雷达监测障碍在电梯安全系统中的应用探讨

姚长鸿，夏钟兴

（杭州市质量技术监督局，浙江　杭州　310000）

雷达监测障碍在电梯安全系统中的应用探讨

姚长鸿，夏钟兴

（杭州市质量技术监督局，浙江杭州310000）

近年来电梯事故频发，电梯的井道挤压事件日益受到社会的关注.本文基于雷达监测障碍物的敏感性，以电梯的安全性为切入点，从雷达监测障碍在电梯安全系统中的应用原理及雷达监测障碍在电梯安全系统中的应用的优点，及系统设计、信号采集模块设计，特点之处是以雷达检测为技术，将障碍物的检测嵌入安全管理，给电梯的安全管理注入的新的观点.

电梯；安全设计；雷达监测

基于雷达监测原理，雷达监控检测技术主要由单片机CPU、雷达波震荡发射传感器、显示屏和其他外围电路及部分模拟电路组成.单片机CPU通过连接到总线的器件（CMOS、NMOS、PMOS、双极性），逻辑0（低）和逻辑1（高）的电平不是固定的，它由电源VCC的相关决定，每传输一个数据位就产生一个脉冲.总线读取MLX90615采集的雷达信号，将其转换为对应的被测物体距离值并显示在液晶屏上.实验结果表示，雷达监测距离0.5～1.5m间，准确度达到了5厘米，实现了轿厢在井道内行驶过程中的快速、准确检测障碍物的测量.本文介绍了一种基于I2C总线支持任何IC生产过程（NMOS CMOS、双极性）.两线―串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）线在连接到总线的器件间传递信息的安全设计.

1　雷达监测井道障碍在电梯安全系统中的应用的基本原理

井道障碍物雷达监安全系统可以通过雷达的距离检测井道是否存在异常障碍物，并将测量到的信息送入系统安全回路控制单元，安全回路根据所接收到的信息进行轿厢是否正常行驶的安全判定，并向cpu发出动作指令.cpu根据接收的执行信息启动安全控制指令.

电梯轿厢主动安全系统如图1所示.在轿厢的上下方装有测距传感器，用来对轿厢行驶区域障碍物的异常检测，判断轿厢与前方障碍物或障碍物之间距离，根据电梯额定轮速度，可测算出轿厢的安全报警距离，并在必要时触发报警装置、安全回路、曳引制动系统工作，发出制动执行，同时该安全系统检测出危险距离进行曳引减速控制.

2　雷达监测障碍在电梯安全系统中的应用的优点

传统电梯行驶区域的障碍物监测存在盲区，只在轨道上下方有缓冲行程开关和极限开关，动态障碍物的主动监测和非接触式安全距离测量还存在盲区，主动雷达监测井道障碍具有性能稳定，反应快速、智能误小等优点.雷达监测障碍是通过红雷达震荡器采集被测区域的距离并转化为数字信号，单片机CPU单元将数字信号转换为控制信号并与电梯安全回路和显示回路相通.给传统电梯加装上新的安全主动控制系统，不失为井道事故频发、民生关注热点时期对传统电梯的技术革新，雷达障碍物主动监测控制具有高精度、速度快、操作简便等优点，更符合现代社会对安全的心理需求.

3　系统设计

本系统使用雷达测距，雷达通过天线发射一个电磁波，电磁波在物体上反射雷达波束，并重新被雷达接收.在进行可靠性数据采集时，要对被试系统各用电器安全回路、安全器件进行全面的监控和准确的数据判断，前提是：一是能够从系统中获得足够多的可及测试节点但不能破坏被试系统完好性；二是信号模数转换、出入接口必须连接可靠，能够防止误判和导致被试系统发生故障.按数据类型确定待测信号和采样节点，并以电梯监督检验的实际距离要求，作为信号判断依据，设计采样连接器模数转换分析软件接入电路可获取监控所需的信号.原状态下电梯用电器单元直接与电梯电线束连接形成工作回路，在不影响原电路工作的情况下获得电路状态参数.构建多通道数据采集系统，对各节点处的电参数进行实时的测量和数据处理，便可实现准确的障碍物的识别和定位.

雷达波测量距离是根据雷达发射信号和雷达接收信号间的时间来计算的，在直接反射时，波程传播时间t，测量距离s则为vt除以2，即vt/2，.其中波速为光速c=300000km/s时，所以s为可测算值.

图1　雷达监测障碍在电梯安全系统安装示意图

雷达监测障碍在电梯安全系统中的作用依据雷达震荡波的原理进行距离测量.主要由单片机CPU、雷达波接受传感器、显示屏和其他外围电路及部分模拟电路组成.其设计图如图2所示.当系统处于工作时，雷达接受装置将采集到的雷达波转换成数字信号.单片机CPU将采集的数字信号经过运算后，显示出距离值，并给控制室发出警示蜂鸣器鸣叫，同时达到预设极值时将信号反馈给安全回路，发出停机指令.

图2　雷达监测障碍在电梯安全系统原理图

4　信号采集部分

传感器将采集到的雷达信号转化为电信号，并经过低噪声放大器放大后送给模数转换器.模数转换器输出的数字信号经滤波器低通滤波器调理后送入数字信号处理器，数字信号处理器对数字信号运算处理后输出测量结果并保存在通过SMBus或PWM方式供单片机CPU单元读取.此系统是主动安全系统的核心，当中央处理单元通过分析计算确定前方存在障碍物隐患时，便会启动警报，采取减速操作；当障碍物在危险距离内，轿厢没有有效制停，则主机关闭电源.

5　微处理单片机CPU

传感器部分采用单片机8051F020系列.该控制器具有高速可靠、低功耗、宽温度范围等优点，广泛应用于电机控制、手持设备等场合.多通用I/O引脚、A/D转换器等通信接口，能够满足雷达监测障碍在电梯安全系统中的应用要求.它对信息采集单元收集到的各种信息进行分析计算，并对轿厢危险或安全状态进行实时辨识，当距离达到极限值时输出报警信号并通过安全回路控制自动使轿厢驻停.主要由距离传感器、放大电路、模数转换器和具有强大功能的DSP单元等组成，其结构原理如图所示.

6　显示和其他外围设计

该设计显示部分采用基于LCD1602的液晶芯片通用设计，在DB0～DB7与cpu单片机连接，用于显示用户用电信息；P25、P26、P27、分别控制LCD1602的寄存器选择输入端RS、读写控制输入端R/W、使能信号输入端E；通过调节R58电阻值的大小来控制液晶显示的对比度.

6.1LCD液晶显示器是一种极低功耗的显示器件液晶显示屏具有功耗低、体积小、对比度可调、内置字符发生器、易匹配处理器等优点.第1脚：VSS为接地电源；第2脚：VDD接5V正电源；第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度；第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器；第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作，当RS和R/W同时为低电平时可以写入指令或显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据；第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令；第7-14脚：D0—D7为8位双向数据线；第15脚：背光源正极；第16脚：背光源负极.其他外围辅助电路主要包括控制按键、报警电路、低功耗蜂鸣电路等部分.控制按钮主要产生开/合的信号.

6.2软件设计

软件设计采用模块化程序设计，主要包括：初始化模块、按键检测模块、距离检测模块和液晶显示模块等.初始化模块主要完成复位、通用I/O、中断、定时器、I2C等初始化设置.按键检测模块主要是检测按键是否按下，从而触发外部中断并执行距离检测功能.检测模块主要是按照I2C总线方式对数字传感器进行读取操作，按预定的公式将数字信号转换成轿厢距离的值，显示在液晶屏上，方便观察数据.当距离达到极限值时时，报警功能发出警示.

7　距离检测模块

该系统可以根据轿厢的实际速度设定几个判断距离.比如A为安全报警距离，B为强制减速距离C为强制制动距离，其中A≥B≥C.程序控制流程图如图所示.系统工作时，不停地计算轿厢与前障碍物的实际距离，当实际距离小于安全报警距离A，时，蜂鸣器开始呜叫，提醒cpu注意控制轿厢速度；当实际距离小于B.时，系统开始实施强制减速，此时，轿厢速度有下降表现，如果随着与障碍物的实际距离小于C时，该系统进行强制制动措施.

微控制器单片机内部集成了I2C串行接口，该设计采用兼容方式对MLX90615采集的雷达信号读写操作.主要包括读取从地址、建立通讯协议、设置发射率、读取被测物体数据、距离模数转换等步骤，其程序流程在检测模块中对数字传感器MLX90615进行读写操作，首先从器件MLX90615读取子地址（SMBus从动器地址默认地址为5Bh）. MLX90615中发射率出厂设置为1.MLX90615的RAM单元07h地址存放的是被测物体的距离值，因此，按照I2C总线时序读取多字节数据. MLX90615中读出的距离值转换为实际距离.

电梯的安全距离由于现场和型号的差别，标准也有差异，同时随着物联网的发展，建立实时有效的数据库十分必要.系统依托Microsoft SQL Server 2000，该管理系统能提供超大型系统所需的数据库服务，具有不同问题发生的不同安全措施，Internet站点可将其数据分开存放在多台服务器上，可以在一台计算机上运行多个SQL Server 2000，该应用程序通过Windows进程间通讯（IPC）组件（例如共享内存）而非通过网络连接到SQL Server 2000.尽管每个服务器需分开管理，但组内的各个服务器可共同分担数据库处理负荷.通过SQL Toolkit建立ODBC数据源，对数据库进行连接和数据信息存取的操作，从而确保了系统的灵活性和通用性.

8　“互联+”实际效果

挂接ZigBee无线传感节点和GSM/GPRS模块；建立web服务器和SQLite数据库，接收、解析和存储ZigBee节点采集的生理数据，控制GSM/GPRS进行紧急呼救和短信发送；让硬件智能化，提供自动距离功能，为管理部门和技术服务人员提供便利.

经功能测试表明：

1.在通过无线传感网络覆盖，测试电梯可以携带监测设备；系统自动进行距离监测，数据传输和存储.

2.系统能够智能的分析数据并将结果以短信形式发送到监管与技术人员手机上，同时能够智能紧急呼叫.

3.管理者或技术人员可以使用电脑等其它管理模块设备，通过浏览器访问，查看存储的故障数据信息，或者96333（杭州地区电梯故障监控服务平台）电话查询现场情况.

通过性能测试表明：

设备智能工作.管理者可以实时收到故障数据短信提示，但受传感器信号覆盖范围的影响（测试表明，两个传感节点间可传递数据包的间隔距离上限为1.8米）.同时CPU设备存储空间有限，存储在SQLite数据中的数据会每隔一段时间以数据包的形式通过GSM发送给管理者.

总体来说该系统与传统的故障监测设备相比，具有易携带、低功耗、低成本等优点，在未来的电梯远程监管和提高安全性能、提高应急救援方面，有很大的市场前景.但系统依赖于强大的“互联网+”的发展，工作主要性能是依托公共环境下无线传感网络环境的搭建研究，及物联网终端模块的设备，才能实现更大范围、更实用的远程管理.

9　结束语

由于突发性的人员进入轿厢井道行驶区域，容易造成人员挤压伤，传统的安全控制方式已经不能完全解决电梯运行中的危险因素.此款设计的雷达监测障碍在电梯安全系统中的应用采用低功耗的ARM处理器和高精度的雷达震荡波传感器，简化了硬件和软件设计任务.提高了电梯运行中的安全系数，在未来“互联网+”下，电梯安全方面具有广泛的应用前景.

〔1〕丁鹭飞.雷达原理［M］.电子工业出版社，2014.

〔2〕李道京.高分辨率雷达运动目标成像探测技术［M］.国防工业出版社，2014.

〔3〕Clive Alabaster（C·阿拉巴斯特（英）.脉冲多普勒雷达——原理、技术与应用［M］.电子工业出版社，2016.

〔4〕陈富龙，林珲，程世来.星载雷达干涉测量及时间序列分析的原理、方法与应用［M］.科学出版社，2013.

〔5〕张新德.图说液晶显示器原理与快修［M］.机械工业出版社，2011.

〔6〕麦克依文，（英）卡西麦利.物联网设计从原型到产品［M］.人民邮电出版社，2015.

〔7〕徐宏喆，等.实用软件设计模式教程［M］.清华大学出版社，2009.

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2016-04-11