摘  要： 針電梯安全運行遠程無線監(jiān)測的實際需要，結(jié)合WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)帶寬高、傳輸速度快和覆蓋范圍廣的優(yōu)點，借助WiMAX通信技術(shù)搭建了一套電梯無線故障監(jiān)測報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合了電梯故障監(jiān)測、困人報警通信及電梯相關(guān)信息管理等功能。對系統(tǒng)的設(shè)計思路及組成結(jié)構(gòu)進行了詳細的介紹，并重點說明了監(jiān)控報警終端的設(shè)計過程。該系統(tǒng)為現(xiàn)階段進入使用壽命中后期老齡化電梯的物聯(lián)網(wǎng)改造提供了一種解決方案。

　　關(guān)鍵詞： WiMAX；監(jiān)控系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式計算機；電梯

0 引言

　　隨著中國城市化進程的逐步推進，城市高層建筑數(shù)量持續(xù)增長，電梯已經(jīng)成為城市垂直交通不可替代的運輸工具[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2013年底國內(nèi)電梯安裝總量已超過280萬臺，并且還在持續(xù)增長。近年來電梯事故頻發(fā)，引起了社會各界對電梯運行安全的關(guān)注。究其原因，以往依托人力的電梯運行維護管理制度已無法適應(yīng)電梯老齡化數(shù)量持續(xù)增長的現(xiàn)狀，因此，迫切地需要一種先進有效的科學管理模式來保障電梯的安全運行。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展及國家的大力支持，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用[2]。電梯監(jiān)控系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，為人們提供了一種更加有效的管理模式。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電梯監(jiān)測管理系統(tǒng)可以對電梯事故進行有效的預測、預報；對電梯故障進行快捷搶修，從而保證電梯安全有效地運行，降低電梯事故發(fā)生的頻率，減少電梯事故損失[3]。

　　目前，行業(yè)專家對電梯監(jiān)控系統(tǒng)進行了一系列研究，將以往的有線監(jiān)控系統(tǒng)進行無線化改造并納入物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)已成經(jīng)為一種共識，傳統(tǒng)的借助3G、WLAN等技術(shù)對電梯監(jiān)控系統(tǒng)進行無線網(wǎng)絡(luò)化改造的方案已經(jīng)有了一定范圍的應(yīng)用，這些系統(tǒng)在發(fā)揮其重大作用的同時也暴露出了一些不足，如3G通信帶寬相對較窄，音頻、視頻信號采集和實時傳輸能力不高，而且數(shù)據(jù)傳輸過程中會不斷地產(chǎn)生資費，使用成本較高。WLAN技術(shù)通信帶寬滿足要求，但無線信號傳輸距離較短，相對可靠性不高。隨著IEEE 802.16e和IEEE 802.16m移動WiMAX標準的確定，WiMAX技術(shù)由于其高接入速率，可提供基于IP的音頻視頻信號傳輸[4]，彌補了3G以及WLAN技術(shù)的不足，依托WIMAX技術(shù)建設(shè)的無線電梯監(jiān)控系統(tǒng)能更好地適應(yīng)該系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)改造的要求。

1 電梯監(jiān)控報警系統(tǒng)介紹

　　電梯監(jiān)控報警系統(tǒng)是以電梯檢測技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來的電梯故障判斷警示系統(tǒng)，早期電梯檢測系統(tǒng)屬于電梯運行控制系統(tǒng)的一部分，主要依托傳感器對電梯運行中的轎廂質(zhì)量、門機信號、平層信號、安全鉗等各項狀態(tài)參數(shù)實施采集，將數(shù)據(jù)反饋到控制端，用于控制電梯穩(wěn)定運行。如今由于電梯故障診斷的需要，該系統(tǒng)發(fā)展逐步完善，增加了更多更先進的傳感器，對電梯運行狀態(tài)感知更加細致全面。電梯監(jiān)控報警系統(tǒng)充分利用這一成果，結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)，將一定區(qū)域內(nèi)多部電梯的運行狀態(tài)傳輸至一部監(jiān)控計算機，由該計算機對電梯故障進行分析判斷，及時反饋給電梯維保人員，保證電梯出現(xiàn)的異常狀況能得到及時響應(yīng)和處理。

　　1.1 WiMAX通信技術(shù)簡介

　　WiMAX[5-8]是由IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會）推出的無線寬帶標準，自2001年至今發(fā)布了802.16至802.16m多個版本。本系統(tǒng)采用IEEE802.16e標準，可支持固定和移動寬帶無線接入，工作頻段為2 GHz~6 GHz，雙工方式為FDD（頻分雙工）和TDD（時分雙工）；非可視覆蓋半徑為km級，傳輸峰值可達75 Mb/s，支持全IP網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議及QoS技術(shù)，完全滿足在小區(qū)內(nèi)組建無線電梯監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)的各項需求。

　　1.2 監(jiān)控報警系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)將嵌入式微型計算機技術(shù)、WiMAX無線通信技術(shù)、電梯故障檢測技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，將電梯故障監(jiān)測報警終端與小區(qū)物業(yè)、維保公司、當?shù)靥貦z院及監(jiān)控中心計算機聯(lián)系起來，組成多級電梯監(jiān)控報警及故障診斷網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了電梯的集中監(jiān)控管理。電梯業(yè)主可通過該系統(tǒng)實時監(jiān)控電梯運行狀態(tài)；維保公司可通過該系統(tǒng)調(diào)閱電梯運行參數(shù)遠程判斷故障類型，制定處理方案，組織維保工作；特檢院等相關(guān)監(jiān)管部門通過該系統(tǒng)提供的電梯運行狀態(tài)及維護記錄統(tǒng)計數(shù)據(jù)，有效監(jiān)管電梯運行保障工作。該系統(tǒng)可提高電梯運行管理的現(xiàn)代化水平及電梯的維保工作質(zhì)量。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　電梯故障監(jiān)測報警系統(tǒng)由電梯、監(jiān)測終端、WiMAX基站、本地服務(wù)器、特檢中心服務(wù)器、監(jiān)控PC和智能手持終端組成。監(jiān)測報警終端是系統(tǒng)底層的重要部件，監(jiān)測終端連接一套傳感器負責采集電梯運行參數(shù)，內(nèi)設(shè)典型故障參考點，當電梯運行出現(xiàn)異常時，可自動或由乘客手動觸發(fā)報警，申請建立語音視頻傳輸通道，同時將故障狀態(tài)參數(shù)上傳，電梯正常運行時可接受本地和遠程訪問。WiMAX基站與小區(qū)本地服務(wù)器相連，負責組建小區(qū)無線局域?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)，為每個監(jiān)控終端分配網(wǎng)絡(luò)標識，接受終端入網(wǎng)請求，網(wǎng)絡(luò)建立后負責接收各終端上傳數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)至本地服務(wù)器。本地服務(wù)器負責將小區(qū)內(nèi)每部電梯的各項參數(shù)統(tǒng)計整理存入本地數(shù)據(jù)庫，提供本地和遠程訪問查詢，同時通過互聯(lián)網(wǎng)定期與特檢中心服務(wù)器做數(shù)據(jù)同步。小區(qū)物業(yè)的監(jiān)控PC負責監(jiān)控局域網(wǎng)內(nèi)電梯運行狀況，當電梯故障時可響應(yīng)電梯監(jiān)控終端連接請求，建立語音視頻通信，將電梯故障信息存入本地數(shù)據(jù)庫，同時訪問特檢中心服務(wù)器，上傳故障電梯運行參數(shù)申請故障診斷服務(wù)，收到診斷結(jié)果后立即通過短信發(fā)送給維保人員。特檢中心服務(wù)器負責存儲、統(tǒng)計、管理本地區(qū)所有電梯的故障信息，由于處理性能較強，可在其中安裝電梯故障診斷軟件，為全區(qū)所有電梯提供故障診斷服務(wù)，同時亦可架設(shè)專用網(wǎng)站，提供相關(guān)人員查詢電梯、運維工作、檢驗工作的信息。

　　1.3 監(jiān)控報警終端硬件組成

　　電梯監(jiān)控報警終端是系統(tǒng)前端硬件核心部件，由嵌入式ARM計算機、數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊、控制模塊、多媒體模塊和供電模塊組成，如圖2所示。

　　1.3.1 主控計算機

　　主控計算機采用以全志A20芯片為核心的工控單板機，CPU采用ARM Cortex-A7架構(gòu)、具有1 GHz主頻的雙核32位低功耗微處理器，板載外圍硬件資源包括1 GB運行內(nèi)存、4 GB NAND Flash存儲器、5路全雙工串口、2路IIC接口、1路SPI接口、2路10位ADC轉(zhuǎn)換接口以及多路通用輸入輸出接口，可外接多種傳感器以及無線通信模塊。

　　1.3.2 采集模塊

　　采集模塊由分布安裝在電梯各部位的多個傳感器組成，傳感器獨立于電梯控制系統(tǒng)，主要用于電梯關(guān)鍵部位運行參數(shù)采集。傳感器包括加速度傳感器、稱重傳感器、震動信號傳感器、平層信號傳感器和門機信號傳感器等，這些傳感器通過信號電纜連接監(jiān)測報警終端，實時采集電梯運行狀態(tài)參數(shù)。

　　1.3.3 多媒體模塊

　　多媒體模塊由14英寸LCD液晶屏、音頻功放、揚聲器、駐極體話筒以及攝像頭組成。電梯正常運行時，多媒體模塊可播放乘坐電梯相關(guān)知識的宣傳短片，也可播放多媒體廣告，廣告投放獲取收入可抵消系統(tǒng)運維成本；當電梯故障時，多媒體模塊可作為報警救援視頻電話，采集傳輸電梯內(nèi)部的音視頻信號，為被困人員提供幫助。

　　1.3.4 供電模塊

　　供電模塊由主電源與備用電源組成，主電源為AC150-220 V寬壓輸入DC12V5A輸出開關(guān)電源，備用電源為12V7Ah鉛酸蓄電池與充放電管理電路組成的不間斷電源模塊，可保證系統(tǒng)斷電后運行1 h。

　　1.3.5 WiMAX通信模塊

　　本系統(tǒng)借助WiMAX無線寬帶技術(shù)組網(wǎng)通信，通信模塊選用Intel Centrino Advanced-N+WiMAX 6250無線網(wǎng)卡，此網(wǎng)卡遵循IEEE802.16e Wave2協(xié)議，工作在3.5 GHz頻段，上行傳輸帶寬為6 Mb/s，下行傳輸帶寬為20 Mb/s，采用Mini PCI-E半高卡設(shè)計，通信接口為USB2.0，由Intel官方提供Linux系統(tǒng)及Windows系統(tǒng)驅(qū)動程序。

　　1.3.6 射頻卡讀寫模塊

　　電梯運行維護及管理人員配有身份識別卡，用于記錄電梯的日常維護日志，內(nèi)容包括維護開始時間、結(jié)束時間以及維護、管理人員的身份信息。此設(shè)備采用RFID射頻識別技術(shù)，讀卡器模塊選用明泰MRF-35-MEM非接觸式IC卡讀卡器，讀寫卡類型符合MIFARE標準，讀寫頻率為13.56 MHz，通信接口為RS232，通信頻率采用115 200 b/s。

　　1.4 WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)

　　IEEE802.16標準中規(guī)定了PMP（點對多點）以及Mesh（網(wǎng)格網(wǎng)）兩種標準組網(wǎng)方式[9-10]，由于本系基站覆蓋半徑要求不大，入網(wǎng)終端數(shù)量較少，并且終端類型為固定式，選擇更為合適的PMP組網(wǎng)方式。完整的WiMAX網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由核心網(wǎng)、基站、用戶基站、接力站、用戶終端設(shè)備和網(wǎng)管組成，本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境所需的信號覆蓋半徑在1 km左右，遠低于標準中的50 km，因此可將組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行簡化，如圖3所示。

　　只需在小區(qū)的中心建筑高點布置一個圖3所示的一體化WiMAX基站，電梯監(jiān)控終端直接與該基站相連組網(wǎng)，只在少部分信號盲區(qū)架設(shè)小型WiMAX無線AP做信號中繼，即可實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)所有電梯監(jiān)控終端的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。WiMAX基站通過網(wǎng)線將終端上傳數(shù)據(jù)傳輸給小區(qū)監(jiān)控服務(wù)器，由專門的處理軟件負責數(shù)據(jù)提取、分析、整理和存儲等工作。小區(qū)服務(wù)器通過運營商網(wǎng)絡(luò)連接特檢院服務(wù)器，執(zhí)行定期數(shù)據(jù)同步，申請故障分析診斷服務(wù)以及其他必要工作。

2 系統(tǒng)軟件

　　本系統(tǒng)軟件包括終端軟件以及監(jiān)控計算機軟件兩部分，程序設(shè)計均采用OS（操作系統(tǒng)）+APP（應(yīng)用程序）的模式，終端OS采用去除圖形界面的Linux操作系統(tǒng)，APP軟件基于跨平臺C++應(yīng)用程序框架QT開發(fā)。監(jiān)控計算機操作系統(tǒng)采用Windows 8，APP基于Windows下的可視化編程環(huán)境Delphi開發(fā)。

　　2.1 終端應(yīng)用程序

　　終端應(yīng)用程序按照實際功能可劃分為數(shù)據(jù)采集處理、通信、事件判斷處理和多媒體播放4個主要模塊，如表1所示。

　　數(shù)據(jù)采集模塊主要針對電梯運行狀態(tài)參數(shù)進行采集整理。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實時性，文本數(shù)據(jù)設(shè)計使用TCP協(xié)議傳輸，音、視頻數(shù)據(jù)設(shè)計使用基于UDP之上的RTCP協(xié)議傳輸。事件判斷處理主要針對傳感器數(shù)據(jù)進行分析，與內(nèi)置正常參數(shù)比對，根據(jù)數(shù)據(jù)異常類型判斷故障類型，觸發(fā)報警并上傳故障參數(shù)，此外還接受遠程訪問以及命令解析執(zhí)行。多媒體播放模塊則負責音、視頻文件解碼播放。

　　2.2 監(jiān)控計算機應(yīng)用程序

　　監(jiān)控計算機應(yīng)用程序按照功能可劃分為通信、數(shù)據(jù)處理、事物處理和人機交互界面4個模塊，如表2所示。

　　通信模塊包含4個部分：（1）通過TCP協(xié)議接收終端上傳的數(shù)據(jù)包，發(fā)送指令實現(xiàn)監(jiān)控計算機與終端的遠程交互；（2）通過RTCP協(xié)議接收終端視頻電話數(shù)據(jù)流，并發(fā)布廣告文件更新；（3）緊急情況如需專家會診，可通過IP電話建立多方語音通信；（4）將必要電梯狀態(tài)通過文字短信發(fā)送至救援或維保人員手機。數(shù)據(jù)處理模塊對終端上傳數(shù)據(jù)包進行解包提取，對應(yīng)不同終端的多項數(shù)據(jù)進行分類，添加時間信息存入本地數(shù)據(jù)庫。事物處理模塊將終端數(shù)據(jù)與預存正常參考數(shù)據(jù)進行比對，判斷警情，如有異常則觸發(fā)報警機制，電話短信通知相關(guān)人員，上傳故障參數(shù)至特檢中心服務(wù)器申請故障診斷服務(wù)，并定期將本地數(shù)據(jù)庫與特檢中心數(shù)據(jù)庫同步。人機交互界面則模擬顯示電梯狀態(tài)、轎廂畫面，提供數(shù)據(jù)庫檢索窗口供相關(guān)人員查詢。

3 結(jié)論

　　WiMAX作為一種基于開放標準的城域網(wǎng)技術(shù)，相比WIFI技術(shù)能在更廣闊的地域范圍提供無線寬帶連接，在非可視距離達km級范圍內(nèi)需要組建高帶寬無線局域網(wǎng)絡(luò)的場合具備無可比擬的優(yōu)勢，借助此技術(shù)搭建的無線電梯故障監(jiān)測報警系統(tǒng)安裝布設(shè)方便，靈活性以及可維護性較高。該系統(tǒng)為現(xiàn)階段進入使用壽命中后期老齡化電梯的物聯(lián)網(wǎng)改造提供了一種解決方案。

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