集成電路 | 基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯故障監(jiān)測系統(tǒng)的研究

設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯電氣系統(tǒng)故障監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對常見故障的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r響應(yīng)電梯故障，并能對故障原因進(jìn)行分析，達(dá)到預(yù)期的效果。

1 引言

隨著電梯的廣泛應(yīng)用，電梯的故障和安全隱患愈發(fā)引起人們的重視。根據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，在電梯故障中，最常見的故障為電梯電氣故障。電梯常見電氣故障包括元件絕緣引起的故障，電磁干擾引起的故障，繼電器損壞引起的沖頂和蹲底故障，以及安全開關(guān)損壞引起的故障等。這些故障點(diǎn)分散，瑣碎，檢修難度比較大。針對這種情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯電氣故障監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電氣電氣故障的實(shí)時監(jiān)測，對電梯當(dāng)前的故障情況進(jìn)行智能分析，針對不滿意的分析結(jié)果發(fā)出警報(bào)，要求人工進(jìn)行修理。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電梯電氣故障監(jiān)測的需求分析

根據(jù)作電梯故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，電梯常見的故障現(xiàn)象包括門無法關(guān)閉或者打開，反復(fù)開關(guān)門，沖頂，蹲底，超速，開門走梯，停梯非平層，安全回路異常[1-4]等，監(jiān)測以上故障現(xiàn)象，需要對電梯為整個電梯的電氣回路，門狀態(tài)，上極限，平層狀態(tài)，下極限，轎廂內(nèi)部是否有人，運(yùn)行狀態(tài)，安全回路狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測。為了保證監(jiān)測系統(tǒng)不影響電梯的正常運(yùn)行，監(jiān)測系統(tǒng)全部采用獨(dú)立于電梯機(jī)電系統(tǒng)的傳感器，并且并聯(lián)接在電氣回路中。轎廂頂部安裝本地端控制器，與各種傳感器相連，用于采集各狀態(tài)點(diǎn)數(shù)據(jù)、并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理。與此同時，本地端控制器內(nèi)置無線通信模塊，可以將處理過的數(shù)據(jù)傳送到中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)。中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)對多臺監(jiān)測終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，對電梯故障類型進(jìn)行分級。本著以人為本原則，電梯困人、急停未平層等故障視為重要故障，給予最高的優(yōu)先級響應(yīng)，應(yīng)立即發(fā)出故障報(bào)警，通知相關(guān)人員救援[5-8].

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

整個系統(tǒng)分為故障狀態(tài)采集、本地端數(shù)據(jù)處理和中央計(jì)算機(jī)三部分。故障采集部分位于整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最底層，用于實(shí)時采集電梯故障狀態(tài)信息，主要由安裝在電梯各個部位的傳感器組成，根據(jù)電梯電氣故障狀態(tài)設(shè)置的參數(shù)向本地端控制器發(fā)送信息。本地控制器接受各傳感器傳送的故障信號，并對這些數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理運(yùn)算，最后通過無線傳送模塊輸送到中央計(jì)算機(jī)。

中央處理計(jì)算機(jī)位于整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最高層，它的作用是接收所有終端息后對其分析并做出相應(yīng)的處理，同時將信息存儲在數(shù)據(jù)庫中。

此外，中央處理計(jì)算機(jī)中裝有故障監(jiān)控界面，維修人員和電梯管理人員可以通過監(jiān)控界面實(shí)時監(jiān)控電梯的整個電梯的運(yùn)行情況及故障狀態(tài)。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖 1 所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 故障采集的硬件設(shè)計(jì)

電梯常見的故障及其檢測：（1）停電檢測：電梯系統(tǒng)供電分為動力系統(tǒng) AC 380 V 和 AC 220 V 兩種電源，此外還有 AC 110 V 和 AC 36 V 的照明電源。其監(jiān)測方法是在電源入口并聯(lián)光電檢測模塊，即可檢測電梯電源的狀態(tài)。（2）門狀態(tài)監(jiān)測。門的故障狀態(tài)分為有人長時關(guān)門、長時開門、長時反復(fù)開關(guān)門等[9-13]，因此對門狀態(tài)的檢測只需將永磁感應(yīng)器安裝在門的開/關(guān)極限處，并根據(jù)程序中的定時器綜合判斷出門異常狀況。（3）平層狀態(tài)。電梯的平層狀態(tài)由安裝在轎廂箱體的平層開關(guān)檢測完成。主要選用光電傳感器。（4）沖頂和蹲底檢測。電梯的沖頂由安裝在轎廂頂部的接近開關(guān)和井道頂部的觸點(diǎn)檢測實(shí)現(xiàn)，蹲底監(jiān)檢測的方法與其類似。（5）電梯超速和墜落檢測。電梯的超速分為勻速超速和加速度超速兩種情況，勻速超速通過檢測電梯運(yùn)動過程中觸發(fā)平層信號的時間間隔來判斷。加速度檢測加速度傳感器實(shí)現(xiàn)，安裝在轎廂頂部，與電梯一起運(yùn)行。（6）有人檢測。人的檢測采用紅外熱釋電傳感器和微波雷達(dá)傳感器復(fù)合檢測，既紅外熱釋電傳感器易受熱源干擾的問題，又可彌補(bǔ)微波雷達(dá)傳感器怕震動的缺點(diǎn)。

傳感器硬件設(shè)計(jì)：（1）開關(guān)量傳感器的接入方法。常用的光電傳感器、熱釋傳感器的工作電壓均為 DC 12 V，常見的嵌入式控制引腳輸入電壓為最高 5 V，為使本地端嵌入式控制器能夠正常接收開關(guān)量傳感器的信號，考慮到引入電路的抗干擾性，本文運(yùn)用光電耦合電路作為信號引入電路，其具體鏈接方式如圖 2 所示。

當(dāng)傳感器閉合，輸出“1”的開關(guān)量時，光耦電路輸出低電平。反之，輸出高電平，通過 100 kΩ的上拉電阻，使控制器輸入口的電壓保持在5V,以下，以免損壞控制器。

（2）模擬式傳感器接入方法。本文中應(yīng)用的模擬量傳感器主要是加速度傳感器，本著可靠的原則，采用 Inven Sense

公司生產(chǎn)的基高集成度三軸加速度傳感器模塊，該模塊以 MPU6050 為核心，加速度測量范圍可調(diào) ±2 g、±4 g、±8 g、±16 g 四檔 ，其接口電路如圖 3 所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層的硬件設(shè)計(jì)

通信模塊的選取要考慮傳輸速度，傳輸數(shù)據(jù)量，信號質(zhì)量及可靠性問題，由于電梯的故障檢測系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是很大，綜合考慮價(jià)格因素、后期語音擴(kuò)展留有余地等因素。本文選用 MC35i 通信模塊，該模塊是新一代西門子 GSM/GPRS 雙模模塊，內(nèi)嵌式的無線 GPRS 模塊連接。，能提供數(shù)據(jù)、語音、短信、傳真功能，該傳輸模塊可以完全能夠滿足設(shè)計(jì)需求，該模塊有電源接口，電源接口，同步信號接口，音頻接口，串行接口等。為保證通信模塊正常運(yùn)行，為 MC35i 設(shè)計(jì)了供電電路，點(diǎn)火電路等。此處重點(diǎn)介紹點(diǎn)火電路。MC35i 進(jìn)入工作狀態(tài)，必須在上電后加入 100 ms 的低電平信號才能工作。本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的上電電路，圖 4 為 MC35i 的時序圖，上電時，IGT 低電平，待電源穩(wěn)定，通過單片機(jī)的控制使其成為高電平，并維持 10 ms 以上，然后 IGT 又被接地，并保持 100 ms 以上。至此，完成 GPRS 模塊的啟動。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為本地端軟件、通信軟件和監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件即物聯(lián)網(wǎng)中最上層，為故障監(jiān)控人員提供監(jiān)控界面。本地端軟件是本地端控制器的控制程序，故障負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和上傳。通信軟件負(fù)責(zé)信息的通信。各軟件之間的信息流通圖如圖 5 所示。

由于本地端控制器采用的 ARM 系列，所以整個本地端軟件和通信軟件在 ARM9 的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編程，語言用 C 語言，

4.2 本地端檢測的軟件設(shè)計(jì)

本地端檢測實(shí)現(xiàn)的功能較多，不但要編寫各種監(jiān)測程序，還要編寫通信程序和傳送函數(shù)。為了更好地查找和修改程序，在編寫過程中運(yùn)用軟件工程的方法，實(shí)施模塊化處理，將程序根據(jù)不同功能寫成C語言函數(shù)塊，并存放在不同文檔中。

整個本地端檢測軟件應(yīng)包含故障數(shù)據(jù)采集，故障數(shù)據(jù)處理與存儲，故障數(shù)據(jù)上傳和軟件看門狗四大類。與此同時，根據(jù)故障的嚴(yán)重性，對各種故障類型設(shè)置優(yōu)先級。

4.3 通信軟件設(shè)計(jì)

GPRS 通信模塊在實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的過程中，首先使用 AT 指令設(shè)定模塊參數(shù)進(jìn)行一系列初始化配置，接著通過 ATDT 指令連接通信基站的服務(wù)器，然后與通信基站服務(wù)器協(xié)商完成 LCP 配置、通過 PAP/CHAP 認(rèn)證、IPCP 配置三個步驟建立 PPP 連接，成功連接后，通信基站服務(wù)器會分配一個動態(tài) IP 地址給 GPRS 模塊，經(jīng)過以上過程 GPRS 模塊就成功接入 Internet，通過內(nèi)部事先存儲的 IP 地址訪問接入網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，成功建立 TCP 連接后即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[1,2]。

4.4.監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)用 C 語言編寫監(jiān)控軟件，并將其安裝在中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)上，整個監(jiān)控軟件分三部分組成，一是登錄界面，主要用于監(jiān)控人員登錄；二是監(jiān)測界面，所有故障點(diǎn)的狀態(tài)實(shí)時顯示在監(jiān)測界面上；三是記錄界面，可以查詢以往的故障記錄。整個監(jiān)控界面內(nèi)含故障數(shù)據(jù)庫，用于存放歷史故障數(shù)據(jù)。其中，實(shí)時故障監(jiān)控界面如圖 6 所示[14,15]。

5 結(jié)語

通過系統(tǒng)的模擬運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果良好，能夠?qū)崿F(xiàn)電梯故障的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。電梯作為承載工具，是人們生活中必不可少的特種設(shè)備，它的安全運(yùn)行，關(guān)乎著人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，維護(hù)著國家社會和諧安定。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到電梯故障診斷中，能夠?qū)崟r監(jiān)測電梯故障，為電梯維保人員提供一線實(shí)時的數(shù)據(jù)信息，使電梯故障能夠及時有效的處理，保障了電梯安全平穩(wěn)運(yùn)行。