基于手机传感器的多参数电梯检测方法

唐跃林 叶 磊 万 帅 孙玉宇 汤 斌

（1.重庆市特种设备检测研究院 重庆 401121）

（2.国家市场监管重点实验室（西部复杂环境机电设备安全) 重庆 401121）

（3.重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室 重庆 400054）

电梯作为常见的特种设备,在现代社会中扮演着重要的角色。电梯的出现,不仅使得人们的出行更加便利,同时也提高了工业和商业领域的物流效率。在城市化进程不断加快的今天,一栋栋高楼大厦拔地而起,电梯的使用量不断增加,同时对电梯的安全要求也越来越高[1]。电梯本身作为特种设备,发生事故的报道屡见不鲜。因此,确保电梯的正常运行以及乘客的安全是非常重要的。通过对电梯设备的检测,可以获取电梯的运行情况、故障、损耗等信息,进一步了解电梯设备的使用状况,以便及时进行维护和保养,确保电梯设备的安全性和可靠性[2]。定期进行电梯检测可以发现问题和隐患,及时修复或更换部件,从而有效预防电梯事故的发生,保护乘客和电梯设备的安全。影响电梯安全性与舒适度的主要参数包括加减速度、振动、噪音、轿厢内照度、轿厢平面倾斜角度等[3]。因为所需检测的参数较多,所以在现有的电梯检测方法中,电梯检测的专业人员往往需要携带大量检测设备,如振动测试仪、环境检测器、角度仪、声级计等专业检测设备。除了专业检测以外,有经验的工程师可以通过听、摸来判断电梯的运行状况[4]。然而,人为感知主观意识较重,也或多或少存在缺陷,那如何方便地用现代传感器来测试数据代替人的感觉,快捷地评判电梯的运行状况？Sun T C等人提出一种基于无线传感器网络（WSN）的智能电梯负载重量检测系统[5],该系统采用了多个无线传感器节点,通过对电梯底部的载荷和加速度进行采集和处理得到电梯检测所需的相关参数,然而该系统也存在以下缺点：传感器节点安装位置有限制,即传感器节点的部署需要考虑其安装位置,不仅会影响监测数据的准确性和全面性,还会对电梯内部空间造成一定占用,可能会对电梯的舒适性产生影响；由于传感器节点部署需要较多的设备和维护,所以整个系统的成本相对较高。郝真鸣等人提出了利用嵌入式芯片加外接传感器检测电梯的方法[6],该方法使用加速度计、气压传感器、陀螺仪等传感器作为数据采集端,使用STM32作为主要数据处理芯片,可测得加速度、位移、气压、角度等电梯检测所需参数。虽然基于嵌入式的检测系统可对电梯特性参数进行实时采集和处理,但嵌入式系统的受众面相较于手机而言更小,单片机本质上是面向专业人士和企业客户的产品,普通用户的使用范围比较有限。相比之下,手机作为消费级电子产品,已经成为人们日常生活和工作的必备设备之一。在该领域的研究中,国内外的关注重点不尽相同。

基于上述电梯检测方法的缺点,本文提出一种基于智能手机传感器的新型电梯检测方法。使用智能手机传感器进行检测可以节省携带多个专用设备的时间和成本。同时,检测人员可以利用闲置的时间进行检测,不需要另外安排时间和空间。智能手机传感器可以采集多个方面的数据,如振动、角度、噪声等,通过专门的算法对数据进行分析和处理可以得到可靠的电梯设备运行状态参数。本文利用Android studio开发了一款用于电梯检测的手机软件,其利用手机中的传感器进行现场测试采集数据并进行数据处理,测试结果与专业检测设备检测结果进行了比对分析,获得了满意的结果。

1 基于智能手机的电梯检测原理

在电梯运行过程中,利用加速度传感器可以实时检测电梯的三轴加速度值,可通过对z轴加速度的积分处理推算出电梯在运行过程中的速度和位移[7],同时也可结合三轴加速度的值以及三角函数变换推算出倾斜角度。利用环境光传感器可以检测电梯内部的光照强度,从而获取电梯内部照度的变化情况。利用麦克风可以检测电梯内声压值的大小,从而获取电梯内部噪音的变化情况。各传感器获取数据及数据处理的流程图如图1所示。

图1 传感器获取数据及数据处理流程图

在Android系统的软件开发中,用户可直接调取传感器数据,获取各传感器的主要步骤如下,以加速度计为例：

Sensorlinear_acceleration=mSensorManager.getDefaultSensor（Sensor.TYPE_LINEAR_ACCELERATION)；//获取传感器管理

mSensorManager.registerListener（mSensorEvent Listener,linear_acceleration,SensorManager.SENSOR_DELAY_NORMAL)；//注册传感器监听

在注册传感器监听后,加速度数据便可直接从手机中调取,环境光传感器与加速度传感器的调取流程相同,不再赘述。需要提到的是手机麦克风并不属于可直接读取数据的传感器,所以以上调取方法并不适用于调取手机麦克风数据,调取手机麦克风获取噪音数据流程框图如图2所示。

图2 获取麦克风数据及数据处理流程图

麦克风与其他传感器的不同之处在于调取麦克风获取数据的类型是音频数据,而其他传感器所获取的都是文本类数据[8],所以在获取音频数据前需提前打开麦克风使用权限以及创建音频文件的存储路径,在录音结束后便可从创建好的音频文件路径中读取该音频在时域上的声压值,经数据处理后便可获取想要的声压级数据。

2 各传感器的数据处理方法

由于手机加速度计器件（MEMS）本身就存在随机噪声,如热噪声、1/f噪声等,这些噪声会对加速度信号产生随机干扰,并且由于手机的生产厂家不同,手机内置传感器型号也存在差异,所以不同型号手机会因为自身硬件设备不同而产生不同频率与振幅的噪声,这些噪声往往会存在一个均值,不同设备基于不同的传感器会存在不同的均值噪声,这些叠加在加速度数据上的均值噪声会使积分后的速度数据产生上下浮动,为了消除这个均值噪声,采取了零点校准的方法[8],该校准方法的主要思想为：获取原始加速度信号并计算其均值。对原始信号减去均值,得到零均值信号。由于不同手机所产生的均值误差不同,所以在软件开发过程中并不能直接通过某段程序获取不同手机的零点加速度均值,为了解决这一问题,在软件开发中增加了零点加速度校准功能,该功能按钮可以采集数据并计算数据均值,计算完毕后会将该值写入手机本地,之后在每次使用数据采集功能时都去读取该均值并用当前数据减去均值,以实现消除传感器均值误差的目的。以红米10X 手机传感器为例,将手机放置地面静止不动启动数据采集功能,采集的加速度数据校准前后对比图如图3 所示。

图3 加速度数据校准前后对比图

由图3 可见,原始数据中存在约0.08 m/s2的偏差,差值与手机硬件设备相关,经零点加速度校准后使得加速度均值趋近于0 m/s2。由此可见,该方法可有效解决由于手机加速度计器件造成的机械误差,并且可适用于不同机型。

根据GB/T 24474.1—2020《乘运质量测量 第1部分：电梯》规定,加速度数据应设置带限：10 Hz 二阶巴特沃斯低通滤波器 （2-pole Butterworth)[9]。在开发中完成了加速度数据的调取与存储后,下一步便是根据采样频率的不同来设置合适的数字滤波器,用于去除电梯运行时产生的高频噪声,并保留振动信号中的低频成分,从而更好地反映电梯的振动情况。通过加速度计调取的在电梯上行时的某数据段如图4 所示。

图4 加速度计原始数据段

可见在加速度原始数据中存在大量高频噪声,可能产生该情况的原因有多种,可能是电梯本身结构问题,一些机械零件（如导轨、轮子等）磨损或故障会导致振动产生不规律的高频成分；也可能是信号处理和传输问题,在数据采集过程中因为传输介质或信号处理器中放大器的限制,也可能导致高频噪声的干扰。在原始数据中使用二阶巴特沃斯低通滤波器可有效滤除干扰,使用MATLAB 设计10 Hz 二阶巴特沃斯低通滤波器,并将原始数据段进行滤波后的波形图如图5所示。

图5 滤波后的加速度数据段

将滤波与校准后的加速度数据对时间进行积分即可得速度值,本文采取积分方式为梯形近似积分法,即计算相邻两个数据点与时间轴所围成的梯形的面积,再将所有梯形的面积依次进行累加则可得到每个时间点的速度值,第n个速度点的计算见式（1）：

式中：

Vn——第n个速度数据点的值；

Ai——第i个加速度数据点的值；

Ti——第i个时间数据点的值。

在计算位移时计算式与式（1）同理,即第n个位移数据点的计算见式（2）：

式中：

Sn——第n个位移数据点的值。

GB/T 7588.1—2020《电梯制造与安装安全规范第1 部分：乘客电梯和载货电梯》规定,在轿厢空载或载荷均匀分布的情况下,安全装置动作后轿厢地板的倾斜度不应大于其正常位置的5%[10]。结合上述标准可得知,轿厢平面与水平面之间的角度测量在电梯检测中也相当重要,在获取角度数据时需获取手机的三轴线性加速度数据,先计算三轴加速度的矢量和,再将单轴数据与矢量和数据的比值进行反三角函数变换即可获取精确的角度值,角度值的计算见式（3）：

式中：

θ——手机相对于水平面的倾斜角度；

ax,ay,az——分别对应x轴、y轴、z轴加速度的值。

GB/T 7588.1—2020 中指出,轿厢内正常情况下应保证照度不低于100 lx,在电梯控制台等位置的照度水平不应低于200 lx[10]。在获取照度数据时则是直接调取环境光传感器,环境光传感器获取的数据通常是光照强度,其调取数据的步骤与加速度传感器类似,不再重复赘述。

在获取噪音数据时,需要从提前创建好的路径中读取音频文件来获取声压值数据,而声压值是指声波在传播过程中所引起的压强变化,单位为Pa,常用符号为p；而分贝值则是将声压值与参考值相比较所得到的相对单位,常用单位为dB。两者满足关系见式（4）：

式中：

Lp——声压级,dB；

p——当前声音的声压值,Pa；

p0——给定的参考值,一般取2×10-5Pa。

3 软件各参数测试

本测试实验采用硬件设备为红米10X,用该手机搭载基于Android studio开发的手机软件（电梯检测工具）,该软件数据采集界面以及数据图绘制界面如图6 所示。

图6 软件数据采集界面以及数据图绘制界面

测试参数包括三轴加速度、z轴运行速度、z轴运行距离、倾斜角、噪声、照度。由于测试参数较多,为确保实验严谨性,本次实验将测量参数分为4组,第1 组为振动数据测试,即测试三轴加速度、z轴运行速度、z轴运行距离；在使用手机测试的同时使用EVA-625 电梯振动检测仪进行测量。第2 组为角度数据测试,即测试放置平面与地面的倾斜角,在使用手机测试时,配合特殊角度尺对特殊角度平面进行测量。第3 组为噪声数据测试组,即在相同声音环境下,在使用手机测试的同时使用分贝仪对声压级大小进行测量。第4 组为照度数据测试组,即在相同光照环境下,在使用手机测试的同时使用照度仪进行测量。

振动数据测试：对某小区日用垂直电梯进行运行参数检测,测试前将手机正面朝上且与振动测试仪器EVA-625 并排放置于轿厢地板中心部位,并将手机听筒方向朝向轿厢内部。操作人员控制电梯运行至最低楼层,打开轿门,在内部控制电梯运行至最高层,随后触发软件和EVA-625 数据采集功能,关闭轿门,电梯自动上行至顶层,待轿厢停止、轿门打开后,关闭测试装置和EVA-625 数据采集功能,完成振动数据组获取。测试结束后软件将数据以txt 文本格式保存至本地路径,待后续分析软件计算。利用EVA-625 提供的乘运质量分析软件对其数据U 盘中数据文档进行分析,得出运行特性参数。

角度数据测试：利用平面板与角度尺作为组合测试平台,测试前将手机正面朝上放置于水平板上。打开软件数据采集功能,对所采集的角度值进行记录并编号,设置任意不同特殊角度的平面并重复上述操作若干次以完成角度数据组获取。

噪声数据测试：将手机正面朝上和分贝仪并排放并置于任意自然环境下。打开软件和分贝仪的数据采集功能,分别对当前设备所采集的声压级数据进行记录并编号,寻找任意具有不同噪声大小的环境,并重复上述操作若干次以完成噪声数据组获取。

照度数据测试：将手机正面朝上和照度仪并排放置于任意光照的环境下。打开软件和照度仪的数据采集功能,分别对当前设备所采集的照度数据进行记录并编号,寻找任意具有不同光照大小的环境,并重复上述操作若干次以完成照度数据组获取。

4 实验结果分析

4.1 振动数据测试组实验结果

使用手机软件和EVA-625 同时测得z轴加速度数据如图7 所示。

图7 z 轴加速度对比图

由图7 可知,两套装置测得的电梯运行特性参数基本一致,加速度参数偏差在±0.005 m/s2,该次测试中的加速度特征参数见表1。

表1 电梯运行特征参数对照表 m/s2

由表1 可知,两测验装置最大加速度偏差为0.004 m/s2,A95 加速度偏差为0.006 m/s2,最大减速度偏差为0.007 m/s2,A95 减速度偏差为0.006 m/s2。由以上数据可知,采用手机加速度传感器开发的软件可实现电梯运行中z轴加速度数据的测试。

两装置所测得速度对比图及位移对比图分别如图8、图9 所示。

图8 z 轴速度对比图

图9 z 轴位移对比图

通过图8、图9 可以得知,由该软件以及EVA-625 所测得的速度偏差为±0.003 m/s,位移最大偏差为±0.055 m,该次测验中的速度及位移特征参数见表2。

表2 速度及位移特征参数

由表2 可知,两测验装置最大速度偏差为0.003 m/s,A95 速度偏差为0.004 m/s,运行距离偏差为0.055 m。由以上数据可知,采用加速度数据积分的方法可对电梯运行中速度及位移进行测试。

4.2 角度数据测试组实验结果

使用电梯检测工具检测特殊角度平面数据见表3。

表3 角度检测数据

由表3 可知,在将手机放置于由角度尺与平面板构成的特殊平面上时,手机所测得的角度值数据与理论值相接近,两装置所测得的角度值偏差在±0.3°以内。由以上数据可知,手机加速度传感器可对平面倾斜角进行测量,可获得可靠的角度数据。

4.3 噪声数据测试组实验结果

在进行噪声数据的测量时,选取了多种不同的声音环境作为采样环境,部分采样数据见表4。

表4 噪音测量对比结果

由表4 可得,使用电梯检测工具与分贝仪在相同声压环境下的采集结果相近,该结果表明使用手机麦克风作为声压传感器可对声压级数据进行有效采集。

使用电梯检测工具在正常运行中的轿厢内所采集的声压级大小变化的完整数据段如图10所示。

图10 电梯运行过程中的声压级变化

由图10 可知,所测量轿厢在运行过程中,在匀速段的声压级均控制在60 dB 以下,在电梯达到目标楼层时,警报响起时,声压级最高达到73 dB。经本次测量可得：电梯运行过程中的声压级处于相对较低的水平,不会对乘客的听觉造成不适或损害。电梯楼层停止时的警报声音达到了70 ～90 dB,该范围内的声音足够引起乘客的注意,以确保乘客及时离开电梯。

4.4 照度数据测试组实验结果

在进行照度数据测量时,选取了多种光照环境作为对比测试点,对比测试采样数据见表5。

表5 照度对比测试

由表5 可得,处于不同光照强度时,基于手机传感器的照度检测与标准照度仪所测得的照度大小相接近,照度检测的误差在可接受范围以内,具备检测垂直轿厢内照度的功能,符合设计的预期。

5 结论

本研究成功利用手机传感器采集数据,同时开发了一款多功能测量软件,可测量电梯加速度、速度、位移、倾斜角度、照度和噪音等参数。通过对数据的验证和分析,可以得出以下结论：利用手机内置的加速度计、光线传感器和麦克风等传感器能够获取必要的数据,使得便捷测量各项参数成为可能。经过与专业测量设备的对比和校准,发现手机传感器在测量电梯相关参数方面表现出了令人满意的准确性和精度。这表明便捷利用智能手机在实际测量场景中可以作为一种经济实用的替代方案。用测试数据代替经验助力质量提升。同时,开发的软件不仅提供了测量功能,还能够将数据可视化并提供实时监测,可以方便地获取电梯运行状态的综合信息,为电梯安全管理和检测工作提供了强有力的支持。