部電梯進行互聯(lián)，電梯內(nèi)安裝大量的感測器與小型服務器，通過監(jiān)控中心實時監(jiān)測電梯的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)電梯數(shù)據(jù)的異常及時派遣維修技師進行檢修[1]；德國的蒂森克虜伯利用微軟Azure物聯(lián)網(wǎng)技術，將連接蒂森克虜伯電梯設備的實時數(shù)據(jù)發(fā)送至微軟Azure云平臺，維保人員可實時了解電梯的運作情況，在故障發(fā)生之前便能及時識別維修需求，從而快速進行部件更換或做相應維護[2]。另一類是第三方提供的電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺，國內(nèi)典型的代表有華為的物聯(lián)網(wǎng)電梯，其通過強大邊緣計算能力及開放架構的物聯(lián)網(wǎng)關，聯(lián)接電梯控制器及各類傳感器，并通過開放接口與合作伙伴平臺和系統(tǒng)對接。實時采集電梯的運行數(shù)據(jù)，對電梯進行數(shù)據(jù)仿真，結合云端大數(shù)據(jù)分析平臺，全面了解電梯各部件的“健康指標”，提前預知電梯可能發(fā)生的故障，提前維護保養(yǎng)[3]。本系統(tǒng)針對電梯故障排查時間長、運行維護成本高的問題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的新方案，實時監(jiān)控電梯運行狀態(tài)，結合數(shù)據(jù)分析預測電梯故障，定位故障電梯，分析故障原因并提供維保方案，幫助維保人員快速解決電梯故障，提高了人們乘坐電梯的安全指數(shù)。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 需求分析

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的電梯智能監(jiān)控系統(tǒng)主要針對各種廂式電梯的遠程監(jiān)控，通過對電梯運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，實現(xiàn)對電梯數(shù)據(jù)的采集，通過通信網(wǎng)絡將感知數(shù)據(jù)傳輸給云平臺的服務器，在云端進行數(shù)據(jù)的存儲、分析、對比和預測等，對故障電梯實現(xiàn)定位、確定故障類型、提供維修方案、及時報警、實時通知維修人員、維修信息的反饋登記，同時還能提供電梯的保養(yǎng)方案，保養(yǎng)信息的反饋登記，維保人員通過APP實時查詢云平臺的電梯監(jiān)測信息等。

綜上所述，系統(tǒng)的功能需求包括以下幾點：

(1)感知需求：系統(tǒng)實時監(jiān)控電梯的運行狀態(tài)，則需要記錄電梯的平層狀態(tài)、開關門狀態(tài)、梯廂內(nèi)人員、樓層信息、電梯運行方向、運行速度、電梯故障信息(電梯ID、電梯位置、故障原因、報警提示、通知維保人員、進行被困人員安撫、維修反饋等)[4]。這些數(shù)據(jù)的采集需要上下層感應器、基站感應器、沖頂感應器、蹲底感應器、門邊感應器、人體感應器、重量感應器、速度感應器、音視頻設備、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器和紅外傳感器等，為了確保采集的數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)皆破脚_，需要得到通信模塊的支持。

(2)網(wǎng)絡傳輸需求：考慮電梯監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)絡傳輸采用有線布局的方式較為繁瑣，因此本系統(tǒng)通過無線通信模塊，將感知數(shù)據(jù)傳輸給遠程的云平臺。本系統(tǒng)中DTD433ME-10W和DTP-S09F無線傳輸設備代替了以前的連接線路。

(3)云平臺需求：云平臺接收無線網(wǎng)絡傳輸?shù)母兄獙訑?shù)據(jù)，并對其進行存儲、分析、計算、預測和報警等功能，因此需要配備Web服務器、電梯運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)服務器、音視頻服務器和存儲服務器。為電梯廠商和城市眾多電梯物聯(lián)的大數(shù)據(jù)分析提供可靠的來源。

(4)應用層需求：為方便用戶查看云平臺的信息，應用層由PC端和移動端APP兩部分組成，主要負責云平臺數(shù)據(jù)的查詢、添加、更新和刪除等操作，根據(jù)不同身份(系統(tǒng)管理員、維保人員、物業(yè)人員、政府監(jiān)管人員、電梯廠商、業(yè)主等)設置不同權限，實現(xiàn)不同的功能。

1.2 電梯物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構

根據(jù)系統(tǒng)功能的需求，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的電梯智能監(jiān)控架構，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計框圖

本系統(tǒng)主要是由N個主PLC、M個從PLC、云平臺、PC監(jiān)測中心、移動終端APP和無線通信網(wǎng)絡等部分組成[5]。

系統(tǒng)中的PLC分為主PLC和從PLC，從PLC下位機能準確感知并監(jiān)控電梯終端的運行狀態(tài)，負責將電梯運行情況的實時數(shù)據(jù)上傳給主PLC，每個主PLC將范圍內(nèi)的多個從PLC信息匯總后通過無線網(wǎng)絡傳輸給遠程的云平臺，通過云平臺的多臺服務器對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行存儲和分析，用戶可以通過PC監(jiān)控中心和安卓端APP隨時查詢云平臺端的電梯監(jiān)控信息。

電梯維保人員通過本系統(tǒng)能及時獲知電梯的運行狀況、故障報警、故障類型、電梯物理定位、故障處理建議和維保信息等，確保在第一時間趕赴現(xiàn)場實施搶修，第一時間解決電梯的故障問題；物業(yè)人員可查看電梯運行情況和員工的工作記錄；電梯廠商可查詢品牌電梯的使用狀態(tài)，以便改進電梯質(zhì)量，排除生產(chǎn)隱患；政府監(jiān)管部門可按時間、電梯品牌、地理位置等，對電梯運行狀態(tài)進行查詢，有效監(jiān)管城市電梯的物聯(lián)網(wǎng)情況。

本系統(tǒng)操作簡單方便，提高了電梯監(jiān)控、維保和故障報警的實時性，縮短了解決電梯故障的時間，確保了電梯保養(yǎng)的準確性，極大提高了工作效率，為電梯廠商提高電梯質(zhì)量提供了可靠數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)智慧城市的電梯物聯(lián)提供了實施方案。

2 系統(tǒng)詳細設計

系統(tǒng)的詳細設計主要包含硬件、網(wǎng)絡傳輸和軟件3個部分，其中硬件設計主要從感知采集電梯的實時數(shù)據(jù)角度出發(fā)，介紹數(shù)據(jù)采集模塊及實現(xiàn)的功能；網(wǎng)絡傳輸設計主要介紹從PLC、主PLC、云平臺、PC監(jiān)控中心和安卓端APP間的無線通信方式；軟件設計主要從系統(tǒng)的7個功能模塊展開介紹。

2.1 硬件設計

數(shù)據(jù)采集模塊是非常重要的硬件部件，是保證電梯遠程監(jiān)控的基礎，通過電梯的數(shù)據(jù)采集模塊可監(jiān)控電梯的運行狀態(tài)、故障和保養(yǎng)數(shù)據(jù)，它也是電梯與遠程監(jiān)控系統(tǒng)的接口。

數(shù)據(jù)采集模塊除了包含電梯內(nèi)部的溫濕度傳感器、煙霧傳感器和音視頻傳感器外，還包括電梯運行狀態(tài)的多項傳感器，如上下平層感應器、速度傳感器、稱量傳感器、計數(shù)傳感器、門邊感應器、人體紅外傳感器等。當兩組數(shù)據(jù)的采集相互獨立互不干擾時，能最大程度保證電梯數(shù)據(jù)采集的真實性。

其中，采集電梯運行狀態(tài)使用的是霍爾傳感器，在設計過程中需要注意工作電壓的穩(wěn)定性，當電壓過高時會使霍爾元器件的參數(shù)發(fā)生變化，當電壓過低時會因磁場的強度發(fā)生變化引起電路的誤操作。因此，系統(tǒng)中采集模塊最好使用隔離變壓器。為了減少噪音干擾，采用霍爾傳感器的接近開關要用短線進行連接。

2.2 網(wǎng)絡傳輸設計

PLC下位機采集電梯運行數(shù)據(jù)，通常采用RS232串行接口與IPC上位機進行連接。但由于有線連接的方式施工受限，且成本較高，逐漸被無線網(wǎng)絡傳輸?shù)姆绞剿娲Ｆ渲?，在BP304控制器上安裝IEEE802.11b/g協(xié)議的無線通訊模式，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸[6]；在s5pv210上安裝3G數(shù)據(jù)收發(fā)裝置即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸[7]，在S7-200 PLC中采用GRM500也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的4G無線通信[8]。

綜上所述，通過在現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)中增加無線裝置即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，但考慮到本系統(tǒng)中監(jiān)控的電梯數(shù)量眾多，增加無線裝置實施成本的因素，在系統(tǒng)的S7-200 PLC中設置主PLC和從PLC，在3000米范圍內(nèi)通過DTD433ME-10W有效保證多個PLC間進行無線通信。對數(shù)據(jù)無線傳輸過程中信號的穩(wěn)定性進行了如下設計：

(1)DTD433ME選用BNC卡口式同軸連接器，其主要的特點是接觸可靠，連接迅速快。

(2)DTD433ME選用5.5DBI的玻璃鋼全向天線，根據(jù)實際監(jiān)控過程中數(shù)據(jù)的傳輸情況，可適當增加高增益的全向天線。

(3)DTD433ME天線的阻抗為50 Ω，在監(jiān)測安裝過程中盡量縮短微帶線的長度，以此減少板上高頻信號傳輸中的衰減。

(4)除減少信號的衰減外，本系統(tǒng)還可在梯廂中安裝小型信號基站，以此增加信號的發(fā)送和接收能力。

除此之外，主PLC和云平臺間通過DTP_S09F實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信，且傳輸不受距離的限制。應用層的PC測控中心通過有線或WIFI方式訪問云平臺資源，安卓端APP通過4G或WIFI方式訪問云平臺資源。

2.3 軟件設計

本系統(tǒng)采用B/S模式，任意一臺能上網(wǎng)的計算機都可以訪問云平臺中的數(shù)據(jù)信息，同時任意一部連網(wǎng)的移動手機也可以訪問本系統(tǒng)，為電梯的維保人員、管理人員、電梯供應商、市政監(jiān)管部門等提供了便捷。

(1)系統(tǒng)功能模塊圖

本系統(tǒng)的功能模塊圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

圖1中主要功能模塊如下：

用戶登錄模塊：用戶選擇一種身份(維保人員、管理人員、電梯供應商、市政監(jiān)管部門、管理員)進行登錄，可查看電梯運行的實時數(shù)據(jù)。

電梯信息模塊：可以按品牌、廠商、物理位置、使用單位等，對電梯基本信息進行查詢。

故障報警模塊：當數(shù)據(jù)采集模塊采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)與設置的閾值比較，出現(xiàn)異常時，在PC監(jiān)控中心和安卓端APP同時報警，并撥打預留的維保電話。維保人員查看故障電梯的位置、類型及維修方案，及時進行電梯的維修。

保養(yǎng)通知模塊：根據(jù)電梯的型號、購買時間、使用時間和保養(yǎng)記錄等，由PLC監(jiān)測后將信息進行匯總，把需要保養(yǎng)的電梯信息發(fā)送給指定的員工。

保修登記模塊：員工對電梯進行保養(yǎng)后，在PC終端或APP端將提示信息由“需要保養(yǎng)”設置為“保養(yǎng)成功”；同理維修后，將“需要維修”設置為“維修成功”。

歷史查詢模塊：用戶根據(jù)不同的權限可對電梯的運行狀態(tài)、維修記錄和保養(yǎng)記錄等信息，按時間、電梯ID、電梯廠商、電梯品牌、使用單位、維保人員等進行查詢。

新聞公告：顯示電梯的實時新聞和電梯的預防、保養(yǎng)、維修的政策。

(2)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表

本系統(tǒng)是針對一個城市的電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫命名為elevator，主要包含6個工作表，分別為user(用戶表)、usertype(用戶類型)、elevator_id(電梯身份管理)、fault_type(故障類型)、fault_alarm(故障報警)和elevator_check(電梯保檢管理)。

① user表包含userid、username、usertype。

② usertype表包含0(admin)、1(staff)、2(ower)、3(government)、4(manufacturer)。

③ elevator_id表包含ID、brand、model、manufacturer、use units、location、usage time、Maintenance unit、Maintenance person、tel。

④ fault_type表包含ID、Non-leveling、kr、top、dowm、run open、smoke、tem humidity、door monitor、speed、open run、comm failure。

⑤ fault_alarm表包含ID、fault_type、alarm time、Result registration、Result time。

⑥ elevator_check表包含ID、Maintenance reminder、annual inspection、security record。

(3)系統(tǒng)程序流程圖

基于PC監(jiān)控中心的系統(tǒng)程序流程圖，如圖3所示。

圖3 PC監(jiān)控中心的系統(tǒng)程序流程圖

Android端APP的程序流程圖與PC監(jiān)控中心的程序流程圖類似，不同點在于兩者實現(xiàn)的環(huán)境有所區(qū)別，在此不再贅述。

(4)系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境介紹

本系統(tǒng)PC監(jiān)控中心基于.NET框架，采用C++語言和SQL SERVER 2008數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)主要的功能；其中Android端以Eclipse作為開發(fā)環(huán)境，采用JAVA開發(fā)語言，SQLite數(shù)據(jù)庫開發(fā)APP，其中SQLite具有異構數(shù)據(jù)庫的支持功能，目前已完全實現(xiàn)與SQL Server數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)同步。

3 系統(tǒng)性能分析

實驗證明本系統(tǒng)運行正常，各項電梯監(jiān)測數(shù)據(jù)能實時傳輸，并在PC監(jiān)控中心和Android移動端顯示。監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過存儲、分析和統(tǒng)計，與閾值比較后，發(fā)現(xiàn)異常及時報警，維

保人員根據(jù)報警提示的電梯位置、故障類型、故障處理方案及保養(yǎng)信息等，及時處理報警信息，并進行維保登記。通過分析，此系統(tǒng)可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)城市電梯的智能監(jiān)控，及時排除電梯運行隱患，確定其安全運行，是一種智能高效的監(jiān)控系統(tǒng)。

4 總結

本文根據(jù)實際需求設計了一套針對PLC的電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，將大規(guī)模的PLC監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M行存儲、分析和匯總，通過連網(wǎng)的PC監(jiān)控中心或Android端APP實時監(jiān)控電梯的運行，以智能高效的方式解決了電梯巡查困難、維保時間長效率低的問題。該系統(tǒng)的應用不僅節(jié)省了巡查電梯的人力，使維保人員及時收到報警電話，實時進行電梯的維保，極大提高了工作效率，而且還方便廠商對電梯質(zhì)量的評估，便于政府職能部門對電梯的運行進行監(jiān)管，具有良好的現(xiàn)實意義和推廣價值。

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