基于物联网的电梯运行安全监测软件设计与实现*

吴熠铭林创鲁李昌黄可嘉胡胜文

（1.广东省自动化研究所 2.广州市特种机电设备检测研究院）

基于物联网的电梯运行安全监测软件设计与实现*

吴熠铭1林创鲁2李昌1黄可嘉1胡胜文2

（1.广东省自动化研究所 2.广州市特种机电设备检测研究院）

电梯的实时监测是提升电梯安全监管水平的重要手段。本文介绍了基于物联网技术构建的电梯运行安全监测系统，设计了该系统客户端、监测服务器和短信服务器3个主要软件模块。该系统能实时监测电梯的运行状态，并及时将故障告警信息发送到指定的手机终端。试验表明：系统软件运行稳定可靠，报警及时有效。

物联网；电梯安全；实时监控；故障报警；短信

0 引言

近年来，随着我国经济快速发展和城镇化进程加快，电梯保有量迅猛增长，截至2012年底，我国电梯保有量已近240万台，预计在未来10年年均增速超过20%。电梯的安全运行事关公共安全，一直是电梯行业关注的重点。目前，电梯的安全保障主要靠维保单位的定期维修保养和电梯检验机构的定期检验。在电梯数量庞大、维护管理人手紧缺的状况下，如何及时发现电梯故障并采取有效的措施加以处理，成为电梯使用单位、监管部门和维护保养单位必须共同应对的课题[1]。

基于物联网的电梯运行安全监测系统，采用嵌入式、智能传感、物联网等技术对电梯关键信号进行采集、处理和监测，实现电梯运行状态的实时监测和故障报警[2-3]。

1 基于物联网的电梯运行安全监测系统

电梯运行安全监测系统是通过安装在电梯外围的传感器采集电梯运行状态信息，经处理、判断和识别获得电梯的故障信息，通过物联网技术将数据传输至远程监测平台，实现电梯运行状态的实时监测，并在电梯发生紧急情况时向预先设定的手机终端发送报警信息。电梯运行安全监测系统结构如图1所示，主要由电梯运行状态监测仪、数据传输网络、监测平台和客户端应用程序4部分组成。

电梯运行状态监测仪（简称监测仪）采集电梯运行信号，通过特征提取、判断和识别获得电梯的运行状态，通过GPRS/EDGE/3G等无线通信网络接入Internet，并与远程监测平台建立链接，接收处理监测平台的控制命令，并将电梯运行状态数据及故障信息发往监测平台。

监测平台主要包括电梯监测服务器和短信服务器，前者主要处理电梯运行状态监测仪的连接请求、命令控制、监测数据解析和存储等；短信服务器通过GSM Modem将运行状态和告警信息发送到设定的手机终端并记录；客户端为用户操作界面，主要实现电梯运行状态实时查看、电梯信息管理、历史数据查询和分析统计。

图1 系统结构图

作为用户即时了解电梯运行安全状态的信息平台，电梯运行安全监测软件起着至关重要的作用。特别是当电梯发生故障时，自动发送报警短信到指定人员手机上，以便相关人员及时采取有效措施。当发生困人时可提高电梯安全应急救援速度，避免或降低事故损失。

2 电梯运行安全监测系统软件设计

为了使系统具有较强的事务处理能力，监测软件采用C/S模式，使用C#语言，开发环境为Visual Studio .NET 2010，数据库选用具有更强数据处理能力的Microsoft SQL Server 2008，客户端软件与服务端数据通讯采用Windows通讯接口（windows communication foundation，WCF）。

监测软件实现对电梯运行状态的实时监控采集存储、故障短信报警和用户操作的人机界面。该软件分为客户端、监测服务器和短信服务器3大模块，系统功能模块图如图2所示。

图2 监测系统功能模块图

3 关键模块实现

3.1 电梯监测服务器

电梯监测服务器负责与多个远程监测仪通讯并采集实时监测数据，其程序流程图如图3所示。监测服务器启动后进入监听状态，当收到电梯状态监测仪的连接请求时，接受请求并创建Socket连接，然后等待监测仪主动上传注册包（注册包具有唯一性，包含监测仪的相关信息，用于区分不同的监测仪），如该注册包与数据库中已登记的监测仪信息一致，则将该监测仪加入会话列表，定时采集运行状态数据。

在服务器Socket开发中，使用.NET Framework 2.0下的IAsyncResult，Socket在每一次操作过程中都创建一个IAsyncResult上下文对象。但当联网的监测仪数量较多，特别是数据通信频繁时，大量的IAsyncResult对象被创建，将大大增加垃圾回收器的工作量，影响服务器的性能。为了解决这一问题，笔者在服务器Socket开发中，使用.NET Framework 3.5下的SocketAsyncEventArgs[4]，它不仅可重复使用，还封装了I/O完成端口，实现了非阻塞IO，大大提升了服务器性能和吞吐量。

图3 电梯监测服务器流程图

3.2 短信服务器

当监测仪识别到电梯发生故障时，必须及时通知使用单位电梯管理人员和维保人员，以便及时处理故障或展开救援。短信服务器将电梯报警短信发送到指定人员手机上，同时接收短信回复。服务器使用GSM Modem作为收发短信设备，通过串口发送AT指令控制GSM Modem实现短信的收发，其流程如图4所示。

AT指令收发短信主要有2种模式[5]：Text模式和协议数据单元（protocol data unit，PDU）模式。前者无须繁琐的编码解码，使用简单，但存在不能收发中文内容的不足；为了能向指定的手机终端发送电梯运行状态或告警信息，需要收发有中文内容的短信，因此，采用PDU模式，选用UCS2编码（UCS2是Unicode的一种，每个字符占用两个字节）来发送中文短信。实现短信收发的AT指令如表1所示。

图4 短信服务器流程图

表1 SMS AT指令

一个完整的PDU格式短信发送主要过程如下：

1) AT+CSCA? <回车> //获取短信中心号码；

2) PDU编码：对短信中心号码、接收号码、短信内容分别处理，然后再组合；

3) AT+CMGF=0<回车> //设置短信为PDU模式；

4) AT+CMGS= //发送。

3.3 监测实时显示

监测实时显示是供用户查看电梯实时运行状态的可视化界面，用户通过区域树选择需要查看的电梯，界面将显示选中电梯的详细信息，并显示该梯的瞬时电压值、瞬时电流值、电梯运行状态（正常、检修、故障、停电）、电压电流波形、电梯状态动画。

监测显示的客户端应用程序通常分布在全国各地，而数据源则集中在监测平台的服务器上。考虑数据访问的安全性和互操作性，采用面向服务体系结构（service-oriented architecture，SOA）解决客户端与服务端之间的数据交互。它可较好隔离服务的提供者与调用者之间的依赖，实现系统的松散耦合。构建SOA的应用程序所需的消息平台可使用WCF，其体系结构如图5所示[6]。WCF整合了.Net平台下所有与分布式系统有关的技术，如ASP.NET Web服务、增强Web服务扩展、.NET Remoting、企业服务和微软消息队列等，它支持的通信协议包括HTTP、TCP、命名管道和微软消息队列等。

监测应用程序划分为契约定义接口、服务实现类、宿主程序和客户端程序4部分，见图6。数据服务以互联网信息服务（internet information server，IIS）为宿主，公开服务地址为http://IP/elevator/ main.svc。客户端通过添加该服务引用生成WCF客户端代理，应用程序实例化WCF客户端代理后可通过该代理与服务进行数据通讯，实现电梯运行状态数据的实时显示。

图5 WCF体系结构

图6 WCF应用程序结构

4 监测软件运行结果

试验电梯型号：GreenMax，品牌：广日电梯；额定载荷：1000 kg；载荷：空载。选取电梯正常上下行过程和电梯下行过程中急停操作进行实验。服务器数据采集运行结果如图7所示；1 Hz采样频率下的实时波形如图8所示；50 Hz采样频率下的实时波形如图9所示。

图7 服务器数据采集运行结果

图8 1 Hz采样频率下的实时波形图

图9 50 Hz采样频率下的实时波形图

电梯运行中模拟故障急停，相应实时波形如图10所示。

图10 电梯运行中模拟故障急停的实时波形图

故障急停发生后约2秒，系统预先指定的接收手机成功收到报警短信，如图11所示。

图11 手机收到的报警短信

5 结语

基于物联网的电梯运行安全监测系统具有实时监测电梯运行状态并在电梯发生故障、检修或停电时向指定的手机终端发送状态信息的功能。本文提出了基于物联网的电梯运行安全监测软件的设计方案，实现电梯运行状态的实时监测和故障报警。试验表明，该监测软件运行稳定可靠，实现了电梯运行状态监测仪的实时监控、远程数据采集存储、实时显示、故障短信报警、数据分析统计等功能。监测软件对提高电梯安全监管水平起到积极作用，具有较高的推广价值。

[1] 李中兴,林创鲁,邱东勇,等.基于STM32的电梯实时监测系统[J].自动化与信息工程,2012,33(01):43-45.

[2] 李屹,张慧慧,郑刚.电梯智能监测系统的设计与实现[J].制造业自动化,2009,31(08):55-56,97.

[3] 张军国,赖小龙,杨睿茜,等.物联网技术在精准农业环境监测系统中的应用研究[J].湖南农业科学,2011(15):169-172,173.

[4] Microsoft[EB/OL].http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ system.net.sockets.socketasynceventargs.aspx.

[5] 李寿林,张鹰,黄显澍.基于GSM短消息的远程数据采集传输系统[J].长春理工大学学报,2005,28(04):51-53.

[6] Microsoft[EB/OL].http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms 733128.aspx.

Design and Implementation of Elevator Safety Monitoring Software on the Internet of Things

Wu Yiming1Lin Chuanglu2Li Chang1Huang Kejia1Hu Shengwen2

(1.Guangdong Institute of Automation 2.Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

Real-time monitoring of the elevator is an important means to enhance the level of safety supervision of elevator. This paper introduces the safety monitoring system of elevator based on internet of things, development of system monitoring software, including client, monitoring server and the SMS server. The real-time status information of the elevator can be monitored and fault alarm information is sent to the specified mobile terminal timely. Experiments show that the system software is stable and reliable, effective.

M2M; Elevator Safety; Real-Time Monitoring; Fault Diagnosis; SMS

吴熠铭，男，1983年生，大专，研究方向：软件工程。

林创鲁，男，1983年生，硕士，助理研究员，研究方向：特种设备检测与监测。