基于Crotex-M3和GPRS的远程监测系统的研究

金伟，孟浩，陶伟，王军，孙珂，谷龙龙

（安徽农业大学信息与计算机学院，安徽合肥230036）

随着经济的发展，电梯已经成为城市快速发展的一个重要标志。统计数据显示，截至去年底，我国在用电梯总数已经达到300.93万台[1]，并以每年20%左右的速度在增长，我国电梯的保有量、年产量、年增长量都位列于世界第1位。在电梯大量使用的情况下，如何确保电梯的安全高效运行是今后电梯技术发展的重要趋势之一。

为了确保电梯的安全运行，相关的电梯生产企业及科研院所也都开始电梯运行状况监测的研究，文献[2]利用有线网络设计了电梯运行状态监测系统。文献[3]分析了某一具体系统并介绍了电梯远程监控系统的组成及工作原理。文献[4]通过双串口单片机，通过公用电话网进行远程数据的传输。

本文中依据国家质量监督检验检疫总局最新颁发的《电梯远程报警系统》[5]和南京特种设备安全监督检验研究院最新发布的《南京市电梯安全运行监控系统技术规范——传感器与通讯技术》[6]的要求，研制出一款运行高效、成本低、通用性较强的电梯运行状况监测系统。系统能实时监测电梯运行状态，同时把电梯发生故障时判断是否困人作为最终目标。

1 系统总体设计

系统根据监测电梯是否运行正常，以及发生故障时是否困人为目标，研制具有实际应用价值的电梯运行状况监测系统，用于城市电梯安全保障。平台主要由3个部分构成：数据采集终端、GPRS传输和数据中心。系统实时监测电梯异常关人、冲顶、蹲底等异常情况，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。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构

2 系统功能设计

2.1 运行参数采集

市场上运营的电梯，没有公开接口的通信协议，必须在不影响电梯安全的情况下，独立安装传感器来获取电梯的运行状态。系统数据采集终端的微控制器选用意法半导体的基于Cortex-M3 内核的STM32F103RBT6芯片。

系统监测电梯运行状态传感器包括：上、下平层光电传感器，基站光电传感器，轿门光电传感器，上、下极限光电传感器，红外人体传感器。其中，光电感应器用于获取位置到达信号，红外人体传感器用于检测是否有人在轿箱内。所有传感器经过光电隔离后进入MCU。根据2 对平层光电感应器被遮挡的先后顺序和遮挡时间以及平层插板的长度，可以推算出电梯运行的速度和方向。当2 对平层光电开关同时被平层插板遮挡时，电梯处于平层位置，根据电梯运行方向可以计算出当前所在层站。系统光电传感器原理图如图2所示。

图2 光电传感器原理图

2.2 GPRS与电源设计

随着Internet网络的发展，GPRS网络数据通信以其低廉的价格和永远在线的性能得到了广泛的应用。系统选用SIMCom 公司的SIM900A模块，内嵌TCP/IP协议，通信可靠性强，数据传输延时小、速率高，满足突发性的数据传输要求[7-8]。

SIM900A模块射频发射时，对电源要求较高，电源需要提供2 A以上电流[9]，否则会出现电压跌落，导致模块工作异常。本系统电源模块采用的是MPS 公司的高效同步降压芯片MP2303，可以提供非常高的电源转换效率，并且支持DC5 V～24 V的宽电压输入范围。系统采用12 V/1 A的电源，通过DCDC 变换后，可提供稳定的2 A以上电流。电源转换电路原理图如图3所示。

图3 电源转换电路

2.3 温湿度传感器

电梯在运行时，需要实时了解电梯内的环境参数。当发生电梯困人时，可根据环境参数做好相应处理。系统选用DHT22 数字温湿度传感器，DHT22包含一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，可以同时输出环境中温度和湿度信息,数据输出格式为40 bit，其中高位在前，低位在后，输出格式为：40 bit 数据=16 bit 湿度数据+16 bit 温度数据+8bit校验和[10-11]。

3 系统运行状态判定

系统根据安装在电梯上的各类传感器获取电梯运行的各项参数，然后根据各项参数推断出电梯的运行状态或发生故障时具体的故障类型。系统获取的电梯参数信息包括当前楼层、运行方向、门状态、轿厢是否有人、上下极限等，根据这些信息判断电梯故障状态下的故障类型如轿厢在非平层区域停止、运行超时、轿厢冲顶、轿厢蹲底、轿厢开门走梯、轿厢困人、反复开关门。各类故障的判断过程如下：

1）轿厢在非平层区域停止：上、下平层光电传感器均没有检测到信号，楼层没有变化且距离上次电梯平层的时间超过限定值；

2）运行超时：上、下平层光电传感器均没有检测到信号，楼层有变化且距离上次电梯平层的时间超过限定值；

3）轿厢冲顶：上极限光电传感器检测到信号且楼层号在最高层；

4）轿厢蹲底：下极限光电传感器检测到信号且楼层号在最底层；

5）轿厢开门走梯：门状态打开，同时楼层在变化；

6）轿厢困人：电梯出现各种故障的任何一种，且轿厢内有人；

7）反复开关门：在限定的时间内，电梯门打开的次数超过限定值。

故障判断的各项限定值参数可以通过上位机软件进行设置，再通过串口将参数写到微控制器的EEPROM中进行固化。

为使各电梯监控子系统能更准确的进行相互通信，根据各子系统的特点，在GPRS 通信的过程中引入了相关的通信协议，系统通过GPRS进行数据传输，通信协议格式如表1所示。包头与包尾用于识别数据帧，数据长度包括包头和包尾在内的所有数据的长度，终端ID为电梯的编号，CRC 验证数据在传输的过程中是否出现数据异常[12]。

表1 数据通信协议格式

4 系统软件设计及测试

4.1 软件设计

软件设计是实现系统功能的重要组成部分。系统开始工作时进行相关的初始化，从微控制器内部EEPROM 读取相关的限定参数，通过GPRS与数据中心进行确认传输。确认完成后，系统进行循环检测，获取各传感器的数据。根据上、下平层光电传感器判断是否有楼层变化，根据轿门光电传感器判断门状态以及电梯是否到达基站或者上、下极限位置，根据人体红外传感器判断电梯内是否有人。通过传感器采集到的信息进行分析，获取电梯运行的方向、楼层等信息。若有故障发生，立即通过GSM模块发送短信给维保人员，同时通过GPRS 将报警信息传送至数据中心。数据采集软件设计流程图见图4。

图4 数据采集软件设计流程图

4.2 测试

目前，研制的基于Crotex-M3和GPRS 通信的远程监测系统已经在安徽农业大学图书馆等多部货梯进行试点应用，运行效果良好。部分实验数据如表2所示。系统通过液晶屏现场进行楼层校准、故障检测显示等。通过人为制造电梯故障，观察液晶显示故障编号来判断系统是否运行正常。

表2 部分实验数据

5 结束语

系统记录下电梯的故障，并实时反映到监控中心，同时通过短信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。系统通用性强，对电梯无干扰，安全可靠。

[1]2013年全国特种设备安全状况情况的通报[R].北京：国家质量监督检验检疫总局，2014.

[2]刘松国，韩树新，李伟忠，吴斌.电梯运行状态监测与故障远程报警系统研究[J].自动化与仪表，2011（10）：42-46.

[3]叶安丽，李惠升.电梯远程监控系统[J].北京建筑工程学院学报，2000，16（4）：42-47.

[4]万健如，陈超，孙洋建.采用双串口单片机的电梯远程监控系统[J].计算机测量与控制，2006，14（7）：900-901.

[5]GB/T 24475－2009,电梯远程报警系统[S].北京：中国标准出版社，2009.

[6]南京市电梯安全运行监控系统技术规范——传感与通讯技术[R].南京：南京市质量技术监督局，2012.

[7]黄作维，周明.基于GPRS技术的生态环境监测系统设计[J].计算机测量与控制，2010（5）∶987-989.

[8]A.R.Al-AIi,FadiAloul.A Mobile GPRS-Sensors Array for Air Pollution Monitoring[C].IEEE SENSORS JOURNAL,2010∶1666-1671.

[9]SIMCom.SIM900A 硬件设计手册[EB/OL].http∶//wm.sim.com.

[10]蒋鼎国，徐保国，王明胜.基于GPRS的远程温室监控系统设计[J].广东农业科学，2011（13）：160-162.

[11]唐中一，王明胜，舒领.基于NRF24L01远程数据采集系统的设计[J].自动化与仪器仪表，2011（4）：44-45+55.

[12]Ahmet R,Hasan A.Channel estimation by using short training sequences in CDMA systems[J].Wireless Personal Communications,2008，3（4）：359-371.