摘  要： 針電梯安全運(yùn)行遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要,，結(jié)合WiMAX無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬高、傳輸速度快和覆蓋范圍廣的優(yōu)點(diǎn),，借助WiMAX通信技術(shù)搭建了一套電梯無(wú)線(xiàn)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng),，該系統(tǒng)綜合了電梯故障監(jiān)測(cè)、困人報(bào)警通信及電梯相關(guān)信息管理等功能,。對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,，并重點(diǎn)說(shuō)明了監(jiān)控報(bào)警終端的設(shè)計(jì)過(guò)程。該系統(tǒng)為現(xiàn)階段進(jìn)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(jì)算機(jī),；電梯

0 引言

　　隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的逐步推進(jìn),，城市高層建筑數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，電梯已經(jīng)成為城市垂直交通不可替代的運(yùn)輸工具[1],。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),，截至2013年底國(guó)內(nèi)電梯安裝總量已超過(guò)280萬(wàn)臺(tái)，并且還在持續(xù)增長(zhǎng),。近年來(lái)電梯事故頻發(fā),，引起了社會(huì)各界對(duì)電梯運(yùn)行安全的關(guān)注。究其原因,，以往依托人力的電梯運(yùn)行維護(hù)管理制度已無(wú)法適應(yīng)電梯老齡化數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)的現(xiàn)狀,，因此，迫切地需要一種先進(jìn)有效的科學(xué)管理模式來(lái)保障電梯的安全運(yùn)行,。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展及國(guó)家的大力支持,，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了越來(lái)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(cè)管理系統(tǒng)可以對(duì)電梯事故進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào),；對(duì)電梯故障進(jìn)行快捷搶修,，從而保證電梯安全有效地運(yùn)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(zhuān)家對(duì)電梯監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了一系列研究,，將以往的有線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)化改造并納入物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)已成經(jīng)為一種共識(shí),，傳統(tǒng)的借助3G、WLAN等技術(shù)對(duì)電梯監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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(shí)也暴露出了一些不足,，如3G通信帶寬相對(duì)較窄，音頻,、視頻信號(hào)采集和實(shí)時(shí)傳輸能力不高,，而且數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中會(huì)不斷地產(chǎn)生資費(fèi)，使用成本較高,。WLAN技術(shù)通信帶寬滿(mǎn)足要求,，但無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸距離較短,，相對(duì)可靠性不高。隨著IEEE 802.16e和IEEE 802.16m移動(dòng)WiMAX標(biāo)準(zhǔn)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(hào)傳輸[4]，彌補(bǔ)了3G以及WLAN技術(shù)的不足,，依托WIMAX技術(shù)建設(shè)的無(wú)線(xiàn)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(bào)警系統(tǒng)介紹

　　電梯監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)是以電梯檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的電梯故障判斷警示系統(tǒng)，早期電梯檢測(cè)系統(tǒng)屬于電梯運(yùn)行控制系統(tǒng)的一部分,，主要依托傳感器對(duì)電梯運(yùn)行中的轎廂質(zhì)量,、門(mén)機(jī)信號(hào)、平層信號(hào),、安全鉗等各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)實(shí)施采集,，將數(shù)據(jù)反饋到控制端，用于控制電梯穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)的傳感器,，對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)感知更加細(xì)致全面。電梯監(jiān)控報(bào)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(yùn)行狀態(tài)傳輸至一部監(jiān)控計(jì)算機(jī)，由該計(jì)算機(jī)對(duì)電梯故障進(jìn)行分析判斷,，及時(shí)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(shí)響應(yīng)和處理。

　　1.1 WiMAX通信技術(shù)簡(jiǎn)介

　　WiMAX[5-8]是由IEEE（美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）推出的無(wú)線(xiàn)寬帶標(biāo)準(zhǔn),，自2001年至今發(fā)布了802.16至802.16m多個(gè)版本,。本系統(tǒng)采用IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)，可支持固定和移動(dòng)寬帶無(wú)線(xiàn)接入,，工作頻段為2 GHz~6 GHz,，雙工方式為FDD（頻分雙工）和TDD（時(shí)分雙工）；非可視覆蓋半徑為km級(jí),，傳輸峰值可達(dá)75 Mb/s,，支持全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議及QoS技術(shù)，完全滿(mǎn)足在小區(qū)內(nèi)組建無(wú)線(xiàn)電梯監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)需求,。

　　1.2 監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)將嵌入式微型計(jì)算機(jī)技術(shù),、WiMAX無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、電梯故障檢測(cè)技術(shù),、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合,，將電梯故障監(jiān)測(cè)報(bào)警終端與小區(qū)物業(yè),、維保公司、當(dāng)?shù)靥貦z院及監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來(lái),，組成多級(jí)電梯監(jiān)控報(bào)警及故障診斷網(wǎng)絡(luò),，實(shí)現(xiàn)了電梯的集中監(jiān)控管理。電梯業(yè)主可通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯運(yùn)行狀態(tài),；維保公司可通過(guò)該系統(tǒng)調(diào)閱電梯運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程判斷故障類(lèi)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(mén)通過(guò)該系統(tǒng)提供的電梯運(yùn)行狀態(tài)及維護(hù)記錄統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),，有效監(jiān)管電梯運(yùn)行保障工作。該系統(tǒng)可提高電梯運(yùn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　　電梯故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由電梯、監(jiān)測(cè)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(cè)報(bào)警終端是系統(tǒng)底層的重要部件，監(jiān)測(cè)終端連接一套傳感器負(fù)責(zé)采集電梯運(yùn)行參數(shù),，內(nèi)設(shè)典型故障參考點(diǎn),，當(dāng)電梯運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，可自動(dòng)或由乘客手動(dòng)觸發(fā)報(bào)警,，申請(qǐng)建立語(yǔ)音視頻傳輸通道,，同時(shí)將故障狀態(tài)參數(shù)上傳，電梯正常運(yùn)行時(shí)可接受本地和遠(yuǎn)程訪問(wèn),。WiMAX基站與小區(qū)本地服務(wù)器相連,，負(fù)責(zé)組建小區(qū)無(wú)線(xiàn)局域?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)，為每個(gè)監(jiān)控終端分配網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí),，接受終端入網(wǎng)請(qǐng)求,，網(wǎng)絡(luò)建立后負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)將小區(qū)內(nèi)每部電梯的各項(xiàng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)整理存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù),，提供本地和遠(yuǎn)程訪問(wèn)查詢(xún)，同時(shí)通過(guò)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(fù)責(zé)監(jiān)控局域網(wǎng)內(nèi)電梯運(yùn)行狀況,，當(dāng)電梯故障時(shí)可響應(yīng)電梯監(jiān)控終端連接請(qǐng)求，建立語(yǔ)音視頻通信,，將電梯故障信息存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù),，同時(shí)訪問(wèn)特檢中心服務(wù)器,，上傳故障電梯運(yùn)行參數(shù)申請(qǐng)故障診斷服務(wù)，收到診斷結(jié)果后立即通過(guò)短信發(fā)送給維保人員,。特檢中心服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ),、統(tǒng)計(jì)、管理本地區(qū)所有電梯的故障信息,，由于處理性能較強(qiáng),，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(shí)亦可架設(shè)專(zhuān)用網(wǎng)站,，提供相關(guān)人員查詢(xún)電梯、運(yùn)維工作,、檢驗(yàn)工作的信息,。

　　1.3 監(jiān)控報(bào)警終端硬件組成

　　電梯監(jiān)控報(bào)警終端是系統(tǒng)前端硬件核心部件，由嵌入式ARM計(jì)算機(jī),、數(shù)據(jù)采集模塊,、無(wú)線(xiàn)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(jì)算機(jī)

　　主控計(jì)算機(jī)采用以全志A20芯片為核心的工控單板機(jī),，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(yùn)行內(nèi)存,、4 GB NAND Flash存儲(chǔ)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(wú)線(xiàn)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(gè)傳感器組成，傳感器獨(dú)立于電梯控制系統(tǒng),，主要用于電梯關(guān)鍵部位運(yùn)行參數(shù)采集,。傳感器包括加速度傳感器、稱(chēng)重傳感器,、震動(dòng)信號(hào)傳感器,、平層信號(hào)傳感器和門(mén)機(jī)信號(hào)傳感器等，這些傳感器通過(guò)信號(hào)電纜連接監(jiān)測(cè)報(bào)警終端,，實(shí)時(shí)采集電梯運(yùn)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(yáng)聲器,、駐極體話(huà)筒以及攝像頭組成,。電梯正常運(yùn)行時(shí)，多媒體模塊可播放乘坐電梯相關(guān)知識(shí)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(yùn)維成本；當(dāng)電梯故障時(shí),，多媒體模塊可作為報(bào)警救援視頻電話(huà),，采集傳輸電梯內(nèi)部的音視頻信號(hào)，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(kāi)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(yùn)行1 h,。

　　1.3.5 WiMAX通信模塊

　　本系統(tǒng)借助WiMAX無(wú)線(xiàn)寬帶技術(shù)組網(wǎng)通信，通信模塊選用Intel Centrino Advanced-N+WiMAX 6250無(wú)線(xiàn)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(jì)，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(dòng)程序,。

　　1.3.6 射頻卡讀寫(xiě)模塊

　　電梯運(yùn)行維護(hù)及管理人員配有身份識(shí)別卡，用于記錄電梯的日常維護(hù)日志,，內(nèi)容包括維護(hù)開(kāi)始時(shí)間,、結(jié)束時(shí)間以及維護(hù)、管理人員的身份信息,。此設(shè)備采用RFID射頻識(shí)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(xiě)卡類(lèi)型符合MIFARE標(biāo)準(zhǔn),，讀寫(xiě)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架設(shè)

　　IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了PMP（點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)）以及Mesh（網(wǎng)格網(wǎng)）兩種標(biāo)準(zhǔn)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(lèi)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(hù)基站,、接力站、用戶(hù)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(hào)覆蓋半徑在1 km左右,，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)中的50 km，因此可將組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,，如圖3所示,。

　　只需在小區(qū)的中心建筑高點(diǎn)布置一個(gè)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(hào)盲區(qū)架設(shè)小型WiMAX無(wú)線(xiàn)AP做信號(hào)中繼,，即可實(shí)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(guò)網(wǎng)線(xiàn)將終端上傳數(shù)據(jù)傳輸給小區(qū)監(jiān)控服務(wù)器,，由專(zhuān)門(mén)的處理軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)提取,、分析、整理和存儲(chǔ)等工作,。小區(qū)服務(wù)器通過(guò)運(yùn)營(yíng)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(qǐng)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(jì)算機(jī)軟件兩部分,，程序設(shè)計(jì)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(tái)C++應(yīng)用程序框架QT開(kāi)發(fā),。監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(kāi)發(fā),。

　　2.1 終端應(yīng)用程序

　　終端應(yīng)用程序按照實(shí)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(gè)主要模塊,，如表1所示,。

　　數(shù)據(jù)采集模塊主要針對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集整理,。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c實(shí)時(shí)性,，文本數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)使用TCP協(xié)議傳輸，音,、視頻數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)使用基于UDP之上的RTCP協(xié)議傳輸,。事件判斷處理主要針對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與內(nèi)置正常參數(shù)比對(duì),，根據(jù)數(shù)據(jù)異常類(lèi)型判斷故障類(lèi)型,，觸發(fā)報(bào)警并上傳故障參數(shù),，此外還接受遠(yuǎn)程訪問(wèn)以及命令解析執(zhí)行。多媒體播放模塊則負(fù)責(zé)音,、視頻文件解碼播放,。

　　2.2 監(jiān)控計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序

　　監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(jī)交互界面4個(gè)模塊,，如表2所示。

　　通信模塊包含4個(gè)部分：（1）通過(guò)TCP協(xié)議接收終端上傳的數(shù)據(jù)包,，發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)監(jiān)控計(jì)算機(jī)與終端的遠(yuǎn)程交互,；（2）通過(guò)RTCP協(xié)議接收終端視頻電話(huà)數(shù)據(jù)流，并發(fā)布廣告文件更新,；（3）緊急情況如需專(zhuān)家會(huì)診,，可通過(guò)IP電話(huà)建立多方語(yǔ)音通信；（4）將必要電梯狀態(tài)通過(guò)文字短信發(fā)送至救援或維保人員手機(jī),。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)終端上傳數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包提取,，對(duì)應(yīng)不同終端的多項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，添加時(shí)間信息存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù),。事物處理模塊將終端數(shù)據(jù)與預(yù)存正常參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),，判斷警情，如有異常則觸發(fā)報(bào)警機(jī)制,，電話(huà)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(qǐng)故障診斷服務(wù)，并定期將本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)與特檢中心數(shù)據(jù)庫(kù)同步,。人機(jī)交互界面則模擬顯示電梯狀態(tài),、轎廂畫(huà)面，提供數(shù)據(jù)庫(kù)檢索窗口供相關(guān)人員查詢(xún),。

3 結(jié)論

　　WiMAX作為一種基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)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(wú)線(xiàn)寬帶連接，在非可視距離達(dá)km級(jí)范圍內(nèi)需要組建高帶寬無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)合具備無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),，借助此技術(shù)搭建的無(wú)線(xiàn)電梯故障監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)安裝布設(shè)方便,，靈活性以及可維護(hù)性較高。該系統(tǒng)為現(xiàn)階段進(jìn)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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