摘  要： 介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電梯安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集電梯運(yùn)行過程中的各種參數(shù)進(jìn)行分析處理，并及時(shí)將各種信息通過無線或短信發(fā)送到后臺(tái)。這將極大地提高電梯的安全系數(shù)，對于電梯的制造者與使用者都有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

　　關(guān)鍵詞： 電梯；物聯(lián)網(wǎng)；無線；實(shí)時(shí)監(jiān)控

0 引言

　　物聯(lián)網(wǎng)作為掀起我國第三次信息革命浪潮的主導(dǎo)技術(shù)，又稱M2M，是一種以機(jī)器終端智能交互為核心的、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用與服務(wù)。通過在機(jī)器內(nèi)部嵌人無線通信模塊，以光纖、無線通信等為接入手段，為客戶提供綜合的信息化解決方案，以滿足客戶對監(jiān)控、指揮調(diào)度、數(shù)據(jù)采集和測量等方面的信息化需求[1-2]。隨著中國城市化進(jìn)程的加速，城市人口日益增多，越來越多的高層建筑聳立在城市中，高層電梯自然不可或缺。但電梯安全事故也頻頻發(fā)生，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國平均20臺(tái)電梯中就有1臺(tái)存在隱患，平均每年事故死亡30人[3]，這樣的事故提醒著大家電梯安全不容忽視。目前，電梯的安全保障主要靠維保單位的定期維修保養(yǎng)和電梯檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的定期檢驗(yàn)。在電梯數(shù)量龐大、維護(hù)管理人員緊缺的狀況下，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)電梯故障并采取有效的措施加以處理，成為電梯使用單位和監(jiān)管部門必須共同應(yīng)對的課題[4]。

　　本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電梯安全管理系統(tǒng)，采用無線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，對電梯關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行采集、處理和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障報(bào)警。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)由紅外傳感器檢測模塊、速度傳感器模塊、語音及報(bào)警模塊、無線通信模塊組成，系統(tǒng)總體工作圖如圖1所示。

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電梯六層樓層模型。轎廂由電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)，通過聯(lián)軸器把旋轉(zhuǎn)編碼器固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)轎廂升降時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，并傳入ATMEGA128單片機(jī)進(jìn)行處理，得出此時(shí)電梯運(yùn)行速度、加速度。每一樓層均設(shè)有紅外傳感器模塊，用以檢測電梯當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)轎廂到達(dá)某樓層，該層的紅外傳感器處于感應(yīng)狀態(tài)，傳感器即把當(dāng)前樓層信息傳送給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前樓層。轎廂內(nèi)設(shè)有紅外傳感器，如果電梯門處于開啟或未完全關(guān)閉狀態(tài)，電梯將會(huì)保持?？繝顟B(tài)。通過鍵盤選擇，可以控制電梯前往指定目標(biāo)樓層，并通過語音模塊播報(bào)到達(dá)樓層和提醒乘客注意事項(xiàng)。當(dāng)電梯運(yùn)行速度與正常運(yùn)行速度不符時(shí)，電梯將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，呼叫檢修人員以便迅速做出反應(yīng)，并播放預(yù)置語音穩(wěn)定乘客情緒。最后，通過無線通信模塊，把電梯此時(shí)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送到PC端的后臺(tái)服務(wù)器上，并定期發(fā)送短信給工程師，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯運(yùn)行狀態(tài)，為電梯的保養(yǎng)、檢驗(yàn)和監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)為迅速可靠地實(shí)施救援提供保障[5]。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

　　2.1 紅外傳感器檢測模塊

　　紅外傳感器模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)（一個(gè)低電平信號(hào)）?？赏ㄟ^電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍為2～30 cm，工作電壓為3.3 V~5 V[6]。傳感器模塊輸出端口OUT可直接與單片機(jī)I/O口連接，紅外傳感器模塊原理圖如圖2所示。

　　2.2 速度傳感器模塊

　　速度傳感器模塊由步進(jìn)電機(jī)模塊和旋轉(zhuǎn)編碼器組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電梯運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)編碼器用來測量電梯運(yùn)行速度以及加速度。旋轉(zhuǎn)編碼器主要由光柵、光源、檢讀器、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、機(jī)械傳動(dòng)等部分組成。當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器軸帶動(dòng)光柵盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)發(fā)光元件發(fā)出的光被光柵盤狹縫切割成斷續(xù)光線，并被接收元件接收產(chǎn)生初始信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)后繼電路處理后將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。旋轉(zhuǎn)編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過計(jì)數(shù)設(shè)備來獲知其位置，當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置[7-8]。系統(tǒng)收到電信號(hào)后，通過對脈沖信號(hào)的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出對應(yīng)的電機(jī)運(yùn)行角速度，再根據(jù)角量與線量的關(guān)系，分別計(jì)算出電梯運(yùn)行的實(shí)時(shí)速度以及加速度，從而實(shí)現(xiàn)對電梯信息的收集。速度傳感器模塊原理圖如圖3。

　　2.3 無線通信模塊

　　紅外傳感器檢測模塊以及速度傳感器模塊將收集到的電梯運(yùn)行時(shí)各種實(shí)時(shí)信息通過串口傳輸給電梯黑箱中的ATMEG128單片機(jī)，單片機(jī)對信息進(jìn)行匯總。然后將匯總好的信息通過工業(yè)級(jí)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊轉(zhuǎn)化為WiFi信號(hào)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器上[9]。PC端對收到的電信號(hào)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，通過相應(yīng)的算法，可以得到電梯的各種參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示在后臺(tái)服務(wù)器上。GSM模塊與單片機(jī)相連，可以定期把電梯運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)發(fā)送給工程師，極大提高了工作效率。

　　2.4 語音及報(bào)警模塊

　　ATMEGA128單片機(jī)收到匯總信息后，一方面將信息通過WiFi發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，另一方面播報(bào)給電梯中的乘客。WT588D語音模塊內(nèi)置13 bit D/A轉(zhuǎn)換器，以及12 bit PWM輸出，PWM輸出可直接推動(dòng)0.5 W/8 Ω揚(yáng)聲器，支持USB下載方式，支持在線下載/脫機(jī)下載。即便是在WT588D語音芯片通電的情況下，也一樣可以正常下載數(shù)據(jù)到SPI-Flash。在收到單片機(jī)傳來的觸發(fā)信號(hào)后，對應(yīng)語音將會(huì)被播放。在電梯出現(xiàn)故障時(shí)，乘客也可以及時(shí)的被告知，從而穩(wěn)定乘客情緒。語音及報(bào)警模塊原理圖如圖4。

　　3 軟件部分設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)完善的軟件程序，完成包含各種電梯異常檢測、鍵盤響應(yīng)、顯示、數(shù)據(jù)處理和中斷處理等在內(nèi)的功能，整個(gè)軟件流程圖如圖5所示。

　　具體設(shè)計(jì)思路如下：

　?。?）樓層選擇：選擇所要到達(dá)的目的樓層。

　?。?）門開關(guān)檢測：確定目的樓層后，檢查轎廂門是否正常關(guān)閉，如果正常關(guān)閉則啟動(dòng)電梯，如果檢測到轎廂門未完全關(guān)閉，則禁止電梯啟動(dòng)并報(bào)警。

　?。?）如果電梯啟動(dòng)，則實(shí)時(shí)監(jiān)測電梯運(yùn)行過程中的速度與加速度，然后將采集的速度、加速度與電梯安全運(yùn)行時(shí)的速度、加速度對比，如果存在異常則故障報(bào)警并智能發(fā)短信通知物業(yè)或電梯工程師及時(shí)維修。

　?。?）當(dāng)電梯到達(dá)相應(yīng)樓層停止后，監(jiān)測電梯門能否正常打開，如果超過一定的時(shí)間電梯門還不能正常打開，則智能報(bào)警同時(shí)短信通知工程師及時(shí)搶修，并開啟音樂穩(wěn)定被困乘客情緒。

　　軟件設(shè)計(jì)中，對電梯運(yùn)行中的各種狀態(tài)進(jìn)行異常檢測，如門開關(guān)情況、速度、加速度檢測等，如果存在異常情況，立即進(jìn)行報(bào)警，并實(shí)時(shí)顯示在后臺(tái)服務(wù)器界面上，同時(shí)發(fā)送短信給工程師，提醒工作人員進(jìn)行維修。

4 后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器實(shí)現(xiàn)

　　該系統(tǒng)的后臺(tái)服務(wù)器設(shè)計(jì)使用C++語言，采用Windows Sockets API編程方式，基于TCP/IP協(xié)議，提供面向連接的服務(wù)，并在Microsoft Visual Studio 10.0下編譯通過，實(shí)現(xiàn)可靠的通信[10]。在網(wǎng)絡(luò)通信的雙方，均有各自的套接字，并且該套接字與特定的IP地址和端口號(hào)相關(guān)聯(lián)。通常，套接字主要有兩種類型，分別是流式套接字（SOCK_STREAM）和數(shù)據(jù)報(bào)套接字（SOCK_DGRAM）。其中，流式套接字專門用于使用TCP協(xié)議通信的應(yīng)用程序，而數(shù)據(jù)報(bào)套接字則是專門用于使用UDP協(xié)議通信的應(yīng)用程序。使用流式套接字時(shí)，需要配置兩端的端口號(hào)和IP地址使其一致，這樣單片機(jī)就可以和PC端實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信，實(shí)時(shí)地把電梯運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示在后臺(tái)服務(wù)器上。后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器如圖6所示。

5 結(jié)束語

　　本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電梯安全管理系統(tǒng)，采用ATMEGA128單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過串口收到電梯運(yùn)行的各種實(shí)時(shí)參數(shù)，并將運(yùn)行狀態(tài)信息發(fā)送給后臺(tái)服務(wù)器或相關(guān)人員，以便及時(shí)做出反應(yīng)。通過電梯模型的實(shí)驗(yàn)，把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到電梯產(chǎn)業(yè)中，有利于提升和突破電梯的保養(yǎng)、管理和安全監(jiān)察水平。

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　　（收稿日期：2014-09-05）