电梯远程监控系统研究

李兵+施展

摘 要：电梯是高层建筑不可缺少的设施，怎样确保电梯高效平稳运行是当今电梯技术研究的重要课题。根据电梯远程监控设计需求，基于系统化模块化设计思想，采用常见的客户端/服务器架构，将基于Linux的嵌入式系统作为前端数据采集发送平台。详细介绍了嵌入式开发过程，提出了开发环境搭建方案，编写了数据采集处理程序；重点对基于TCP/IP通信和Socket通信协议的网络软件进行了优化设计，并对网络通信性能作了分析检测，详细介绍了数据库的搭建和界面设计。

关键词：电梯监控；嵌入式系统；Socket通信；通信协议栈

DOIDOI：10.11907/rjdk.171389

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：1672-7800（2017）008-0094-03

1 信号采集与传输

电梯远程监控系统利用Linux [1]网络设置的优良特性，结合网络协议通信技术，将前端采集到的数据信息发送到后端主机上，实现数据的接收、储存和分析[2]。

1.1 数据采集

信号采集遵循那奎斯特定律，即采样定律。采样的频率要大于信号中有效信号最大频率的2倍，这种采样方式所得的数字信号才能够保存原来信号的信息。采样公式如下：

fs.max>fmax（1）

A/D采样的最后一个步骤是编码，离散型数值通过量化后，将结果用计算机二进制编码表示出来，这就是编码过程，信号经过这个编码过程变为数字信号。

1.2 网络数据传输

在通信网络中，各进程间的远程通信主要是C/S模式，即通过特定的客户端向服务器发送数据请求，服务器接收到请求后反馈数据处理结果。客户/服务器模式有两个要求：①由于双方信息量、软硬件资源、处理能力的不一致，必须共享资源；②双方通信处于异步状态，只能通过远程通信实现，无法使用共享内存机制。

图1为基于客户/服务器模式的TCP/IP协议栈的网络通信OSI模型。

监控进程启动后，生成一个Socket套接字，一方面处理响应，另一方面发送请求。在实现网络互连后服务器监控进程即开始监听本地网络端口请求[3]。

2 系统硬件设计

2.1 嵌入式硬件体系架构

嵌入式服务器不仅要采集传感器数据，而且要与远程主机进行通信。核心处理器ARM9系列采用了处理器集成的电源管理单元，可有效优化系统电源设计，降低成本及系统功耗，适合于低功耗、低成本、高性能的便携式设备[4]。图2为ARM架构。

2.2 功能接口电路设计

ARM9处理器提供了主机和OTG两种类型的控制器。主机接口电路如图3所示，上部为标准主机电路，下部为OTG的HOST电路，USB热插拔提供相关保护电路。

文件下载和数据传输通过以太网适配器实现。MX28X嵌入式开发板配有网络适配器，提供一个网络接口访问局域网和广域网。开发板提供一个TF卡功能接口扩展存储资源[5]。该系统实现了ARM&Linux在平台IIC下的驱动，在Linux系统平台实现管理软件，可以非常方便地接入软件，管理更加方便，移植性更好。图4是IIC接口电路原理。

2.3 数据采集模块设计

测试系统数据采集选择Mma系列的三轴加速度传感器模块。Mma是一个集成传感器，内部集成了信号调节电路、低通滤波器、A / D转换电路[6]。

3 系统软件设计

3.1 嵌入式平臺搭建

Linux嵌入式系统是开源的，可以削减、跨平台、多任务及多用户实现。ARM和Linux结合使嵌入式设备具有低功耗、高性能特点。

主机和目标机使用不同的平台，系统采用PC X86架构，开发板使用ARM架构。X86属于复杂指令集，ARM属于精简指令集，两个过程指导的方法不同，需要不同的编译器。GCC是一个跨平台编译器工具处理器平台，支持多个版本，可完成从源代码文件转换到一个特定的处理器平台，执行文件切换。GCC不仅强大，而且具有结构灵敏、跨平台支持的优点[7]。

超级终端Minicom是公认的嵌入式开发工具，通过终端可以直接对开发板进行命令控制、资源操控。Minicom安装配置操作步骤：①安装Minicom：sudo apt-get install minicom；②在命令行键入：sudo minicom –s，启动Minicom进行设置；

选择Serial port setup项，将“Serial Device”设置为/dev/ttyUSB，设置“Bps/Par/Bits”为57600 1，设置“Hardware Flow Control”为No；选择Modem and dialing项，除了保留标志A B C D E F G H K L外，删除其它项。退出到启动页面选择“Save setup as dfl项，意味着将设置保存到df1位置。Minicom配置界面如图5所示；③将系统用户添加进Minicom所在组，使用户能够使用Minicom： $ sudo adduser test groupname

在内核中，文件系统和应用程序下载调试可通过烧录U盘来完成。TFTP协议是一个简单的文件传输协议，具有传输速度快、量大的特性。TFTP服务器主要提供目标与主机之间的内核映像文件下载[8]。TFTP工具安装分为TFTP服务器安装和TFTP客户端工具安装，具体步骤如下：

①下载相关软件包： sudo apt-get install tftp-hpa；

②建立tftp服务器工作目录：sudo mkdir /tftpboot；

③修改工作目录全限：sudo chmod -R 777 /tftpboot；endprint

④编辑相关服务器配置：

修改后查看内容如下：sudo vi /etc/default/tftp-hpa

TFTP_USERNAME="tftp"

TFTP_DIRECTORY="/tftpboot"

TFTP_ADDRESS="0.0.0.0：69"

TFTP_OPTIONS="--secure"

⑤重新启动TFTP服务：sudo service tftpd-hpa restart。

3.2 设备驱动程序结构

操作系统的硬件管理通过相应的驱动程序完成。设备驱动直接设置顶层底层硬件，起到转换和翻译的作用。设备驱动由软件实现，属于内核的一部分[9]。驱动完成以下功能：①设备状态初始化和操作完成后释放；②管理设备，设置设备的工作参数，提供设备的接口；③在操作设备与应有程序之间充当桥梁，起到数据翻译作用；④监控设备运行状态，有错误提示功能。

3.3 网络通信软件设计实现

实验采用基于TCP的可靠通信协议，通信模型对象是网络中的数据。每层数据有不同的组织形式，应用层采用包的形式，传输层采用数据报的形式，网络层采用报文的形式，链路层采用数据帧的方式，物理层以位的格式呈现[10]。

数据以層层包装的方式在网络中传输，首先从用户空间的应用层开始，然后到内核空间，接受内核协议栈的处理，每一层又会添加这个标志和协议规则信息，完成后将报文作为下一层的数据段处理使用，然后进行物理连接，最后发送出去。等到了用户即目的主机，就会将接收到的数据包头部逐层去除，这个过程是数据封装的逆过程，称为解封装。

3.4 数据库创建与界面模块设计

本实验选择SQL Server 2008数据库作为本地数据服务器。通过VS开发环境中的SQL Datasource控件实现界面与数据库的通信[11]。接口定时监视定时器从数据库中检索数据，按一定规律更新到显示，将有用数据保存到指定表中。

本实验基于Virual Staido2010平台使用C#[12]语言实现实验界面。电梯监控界面管理功能有实时故障报警、状态信息、日志信息存储、监测等。监控软件能将接收到数据进行分析，监控界面应该具有动态化、图形化功能。 一个标准的界面软件需要完善界面管理系统，在软件工作运行前需要将相关信息调入监控管理界面，界面显示远程终端发送的数据，实现保存接收功能。

远程终端数据保存在本地数据库，本地操作界面以一定时间间隔从数据库取出数据并将其更新到界面。图6为界面监控显示内容。

由于实验设备和环境条件限制，很难模拟电梯监控的数据传输，本实验以加速度为电梯监控对象，专门设计了一个接收界面测试数据，对加速度数据进行处理，进而验证网络数据传输的实时性、稳定性和系统方案的正确性。

4 结语

本文开发了一套基于网络的嵌入式数据传输平台。详细介绍了嵌入式开发平台的硬件架构，并给出了原理图和详细参数，对处理器、内存和外部端口作了专门说明和分析。提出了开发环境的构建方案，完成了内核的裁剪、嵌入式设备的移植、文件系统的挂载等搭建工作，编写了IIC驱动程序，并通过应用程序验证网络及驱动工作的有效性。

参考文献：

[1] 段登.网络环境下多电梯智能远程监控系统的研究[D].芜湖：安徽工程大学，2012.

[2] 潘小红.基于物联网技术的电梯安全监控系统研究[J].无线互联科技，2016（20）：125-128.

[3] 徐爱华，全书海.Socket 网络通信及其在电梯监控系统中的应用[J].武汉理工大学学报，2012，28（11）：56-59.

[4] CHARLES M，KOZIEROK.The TCP/IP guide a comperehensive，illustrated internet protocols reference[M].No Starch Press，2005：58-158.

[5] 姚静，郭琳，陈广.网络监控系统采用模式实现远程监控[J].中国仪器仪表，2010（7）：68-70.

[6] 练胜，王栋，朱祥贤.基于物联网技术的电梯安全监控系统的设计与实现[J].现代制造，2015（3）：126-127.

[7] LIULX，ZHOU X J.Design of intelligent tire safety pre-alarm system based on ARM9[C].CAR 2010 2nd International Asia Conference on Informatics in Control，Automation and Robotics，2010.

[8] 张晓奇.基于物联网技术的电梯故障监测系统的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2014

[9] 曾宪权.物联网远程电梯监控系统关键技术研究与实现[J].中国测试，2015，41（2）：101-104.

[10] JOE CASAD.TCP/IP 入门经典[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[11] 慕伟.电梯远程监控系统研究[D].西安：长安大学，2013.

[12] 刘彦明，李鹏.实用网络编程技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，1998.endprint