物联网技术的电梯安全监控系统研究

陈家焱，洪 涛，刘钢海，王国强，周 娟

（中国计量学院 质量与安全工程学院，浙江 杭州310018）

电梯作为一种公共交通工具，现已经广泛应用于高层住宅、大型商场、办公楼等公共场所.长期以来，我国因电梯事故而造成人员伤亡的情况屡有发生，事故发生率与严重程度远远高于发达国家和地区，电梯作为一种与人民群众的生命安全密切相关的特种设备，电梯安全运行越来越受到政府和社会的关注［1］.截至2013年，我国电梯保有量超过200万台，并以每年约20%速度增长，而现有的检验人员已无法满足电梯故障处理、定期维保的需求，安全部件失灵、电梯漏检、疏于维护等现象时有发生，再加上现有监管体制尚不健全，管理维护水平也有欠缺，如何能保证电梯使用安全，最大限度减少损失，给人民群众一个安全的生活环境，成为城市管理者考虑的头等大事.传统的电梯管理维护方式已远远不能适应当前形势需要，将新兴物联网技术应用于电梯监控，实现电梯安全监控管理自动化信息化势在必行［2-3］.

物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、先进传感器、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上各种物品的网络，在这个网络中，物品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预.其本质是利用射频自动识别技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享，管理者通过电脑或手机，可实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理［4］.

基于物联网技术的电梯安全监控系统是通过传感器网络实时采集各类监测参数，通过无线或有线网络方式传输至监控平台，从而实现对电梯进行智能化管理和维护［5］.在这种管理模式下，可以实时监测电梯的运行状态，并将状态信息通过网络发送到电梯安全管理监控中心，及时实现人与电梯的信息交互与处理.建立电梯安全监控系统一方面可实现实时监控电梯状态，对故障进行预警和报警，降低电梯故障发生率，提高故障电梯修复速度；另一方能够对电梯定时准确维保提供技术支持.

1 系统设计总体方案

电梯安全监控系统主要是对影响电梯安全运行的多项特性参数进行实时监测，如：曳引力、钢丝绳张力、距离、速度、平衡系数、加减速度、轿厢质量、安全钳特性、电梯门关门动能及速度、液压电梯压力、电梯控制柜的电磁抗干扰能力和温度控制能力等参数，并能将这些监测参数通过无线传输技术传输至计算机监控管理系统，由计算机监控管理系统对电梯实际运行状态和维护情况进行协调统一管理［6-8］.

电梯安全监控系统设计由感知层、汇聚层、传输应用层组成，其系统结构如图1.

图1 电梯安全监控系统设计结构图Figure 1 Design structure of elevator safety monitoring system

感知层由安装在电梯外围各部分的各类传感器组成，设计原则是传感器信号与电梯内部运行信号相互独立，避免相互影响，由这些传感器信号实时监控电梯各个位置的物理以及环境状况，特别是涉及电梯安全的特性参数等，它们可以在24小时内不间断地向汇聚层传输信息.在电梯现场将布置RFID检测点，检测点内保存电梯安装、维护与检查信息，这些信息为电梯及时维保提供技术基础.

汇聚层的核心是汇聚分站，汇聚分站将感知层传来的各类信息进行整理，并根据需求将数据进行初步分析，并将分析结果进行区别处理，根据电梯运行情况对处理结果分级，涉及特别严重影响人身安全的情况要立即发出报警信息，其它情况通过本地存储，再通过传输层发送到应用层进行后续处理.

传输应用层主要是通过GPRS（General Packet Radio Service，通用无线分组业务）技术将数据传输到应用层平台，利用互联网络实现各相关方的管理维护.应用层平台是一个电梯安全运行监测、故障分析和维保记录的管理系统，其任务之一是接收各汇聚分站传输来的实时数据并通过分析一定时间段内的电梯运行记录数据，全面了解电梯的实时运行状态和故障分布情况.将潜在的故障和已出现的故障及时准确地传递给相关单位和个人，并且为物业管理部门、政府监管部门和维保单位提供查询平台.任务之二是如实记录了电梯安装、改造、维护、维修、检查等操作情况，通过无线传输技术与现场RFID内存储信息一致，为电梯维保查询、发出预警信息提供技术支持［9-10］.

电梯安全监控系统主要由硬件和软件构成，硬件部分主要是汇聚站点设计，它包括监测终端和RFID电子标签设计，监测终端是以ARM控制器为核心组成的中心控制系统，RFID电子标签采用物联网统一标识体系Ecode编码，该编码是中国物品编码中心在综合国际上已成熟的编码体系基础上结合我国国情制定的新编码体系，它提供了完整的编码、标识、解析解决方案.软件部分分为监测终端底层软件和监控管理系统软件设计，硬件是物理基础，软件是系统灵魂.本文以杭州西子奥的斯电梯有限公司作为合作单位，以电梯曳引力、钢丝绳张力、安全钳特性和电梯门关门动力为主要安全监测参数，采用无线传输技术实现信号间的通讯，对电梯安全监控系统设计的主要硬件与软件进行研究.

2 系统硬件设计

电梯安全监控系统硬件部分的监测终端由数据采集模块、中心控制模块、显示模块、GPRS通信模块、RFID电子标签和电源模块构成［11-12］，如图2所示.监测终端能实时采集各类传感器信号，对电梯运行状态实现全天候监控，对出现的安全隐患及时报警.

图2 系统硬件功能模块Figure 2 Function module of system hardware design

2.1 中心控制模块

电梯安全监控系统的监测终端需要多个的I／O口和相关调试接口，同时考虑到系统后期的进一步扩展与升级等问题，经综合考虑，该系统设计的中心控制单元选用的处理器是STM32F103C8T6，STM32F103C8T6使用了高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，频率是72MHz，内置128K字节的闪存和20K字节的SRAM，丰富的增强I／O端口和联接到两条APB总线的外设.其内部包含两个12位的ADC、三个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准的通信接口：两个I2C和SPI，三个USART，一个USB和一个CAN.同时它还具有低成本、低功耗、卓越计算性能和先进中断系统响应的特点，这些都充分满足了系统设计需要，如图3系统设计的中心控制模块电路图.

图3 中心控制模块电路图Figure 3 Circuit diagram of center control module

2.2 数据采集模块

监控系统采集模块主要完成对影响电梯安全的特性数据进行实时采集，这些特性参数由分布在电梯各关键部位监测点的传感器提供.在采集模块设计中，首先需对传感器过来的信号进行信号调理，使之变换成为合适的电压信号，对于其中一些强电信号还需要进行光耦隔离电路设计，以提高系统的抗干扰性.STM32F103C8T6内部含有两个12位的ADC，无需扩展AD芯片就能够满足系统设计需要，图3的中心控制电路的端口PA0、PA3、PA6和PA7端口是作为AD转换的输入端口使用.

2.3 GPRS模块

监测终端需要实时将监测到的电梯运行状态参数通过无线传输技术传递到远程监控系统中.由于GPRS引入的分组交换数据传输模式，使得数据无线传输速率最高可达170kbit／s，GPRS还支持Internet上应用最广泛的TCP协议和IP协议，利用GPRS能够提供Internet和其他分组网络的全球性无线接入，所以本系统设计中利用GPRS技术实现数据的无线传输控制，选用的器件是SIM900A.SIM900A是一个双频的GSM／GPRS模块，工作频段分别是EGSM 900MHz和DCS 1800MHz.SIM900A采用省电技术设计，在SLEEP模式下最低能耗电流只有1mA.SIM900A内嵌TCP／IP协议，扩展的TCP／IP命令让用户使用TCP／IP协议更容易，如图4系统设计的SIM900A硬件接口电路图.

图4 SIM900A设计电路图Figure 4 Design circuit diagram of SIM900A

2.4 射频处理模块

射频处理模块主要功能是产生高频发射能量，激活电子标签并为电子标签提供能量，对发射信号进行调制，把数据传输给电子标签，接收并解调来自电子标签的射频信号.射频处理模块通过对射频信号处理与和数据传输，实现对电子标签的读写操作，其硬件电路原理框图如图5.

图5 远距离RFID读卡器硬件设计框图Figure 5 Design diagram of remote RFID reader hardware

由于RFID电子标签与RFID读写控制电路之间存在一定的距离，对电子标签里进行读写操作时要求RFID读写控制其能够进行远距离数据交换.本系统设计中选用奥地利微系统（Micro Systems）公司生产的射频标签读写芯片AS3991，AS3991芯片是一款用于超高频915MHz频段的RFID读写器专用芯片，其封装形式为64脚QFN封装.它具有集成度高的特点，芯片内集成了接收电路、发送电路、协议转换单元、连接MCU（微控制器）的8bit并行接口或SPI串行接口等.

AS3991芯片内部集成了调整解调等工作模块，以及集成了PA、PLL和VCO，只需在芯片外部使用电阻电容构建环路滤波电路，整个压控振荡电路就能正常工作；射频信号经过内置PA放大之后，差分输出信号，信号经过变压器、滤波器和定向耦合器后，由射频天线发射出去，具体电路设计如图6.

图6 AS3991设计电路图Figure 6 Design circuit diagram of AS3991

2.5 电源模块

本系统设计采用外接电源适配器和内置锂电池双重供电方式，电源适配器采用工业AC 220 V／DC 12V模块，抗干扰能力强，使用范围宽，达到国家电磁认证，通用性强，技术成熟，性价比高，能够达到电梯安全监控系统电源方面的要求.锂电池是为防止电梯发生断电时，保持系统正常运行采用的备用措施.

3 系统软件设计

系统软件设计包括底层监测终端和上位机信息管理系统两部分，在前文中对监测终端的硬件设计进行了系统研究，其软件设计对实现其既定功能也是至关重要的，限于文章篇幅，对监测终端的软件设计细节在此不做细述.上位机信息管理系统软件主要包括基本信息管理模块、监测信息模块、维保信息模块和数据分析模块，通过无线传输模块将采集的数据收集后，进行集中处理，再应用互联网络供主管单位、维保单位和物管单位进行远程实时监控及查询和维护［13］.

3.1 基本信息模块

该模块实现电梯基本信息资料管理和用户管理.电梯基本信息资料包括电梯名称、电梯所在地址、维保公司名称、维护人员姓名、维护人员联系方式、电梯生产厂家、上次维护时间、下次维护时间、下次年检时间和检验单位名称等.用户管理设计包括编辑操作人员如名称、密码和联系方式等基本信息，添加、删除和修改操作人员人数，设置操作人员的使用权限，系统还设计了分级查看、分权查看等使用模式，只有具备相应权限的人员才能查看符合其权限的信息.

3.2 维保信息模块

维保单位拥有设置电梯资料管理、故障管理和维保管理功能的权限.利用网络维保单位可随时查看其所属管理电梯的情况，如电梯故障电梯列表、待维护电梯列表和待年检电梯列表；另一方面也可对所属管理电梯相关信息进行修改、补充与更新，选择设置相关的管理限制条件.在软件设计方面，浏览查询是主要功能，查询方面可以按照“时间范围”、“电梯品牌”、“维保单位”、“行政区”、“维保人员”、“电梯名称”等进行查询，数据与信息更新方面设计了良好的人机交互界面，以满足系统功能需要.

3.3 监测信息模块

监测信息模块用于完成实时监控电梯的运行状态和故障情况.在电梯安全监控中心服务器、物管单位、维保单位和主管单位，都能远程动态监控电梯的安全回路、门锁回路的工作状态、上下行和开关门状态以及其它与安全密切相关的特性参数变化.

在监测信息模块中设置了故障短信报警功能，当电梯发生故障时，监测信息模块将会第一时间通过短信通知现场工作人员，如果相关人员在设定的时间范围内未作处理，系统将会报警信息升级，自动将故障信息发送至更高一级的相关主管和单位负责人.

3.4 数据分析模块

电梯安全监控系统的数据分析包括两部分，一是在监测终端完成的基本数据分析，二是在服务器上完成的复杂数据分析.监测终端通过对监测数据进行基本数据分析后，形成电梯运行状态数据信息，并将电梯运行状态特性参数与标准参数进行对比，分析判断当前电梯运行状况和故障情况，当对比结果超出标准参数值范围时将该故障信息以短消息的形式及时发送给相关管理人员.服务器端的数据分析主要完成对一段时间内电梯运行状态数据，进行特征提取、主成分分析和趋势预测，这将借助数据处理、数据挖掘技术来完成，以达到对电梯故障信息起到提前预警的目的.

4 结 语

构建完成的基于物联网技术的电梯安全监控系统能够实时监测电梯实际运行状态，对出现的故障与告警信息能够及时给出提醒信息，并能对告警信息按严重程度进行分级管理；系统采用GPRS无线传输技术，无需在现场布置很多网络线路，安装施工简单，便于维护，适应性广，适用于任何型号电梯安装；在监控管理系统中，能自动记录电梯运行状态数据，根据数据分析结果给出预警信息，对已经发生的故障，能自动分析出故障产生原因，帮助维保人员及时解决故障；主管单位、物管单位和维保单位都可以通过网络方式登录，方便监督管理.

利用物联网技术实现对城市电梯运行状态监测和对电梯管理部门的多方协调管理，为城市电梯运行管理提供了一种科学、有效的方法.基于物联网技术的监控管理系统是在无人在现场的情况下完成相关管理工作，这给电梯管理工作带来极大的便利，一方面提高工作效率和管理效果，减轻维保人员的劳动强度，另一方面能最大程度地保证电梯安全运行，具有广泛的社会效益和经济效益.

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