新型井道式电梯远程实时监测和报警系统

张吉祥 甘 晶 陈惠明

(南京林业大学机械电子工程学院1，江苏 南京 210037;江苏省特种设备安全监督检验研究院2，江苏 南京 210003)

0 引言

目前，我国电梯年产量、保有量、年增长量均为世界第一，然而电梯老龄化现象致使故障频发［1－2］。电梯故障的发现主要依靠被困人员、保安等现场人员，但常常由于发现或通知不及时，导致救援时间过长。

国外电梯监控系统由于采用不同的通信方式和不同的硬件接口，相互之间不能通用，而且系统的价格比较昂贵，一般用户难以承受［3－5］。国内的电梯监控系统多为有线方式传输，井道内布线困难;系统没有提供电梯维保安检电子标签功能，对于电梯的检验、维保等状况，政府质监部门不能够实时掌握和有效监督;语音安抚功能不够完善，使被困人员承受着巨大的身心压力。对此，本文提出了一种基于物联网技术的新型井道式电梯远程实时监测和报警系统的方案。

1 系统的组成

系统平台主要由三部分构成:监控中心、网络传输和数据采集终端。由于井道式电梯系统结构的特殊性［6－7］，数据采集终端设计为轿厢终端和机房终端两部分，如图1所示。轿厢终端通过一系列传感器采集电梯运行状态数据，轿厢终端和电梯机房终端之间的数据通过ZigBee模块传输。机房终端通过RFID射频模块采集维保信息，最后把处理后的数据经由GPRS网络模块传输至服务器。用户通过计算机或者各种智能手机联网就可以远程监测电梯实时运行状态。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of the system

本文设计的系统是一个能实现电梯故障报警、困人救援、政府监督管理、隐患防范等功能的综合性电梯管理平台，其主要包括以下三方面功能。

①电梯远程实时监视报警功能

采用物联网技术，实时监测电梯关人、冲顶、沉底等异常情况，并通过GPRS在第一时间传送到物业用户、维保单位和政府质监部门。

记录下电梯的故障，并实时反映到监控中心的监控器，通过短信的方式发送给电梯维护人员，确保在电梯发生故障时工作人员第一时间赶到现场处理，减少人员被困的时间。

通过对电梯运行记录数据的分析和统计，可以准确掌握电梯运行中出现故障的类型和发生概率，帮助分析潜在的不安全因素，为电梯的日常维护和保养提供直接数据支持，提高维保的针对性，降低维保成本。除此之外，还可以帮助查找事故原因，并作为政府部门行政监督管理的重要依据。

②语音安抚功能

电梯轿厢内的语音安抚系统可以安抚被困人员，减轻被困人员的心理压力;可以给被困人员提供安全保护知识;另外可以让被困人员知道外界已经获得被困信号且正在处理途中。

③电梯维保刷卡签到功能

对于电梯的检验、维保等状况，政府部门能够实时掌握，可以及时敦促有关方面落实责任，达到技术监管的目的，有效杜绝无资质维保人员无证上岗等现象，排除不按规定周期维保、检验等不安全因素。

2 终端数据采集设备的设计

2.1 轿厢终端的设计

轿厢终端数据采集器如图2所示，其采集安装在电梯轿厢顶部的各种传感器信号。

图2 电梯轿厢终端数据采集器Fig.2 The terminal data collector of elevator car

安装在轿厢顶部的传感器包括上平层感应器、下平层感应器、门开关感应器、基站感应器、上极限感应器、下极限感应器、红外人体感应器等。通过这些信号的整合，可以得出电梯的一些运行状态，如电梯冲顶、电梯蹲底、电梯困人、开门运行、门区外停梯、运行时间超长等。ZigBee模块将这些数据传送到机房终端。语音安抚模块能及时对电梯内的乘客进行安抚，稳定乘客情绪及给乘客提供安全保护知识，有效配合救援。

系统采用ZigBee等物联网技术实现数据传输。ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线组网通信技术［8－9］。ZigBee的技术特性使其广泛应用于物联网、自动控制和监视等诸多领域。

ZigBee工作在2.4 GHz，适用于数据量较大的无线通信，ZigBee模块间可以组成网络。ZigBee网络包含三种设备类型。

①协调器，它是启动和配置网络的一种设备，一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器。

②路由器，它是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其他设备，可以扩展网络覆盖面，一个ZigBee网络可以有多个ZigBee路由器。

③终端设备，可以发送或接收信息但不能执行任何路由操作，终端设备必须被联接到协调器或一个路由器，并且不支持子设备。

当轿厢终端和机房终端之间由于距离原因或由于阻挡物原因等不能直接通信时，可以在它们之间增加ZigBee的Router模块，形成网络，恢复通信。一幢大楼往往有多台电梯，通过ZigBee组成网络，可将所有数据汇集到机房终端上(机房终端的ZigBee模块设置为协调器)。这样只需一个GPRS模块上传数据。

2.2 机房终端的设计

电梯机房终端数据采集器如图3所示。机房终端通过ZigBee模块接收来自各个电梯轿厢终端发来的传感器数据信息;同时机房终端数据采集器对机房内的牵引电机进行测速，判断电梯是否超速;当有电梯维保人员维保时进行RFID维保信息的采集，然后进行信息的整合处理，最后通过GPRS模块将电梯实时信息发送到Internet网络。

图3 电梯机房终端数据采集器Fig.3 The terminal data collector of elevator machine room

GPRS具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势，特别适合于频发小数据量的实时传输［10－11］，因而GPRS业务在远程数据监测系统、远程控制系统、自动售货系统、门禁保安系统、物质管理系统等方面有特殊的应用。

本设计中GPRS模块采用SIM300。它是一款三频段GSM/GPRS模块，内部集成了TCP/IP协议栈，并且扩展了TCP/IP AT指令。SIM300使用串口通信的方式和外部连接，串口1可用作GPRS服务和发送控制模块的AT指令。用户利用该模块能非常简单、方便地进行数据传输。GPRS下行数据传输速度最大为85.6 kbit/s，上行数据传输速度最大为 42.8 kbit/s。

3 软件设计

系统软件设计流程如下。

首先建立一个Socket，具有固定IP地址的服务器发送一个连接请求:AT+CIPSTART=“TCP”，“IP address”，“port”。其中，“IP address”为服务器端的 IP地址;“port”为端口号，范围为0～65535。连接成功后，将电梯运行状态数据或故障信息打包成固定数据帧格式，通过GPRS模块发送到远程监控中心服务器，发送指令为AT+CIPSEND=发送数据长度，返回“〉”号后可以填写数据发送。发送完成后，发送指令AT+CIPCLOSE结束TCP连接。

服务器将收到的数据存储在数据库中。监控中心主机登陆Internet服务器，并连接到数据库服务器读取或查询需要的数据。客户端软件对数据进行处理，并模拟现场电梯直观的运行状态图，为电梯客户提供服务。监控中心的查询命令和控制命令通过互联网和GPRS网发送到GPRS模块中，再由GPRS模块传送到终端设备并对它们进行操作，实现对电梯的远程监控。

4 结束语

系统首次在电梯远程报警系统中运用了ZigBee无线组网传输技术，不仅解决了井道内布线困难的问题，而且降低了成本;而采用GPRS无线传输数据也解决了在机房内增加网线困难的问题。系统完善的语音安抚功能能减轻被困人员的心理压力。结果显示系统通用性强、安装方便且更加人性化，为电梯安全监管提供了新的技术支撑。

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