基于物联网技术的电梯监控系统设计

李娟娟， 王希娟

(陕西国际商贸学院 信息与工程学院，西安 712046)

0 引言

电梯数量的急剧增加，给人们的生活和工作带来了极大便利。于此同时电梯故障也时有发生，人们面对电梯“吃人”和“被困”等情况，增加了乘坐电梯的恐惧感，对电梯的安全存在担忧。如何解决用少量人员在最短的时间内发现电梯故障，并及时进行电梯故障的分析、维护和管理成了研究的热点。伴随信息技术、电子技术、移动网络技术和计算机等技术的讯速发展，电梯智能监控过程中使用物联网技术势在必行。

目前，国内外对电梯智能监控系统的研究主要分为两类，一类是以电梯生产企业为主，通过电梯控制系统直接采集各种智能监控数据的物联网系统，国外典型的代表有美国奥的斯将全球的30万部电梯进行互联，电梯内安装大量的感测器与小型服务器，通过监控中心实时监测电梯的运行状态，发现电梯数据的异常及时派遣维修技师进行检修[1]；德国的蒂森克虏伯利用微软Azure物联网技术，将连接蒂森克虏伯电梯设备的实时数据发送至微软Azure云平台，维保人员可实时了解电梯的运作情况，在故障发生之前便能及时识别维修需求，从而快速进行部件更换或做相应维护[2]。另一类是第三方提供的电梯物联网平台，国内典型的代表有华为的物联网电梯，其通过强大边缘计算能力及开放架构的物联网关，联接电梯控制器及各类传感器，并通过开放接口与合作伙伴平台和系统对接。实时采集电梯的运行数据，对电梯进行数据仿真，结合云端大数据分析平台，全面了解电梯各部件的“健康指标”，提前预知电梯可能发生的故障，提前维护保养[3]。本系统针对电梯故障排查时间长、运行维护成本高的问题，提出了一种基于物联网技术的新方案，实时监控电梯运行状态，结合数据分析预测电梯故障，定位故障电梯，分析故障原因并提供维保方案，帮助维保人员快速解决电梯故障，提高了人们乘坐电梯的安全指数。

1 系统总体设计

1.1 需求分析

基于物联网技术的电梯智能监控系统主要针对各种厢式电梯的远程监控，通过对电梯运行数据的实时监测，实现对电梯数据的采集，通过通信网络将感知数据传输给云平台的服务器，在云端进行数据的存储、分析、对比和预测等，对故障电梯实现定位、确定故障类型、提供维修方案、及时报警、实时通知维修人员、维修信息的反馈登记，同时还能提供电梯的保养方案，保养信息的反馈登记，维保人员通过APP实时查询云平台的电梯监测信息等。

综上所述，系统的功能需求包括以下几点：

(1)感知需求：系统实时监控电梯的运行状态，则需要记录电梯的平层状态、开关门状态、梯厢内人员、楼层信息、电梯运行方向、运行速度、电梯故障信息(电梯ID、电梯位置、故障原因、报警提示、通知维保人员、进行被困人员安抚、维修反馈等)[4]。这些数据的采集需要上下层感应器、基站感应器、冲顶感应器、蹲底感应器、门边感应器、人体感应器、重量感应器、速度感应器、音视频设备、温湿度传感器、烟雾传感器、噪声传感器和红外传感器等，为了确保采集的数据及时传输到云平台，需要得到通信模块的支持。

(2)网络传输需求：考虑电梯监控系统中网络传输采用有线布局的方式较为繁琐，因此本系统通过无线通信模块，将感知数据传输给远程的云平台。本系统中DTD433ME-10W和DTP-S09F无线传输设备代替了以前的连接线路。

(3)云平台需求：云平台接收无线网络传输的感知层数据，并对其进行存储、分析、计算、预测和报警等功能，因此需要配备Web服务器、电梯运行状态的数据服务器、音视频服务器和存储服务器。为电梯厂商和城市众多电梯物联的大数据分析提供可靠的来源。

(4)应用层需求：为方便用户查看云平台的信息，应用层由PC端和移动端APP两部分组成，主要负责云平台数据的查询、添加、更新和删除等操作，根据不同身份(系统管理员、维保人员、物业人员、政府监管人员、电梯厂商、业主等)设置不同权限，实现不同的功能。

1.2 电梯物联网的系统架构

根据系统功能的需求，本文提出了一种基于物联网技术的电梯智能监控架构，如图1所示。

图1 系统设计框图

本系统主要是由N个主PLC、M个从PLC、云平台、PC监测中心、移动终端APP和无线通信网络等部分组成[5]。

系统中的PLC分为主PLC和从PLC，从PLC下位机能准确感知并监控电梯终端的运行状态，负责将电梯运行情况的实时数据上传给主PLC，每个主PLC将范围内的多个从PLC信息汇总后通过无线网络传输给远程的云平台，通过云平台的多台服务器对监控数据进行存储和分析，用户可以通过PC监控中心和安卓端APP随时查询云平台端的电梯监控信息。

电梯维保人员通过本系统能及时获知电梯的运行状况、故障报警、故障类型、电梯物理定位、故障处理建议和维保信息等，确保在第一时间赶赴现场实施抢修，第一时间解决电梯的故障问题；物业人员可查看电梯运行情况和员工的工作记录；电梯厂商可查询品牌电梯的使用状态，以便改进电梯质量，排除生产隐患；政府监管部门可按时间、电梯品牌、地理位置等，对电梯运行状态进行查询，有效监管城市电梯的物联网情况。

本系统操作简单方便，提高了电梯监控、维保和故障报警的实时性，缩短了解决电梯故障的时间，确保了电梯保养的准确性，极大提高了工作效率，为电梯厂商提高电梯质量提供了可靠数据，为实现智慧城市的电梯物联提供了实施方案。

2 系统详细设计

系统的详细设计主要包含硬件、网络传输和软件3个部分，其中硬件设计主要从感知采集电梯的实时数据角度出发，介绍数据采集模块及实现的功能；网络传输设计主要介绍从PLC、主PLC、云平台、PC监控中心和安卓端APP间的无线通信方式；软件设计主要从系统的7个功能模块展开介绍。

2.1 硬件设计

数据采集模块是非常重要的硬件部件，是保证电梯远程监控的基础，通过电梯的数据采集模块可监控电梯的运行状态、故障和保养数据，它也是电梯与远程监控系统的接口。

数据采集模块除了包含电梯内部的温湿度传感器、烟雾传感器和音视频传感器外，还包括电梯运行状态的多项传感器，如上下平层感应器、速度传感器、称量传感器、计数传感器、门边感应器、人体红外传感器等。当两组数据的采集相互独立互不干扰时，能最大程度保证电梯数据采集的真实性。

其中，采集电梯运行状态使用的是霍尔传感器，在设计过程中需要注意工作电压的稳定性，当电压过高时会使霍尔元器件的参数发生变化，当电压过低时会因磁场的强度发生变化引起电路的误操作。因此，系统中采集模块最好使用隔离变压器。为了减少噪音干扰，采用霍尔传感器的接近开关要用短线进行连接。

2.2 网络传输设计

PLC下位机采集电梯运行数据，通常采用RS232串行接口与IPC上位机进行连接。但由于有线连接的方式施工受限，且成本较高，逐渐被无线网络传输的方式所替代。其中，在BP304控制器上安装IEEE802.11b/g协议的无线通讯模式，即可实现数据的无线传输[6]；在s5pv210上安装3G数据收发装置即可实现数据的无线传输[7]，在S7-200 PLC中采用GRM500也可以实现数据的4G无线通信[8]。

综上所述，通过在现有监测系统中增加无线装置即可实现数据的无线传输，但考虑到本系统中监控的电梯数量众多，增加无线装置实施成本的因素，在系统的S7-200 PLC中设置主PLC和从PLC，在3000米范围内通过DTD433ME-10W有效保证多个PLC间进行无线通信。对数据无线传输过程中信号的稳定性进行了如下设计：

(1)DTD433ME选用BNC卡口式同轴连接器，其主要的特点是接触可靠，连接迅速快。

(2)DTD433ME选用5.5DBI的玻璃钢全向天线，根据实际监控过程中数据的传输情况，可适当增加高增益的全向天线。

(3)DTD433ME天线的阻抗为50 Ω，在监测安装过程中尽量缩短微带线的长度，以此减少板上高频信号传输中的衰减。

(4)除减少信号的衰减外，本系统还可在梯厢中安装小型信号基站，以此增加信号的发送和接收能力。

除此之外，主PLC和云平台间通过DTP_S09F实现数据的无线通信，且传输不受距离的限制。应用层的PC测控中心通过有线或WIFI方式访问云平台资源，安卓端APP通过4G或WIFI方式访问云平台资源。

2.3 软件设计

本系统采用B/S模式，任意一台能上网的计算机都可以访问云平台中的数据信息，同时任意一部连网的移动手机也可以访问本系统，为电梯的维保人员、管理人员、电梯供应商、市政监管部门等提供了便捷。

(1)系统功能模块图

本系统的功能模块图如图2所示。

图2 系统功能模块图

图1中主要功能模块如下：

用户登录模块：用户选择一种身份(维保人员、管理人员、电梯供应商、市政监管部门、管理员)进行登录，可查看电梯运行的实时数据。

电梯信息模块：可以按品牌、厂商、物理位置、使用单位等，对电梯基本信息进行查询。

故障报警模块：当数据采集模块采集的监控数据与设置的阈值比较，出现异常时，在PC监控中心和安卓端APP同时报警，并拨打预留的维保电话。维保人员查看故障电梯的位置、类型及维修方案，及时进行电梯的维修。

保养通知模块：根据电梯的型号、购买时间、使用时间和保养记录等，由PLC监测后将信息进行汇总，把需要保养的电梯信息发送给指定的员工。

保修登记模块：员工对电梯进行保养后，在PC终端或APP端将提示信息由“需要保养”设置为“保养成功”；同理维修后，将“需要维修”设置为“维修成功”。

历史查询模块：用户根据不同的权限可对电梯的运行状态、维修记录和保养记录等信息，按时间、电梯ID、电梯厂商、电梯品牌、使用单位、维保人员等进行查询。

新闻公告：显示电梯的实时新闻和电梯的预防、保养、维修的政策。

(2)系统数据表

本系统是针对一个城市的电梯物联网系统，数据库命名为elevator，主要包含6个工作表，分别为user(用户表)、usertype(用户类型)、elevator_id(电梯身份管理)、fault_type(故障类型)、fault_alarm(故障报警)和elevator_check(电梯保检管理)。

① user表包含userid、username、usertype。

② usertype表包含0(admin)、1(staff)、2(ower)、3(government)、4(manufacturer)。

③ elevator_id表包含ID、brand、model、manufacturer、use units、location、usage time、Maintenance unit、Maintenance person、tel。

④ fault_type表包含ID、Non-leveling、kr、top、dowm、run open、smoke、tem humidity、door monitor、speed、open run、comm failure。

⑤ fault_alarm表包含ID、fault_type、alarm time、Result registration、Result time。

⑥ elevator_check表包含ID、Maintenance reminder、annual inspection、security record。

(3)系统程序流程图

基于PC监控中心的系统程序流程图，如图3所示。

图3 PC监控中心的系统程序流程图

Android端APP的程序流程图与PC监控中心的程序流程图类似，不同点在于两者实现的环境有所区别，在此不再赘述。

(4)系统实现环境介绍

本系统PC监控中心基于.NET框架，采用C++语言和SQL SERVER 2008数据库，实现主要的功能；其中Android端以Eclipse作为开发环境，采用JAVA开发语言，SQLite数据库开发APP，其中SQLite具有异构数据库的支持功能，目前已完全实现与SQL Server数据库间的数据同步。

3 系统性能分析

实验证明本系统运行正常，各项电梯监测数据能实时传输，并在PC监控中心和Android移动端显示。监测数据经过存储、分析和统计，与阈值比较后，发现异常及时报警，维

保人员根据报警提示的电梯位置、故障类型、故障处理方案及保养信息等，及时处理报警信息，并进行维保登记。通过分析，此系统可以利用物联网技术实现城市电梯的智能监控，及时排除电梯运行隐患，确定其安全运行，是一种智能高效的监控系统。

4 总结

本文根据实际需求设计了一套针对PLC的电梯物联网监控系统，将大规模的PLC监控数据传输到云端进行存储、分析和汇总，通过连网的PC监控中心或Android端APP实时监控电梯的运行，以智能高效的方式解决了电梯巡查困难、维保时间长效率低的问题。该系统的应用不仅节省了巡查电梯的人力，使维保人员及时收到报警电话，实时进行电梯的维保，极大提高了工作效率，而且还方便厂商对电梯质量的评估，便于政府职能部门对电梯的运行进行监管，具有良好的现实意义和推广价值。

[1] 奥的斯电梯，百年品牌奥的斯电梯搭物联网快车飙速[EB/OL].(2017-06-15).http://www.xindianti.com/html/diantizixun/qiyexinwen/20170615/617574.html.

[2] 赵清晏,全球首个预测性解决方案-蒂森电梯MAX亮相德国[EB/OL].(2016-05-09).http://www.xxcb.cn/jiaju/2016-05/9057924.html.

[3] 华为技术有限公司，电梯物联网解决方案[EB/OL].(2017-12-10).http://www.huawei.com/minisite/iot/cn/elevators-connection.html.

[4] 徐成龙，基于TD-LTE的电梯远程监控预警系统设计[D]. 济南：山东师范大学，2015.

[5] 李娟娟. 一种基于物联网的电梯监测系统[R]:中国，201620027562.X.2016.8.31.

[6] 徐航，赵国军. 基于Android的电梯远程监控系统[J]. 机电工程，2012,29(9)：1065-1068.

[7] 阮文韬，黄勤陆，等. 基于Android的电梯安全监控系统设计[J].自动化与仪器仪表，2016(5)：88-89.

[8] 刘艳玲，孙建成. 基于4G网络的融雪剂自动配比系统的设计[J].自动化技术与应用，2017，36(6):118-120.