基于物聯網的電梯運行維護系統設計

張振華，金衛琴

（1.恒達富士電梯有限公司，浙江 湖州 313013；2.浙江尼邦電梯有限公司，浙江 湖州 313013）

為保證城市內部的電梯運行安全，在對電梯安全監督管理中需要進行研究，目前解決電梯的運行安全已經成為重大的民生問題之一。原有運行維護系統在電梯工作過程中，無法對周圍的信息進行及時采集，且收集到的信息數據存在不準確現象，需要對其進行改進，保證在大量有效數據的前提下，進行對電梯運行轉態的評估和判斷。物聯網技術可以將傳感器網絡和無線網絡進行嵌入，將多種通信技術相結合，保證電梯運行數據能夠和互聯網相連接，做到實時交換和采集。本文以此為基礎研究基于物聯網的電梯運行維護系統，為保證電梯的實時監控提出理論支持。

1 基于物聯網的電梯運行維護系統硬件設計

1.1 組建物聯網電梯運維框架

此次設計電梯運行維護系統，主要是在電梯發生故障時及時進行定位，以物聯網為基礎組建整體框架，可以直接生成多個層級架構，實現從數據采集到整體運維的全覆蓋。將整個系統分為三個層級，以網絡傳輸層級作為中心，部署好多個信息采集節點，使之與終端感知層和應用層連接，形成數據信息交互的局面，具體框架如圖1所示。

圖1 物聯網技術下電梯運維框架

根據圖中內容所示，在基礎設施層級內主要是對采集信息通路進行建設，保證其能夠在安全的狀態下對數據進行有效傳輸。信息傳輸層時按照多種通信技術融合的標準，在移動通信技術和語音轉換技術的基礎上，對不同類型的信息數據進行調度。

1.2 設計USB串口通信電路

電梯運維硬件部分由數據采集和中心控制模塊組成，在中心顯示器中對所有數據進行調取，其中以GPRS定位為采集點的統一操作模塊，全部在主機電源模塊下進行供電。對其中起決定性作用的中心控制模塊，進行USB端口通信調試，保證在多個數據通路下能夠及時做到數據轉換和處理，實現各個傳輸節點的統一調度。

在需要多個連接窗口內完成相關調式，以I/O操作形式進行后續的數據擴展，運用中心單元控制處理器STM68F5056C8T9作為內核裝置。其中在每個串口處均設置245K字節的閃存裝置，按照每順位40K的大小進行儲存，具體設計電路圖，如圖2所示。

圖2 USB串口通信電路

根據圖中內容所示，在終端運行采集通路中，需要將無線網絡技術安置在每個節點處，以此在對數據信息傳輸時，需要保證傳輸效率控制在240KBIT/S-360 KBIT/S范圍內。相對應地選擇內置線路的定時器，分別以16位的PUM三通定時器，和12位的CUN定時器，進行串口通信供應。每個串口處最少連接兩條通路，至運行狀態的電梯采集節點上，實現多個數據傳輸節點的同時啟動。

2 基于物聯網的電梯運行維護系統軟件設計

2.1 基于物聯網定位電梯運維目標

一般在物聯網架構下采用移動智能終端采集設備，將云服務器和智能顯示器安置在節點處，通過每組相同類型的信息進行分類，及時收取不同電梯運行轉態的數據信號。在信息交互過程中容易產生錯誤信息和隨機代碼，為減少出現混亂交互的現象，在每個通路中首先定義通訊結構。

信息采集的全過程要包含數據請求開端，到物聯網服務器終端的整體數據，在由兩組前后特定字節的協議擬定后，對電梯運行狀態的所有數據進行采集。按照前端請求和尾端注冊兩種類型進行分類，將每個字段的通信字節進行劃分。一般按照從零開始的節點通信大小開始排列，分別對不同字段類型的數據進行標記，每組通信字節的長短不超過2個頁腳大小。由于通路中是直接設置完成的類型信號，因此在采集完畢后無需進行整理，直接按照原始狀態進行標記即可。

2.2 慣性捷聯法判斷電梯運行狀態

電梯在不同樓層和不同速度下，產生的運行數據均會發生變化，為整體性考慮電梯的運維效果，利用慣性捷聯法進行運行狀態的參數保證。捷聯慣性判斷主要是利用地心慣性坐標系和地球坐標系，將處于實時運行狀態的電梯通過各個坐標進行確定位置，對每個信息通訊數據完成導航參數定位。

地理坐標即為慣性坐標，此次設計電梯運行的參照物即為慣性坐標。以QWER為慣性坐標系，選擇東北天坐標軸向位置，其中QW表示方向為東，QE表示方向為北，QR表示方向為天所在位置，將原點Q作為電梯橋箱的運行中心。橋箱本身可以看作為一個坐標系，確定轉態用姿態角表示，即橋箱的首向角和縱向角以及橫搖角，分別用a、b和b表示，各個坐標點的運行軌跡存在聯系，表達式為：

式中，在每次轉動中包含不同角度的正弦和余弦數值，正弦值分別用sina、sinb和sinc表示，余弦值分別用cosa、cosb和cosc表示。根據不同位置的點電梯運行軌跡，進行采集數據的歸類，用來判斷不同姿態角的運行狀態。將所得的電梯梯度運行狀態數據，直接發送至主站中心，按照各個時間節點進行查詢，直接對產生故障的電梯位置進行標記和報警。至此在重新構建物聯網組織架構的基礎上，設計USB端口的串口通信電路，實現對電梯硬件的局部更新，再通過定位電梯運維目標，指定信息采集時間閾值，慣性捷聯法判斷運行狀態，完成電梯運行維護系統設計。

3 實驗結果分析

為驗證此次設計的系統具有實際應用效果，能夠在電梯運維中提高工作效率，采用實驗測試的方式進行論證。實驗主要測試不同運維系統對電梯故障的維修效果，在發生故障時能否在短時間內，使其還原到正常運行狀態。選擇某公司早高峰正常運行的兩組電梯為測試對象，分別對其歷史運行數據進行統計，在發生故障較多的樓層中進行運維系統安置。將統計好的歷史數據上傳至MATLAB測試平臺中，分別模擬每組電梯運行狀態，具體數據信息如表1所示。

表1 某公司電梯運行數據（V）

根據表中內容所示，此次選擇的運行電梯最高到達樓層為9樓，按照不同樓層的運行電壓數據，進行故障樓層的統計。其中設定超過64V時電梯會發生故障，在兩組電梯中均有出現故障的樓層，AI組電梯在六樓發生了故障，AL組電梯在五樓發生了故障。為保證測試效果的準確性，采用兩組傳統系統做對比，將三組系統分別安置在故障樓層中進行工作。

該公司電梯的正常運行狀態期間，每個樓層的運行速度為5s一次間隔，空載狀態下整個樓層運行的時間不會超過1min。初始運行電壓設置為45V，當出現多次超載時電壓逐漸增加，按照打卡早高峰進行電梯運維設置。整個高峰階段會持續1h，從早上8:30開始，以每個15min為一次電梯監測時段，在第三階段時人流量會突然加大，導致兩組電梯出現故障。分別以三組運維系統進行接入，在故障排除后能夠進入第四階段運行，如果故障沒有排除則不會進行運行，具體結果如下圖3所示。

圖3 不同系統下電梯運維效果對比

根據圖中內容所示，在本文系統下電梯仍保持正常運行，說明其能夠在發生故障時進行同步維護。而兩組傳統系統的運維結果不一致，第一組方法在早高峰結束前沒有將電梯維護好，第二組方法是在第四階段中期進完成了維護。綜合結果可知：在電梯發生故障時，本文系統能夠直接進行相關維護，不會影響電梯的正常運行，有效提高工作效率，具有實際應用效果。

4 結語

本文在物聯網技術優勢下，構建電梯運行的數據網絡信息采集構建，設計時間間隔進行定點采集，重新設計了電梯運行維護系統，在其發生故障時進行同步維修。實驗結果表明：在不同的故障樓層內，新系統能夠同步進行故障維修，使其處于正常運行狀態，保證早高峰不受影響，有效提高工作效率。但由于時間有限，在研究過程中選擇的樣本數據過少，所得結果具有偏差性，后續研究中會針對測試對象，進行多方面驗證，為電梯的安全運行提供保障。