基于MEMS技术的电梯轿厢振动传感网络研究

巫涛江，柳 朋，余晓毅，吴德操，张春娟

(1.电梯智能运维重庆市高校工程中心，重庆 402260；2.重庆理工大学 光纤传感与光电检测重庆市重点实验室，重庆 400054)

电梯是服务于当今高层建筑的重要通行运输设备，国家对此制定了严格的性能要求，归纳起来可分为4点：安全性、可靠性、舒适性和平层精度。其中前3点均与电梯运行中的振动强度密切相关。振动本质上是加速度变化的高频分量。由于轿厢式电梯在运行中存在频繁的启动加速和制停减速过程，其加减速的均匀性以及在匀速阶段的平稳性可以由纵向振动强度来进行统一描述。而横向振动强度则与轨道间隙相关，能在一定程度上反映轨道的变形量[1-2]。因此，实时检测电梯运行中轿厢的振动信号，有助于分析电梯的性能参数，保障电梯的运行安全以及乘客的乘坐体验。

根据国家GB/T 10058—2009标准规定，电梯轿厢运行在恒定加速度中，垂直方向(Z轴方向)振动最大峰峰值应小于0.3 m/s2。同时按照我国《电梯技术条件》中的相关规定，电梯的起制动应平稳、迅速，加、减速度最大值不大于1.5 m/s2。为了保证电梯的工作效率，还规定了 “交直流快速电梯平均加、减速度不小于0.5 m/s2，直流高速电梯平均加、减速度不小于0.7 m/s2”。同时，在常规电梯技术中为使电梯乘坐舒适，也必须控制电梯运行中的振动，尤其是病床电梯等特种电梯应严格保证运行的平稳性，其水平振动加速度应不大于0.05 m/s2。此外，电梯运行的平稳性与其拖动系统和导向系统的制造、安装精度和维修保养的质量有密切关系。在电梯常规维护中一般不对电梯的运行振动强度进行详细检测，电梯平稳性一般仅由维保人员的体感判断，存在较大误差，大量故障不能被及时发现。添加对电梯轿厢加速度和振动强度进行实时监测的传感装置，当出现轿厢异常时能够精准报警，及时排查安全隐患，可有效保障电梯安全、平稳、舒适地运行。

目前,电梯振动测量方法可分为两类:一类是利用传统标尺、铅锤等物理工具测量的方法，该方法成本低、操作简单，但是受人为影响误差较大，且不能实现长期实时监测。另外一类是利用加速传感技术或激光测距技术来实现的现代测量方法，具有时效性高、仪器使用方便、工作稳定等特点，但目前这些设备大多数以单机现场测量方式为主，对执行测试的人员要求较高，面对电梯集群尚未实现互联监测与实时预警。

MEMS传感器是一种尺寸极小、低成本、高集成的智能传感系统，由微电子技术发展而来，可广泛应用于通信、检测、信号处理等高新技术产业[3-4]。随着物联网的兴起与发展，要求由终端进行传感数据采集，并通过无线通信链路将数据发至云端进行分布式处理，从而实现远距离、跨域区的信息监测。基于MEMS技术的微型传感器由于其相对传统传感器具备低成本、超低功耗、全数字输出的特性，不需要设计复杂的供电、信号调理和模数转换电路，大幅缩减了设备体积，成为目前物联网传感领域的主流技术。

基于MEMS技术的加速度传感器主要可分为压电式、电容式和热感应式三类，在不同的应用层面都各有优缺点。本文采用了由ST公司推出的新一代电容式三轴加速度传感器LIS3DH[5]，由MEMS传感器和一枚ASIC接口芯片两部分组成，前者用于测量X、Y、Z三个方向的区域位移量，后者则将电容值的变化转换为数字量输出。MEMS传感器利用硅的机械性质设计出的两组可移动硅梳齿机械结构，一组相当于固定的电极，另一组为可移动电极随待测物移动。当可移动的梳齿产生了位移，就会随之产生与位移成比例电容值的改变。当待测物在变速运动时，其内部电容的变化量(ΔC)由ASIC接口芯片转换成电压数字值输出。LIS3DH采样率高达5 kHz，量程达16g，振动检测带宽大于1 kHz，符合电梯轿厢振动检测的实际需求。

1 原理

电梯轿厢在运行中的加速度可分为两类，电梯启动与制停所产生的运行加速度(为低频信号)和轿厢的振动加速度(为高频信号)。因此，引入4阶高通/低通数字滤波器对加速度信号进行频率分离，分别获得低频分量a和高频分量z。经过实测验证，设置截止频率为2～4 Hz时所测信号较为理想。同时，引入归一化信号幅度域SMA[4]，对三轴振动进行整体分析，如下所示：

(1)

式中,zX(t)，zY(t)，zZ(t)分别为振动高频分量z电梯轿厢在X，Y，Z轴的方向分量;T为归一化时间，那么电梯振动信号值可表示为

(2)

根据国家GB/T 10058—2009标准的规定，当

(3)

或垂直(Z轴方向)振动大于0.3 m/s2、水平(X、Y轴方向)振动大于0.05 m/s2时便可进行报异常警，当S大于1 m/s2时进行振动危险报警。

同理，定义整体运行加速度A的报警阈值为

(4)

2 系统设计

本振动监测系统为分布式设计，如图1所示，包括前端振动监测节点、无线路由器、云服务器3个部分，从而构建完整的LoRa无线传感网络。LoRa网络基于Chirp扩频(Chirp Spread Spectrum,CSS)调制技术传输数据，直线传输距离可达8 km，即使在城区环境下单个路由器也足以实现整个住宅小区的信号覆盖[9-10]，极大地降低了组网成本和运营成本。

图1 系统结构设计

前端监测节点安装在每个电梯轿厢内，主要包含MEMS加速度传感器、微控器(Microcontroller Unit，MCU)与LoRa[8]射频单元。其中，MCU利用I2C接口获取LIS3DH在电梯轿厢X、Y、Z三轴方向测得的振动数据，并通过LoRa网络将压缩后的异常振动数据传输至无线路由器。多个电梯监测节点可与LoRa路由器建立星形无线连接，再由路由器将数据通过有线以太网或4G Cat1网络传输至云端服务器。系统采用Semtech公司提供的SX1278作为前端监测节点的LoRa射频单元，而无线路由器则选择具有8通道同步收发能力的SX1301射频单元，以提高数据吞吐能力。

云端服务器利用MySQL数据库实现海量电梯节点的振动数据存储，服务器软件架构如图2所示，包含数据访问层、逻辑控制层、表示层3个部分，分别用于网络数据流的解析和存储，振动数据的解算、分析和故障预警，以及对客户访问逻辑处理。

图2 云端软件架构

客户端采用了客户端/服务器(Client/Server，C/S)与浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)混合访问设计。其中，C/S客户端软件采用LabVIEW编写[11-12]，如图3所示，可方便维保人员登录服务器实时观察特定电梯的运行振动情况，实现电梯故障的快速诊断。

图3 C/S客户端系统管理界面

B/S客户端以网页方式进行访问，如图4所示，通过对历史振动数据分析，反映电梯的长期工况。

图4 B/S客户端

3 实验分析

为了验证系统的振动监测性能，实验将前端监测节点安装到一台微型电梯模型的轿厢侧面，如图5所示，以便于模拟各类突发事件所产生的振动信号。通过本系统采集不同工况下的振动数据，同时对比参考传感器的测量结果，验证本系统测量的可靠性。参考传感器为上海传振电子科技有限公司生产的CZ820高精度压电式振动传感器，原理为压电晶体受到力的作用，受压变形产生电荷，晶体两端形成电势差，经过集成电路处理后输出与振动速度成比例的电压信号，具有频率范围宽、动态范围大、坚固耐用、可靠性强、稳定性好、安装方便和抗干扰能力强等优点，可满足本实验对比测量要求。

图5 电梯模型

表1 正常运行条件下水平振动实验数据 单位：m/s2

以相同实验条件运行模型电梯，从第1层开始，分别记录电梯在第2～第7层停靠瞬间的整体振动信号S；参考水平振动测量步骤，记Z轴正向为正行程(低层至高层运行)、Z轴负向为负行程(高层至低层运行)，分组测量。分别测得电梯轿厢在正、负行程下的振动数据如表2所示，基于MEMS技术的电梯振动传感器测量得到的振动信号与参考传感器所测值相近，差值均小于0.015 m/s2，可完全胜任电梯日常运行中振动的长时监测。

表2 正常运行条件下整体振动实验数据 单位：m/s2

通过控制模型电梯电源的通断与钢缆拽引，可模拟电梯在运行中骤停、加速坠落、外部撞击等常见突发情况，电梯轿厢在多种运行状态下测得的整体振动数据如表3所示。

表3 异常状态下整体振动实验数据 单位：m/s2

在几种常见意外情况下，基于MEMS技术的电梯振动传感器能够很好地测量电梯运行中遇到意外所产生的振动信号，与参考传感器误差值均小于10%，且在前端PC服务器上能正确产生报警信号，达到了预期设计效果。

4 结束语

基于MEMS技术研制了一种分布式电梯振动监测系统，利用LoRa射频芯片建立无线传感器网络实现跨区域的电梯安全监测。由实验数据可知，该系统的振动监测性能优异，与传统压电式传感器对比，在电梯正常运行时测量值误差很小；在电梯异常状态下，本系统的误差虽有所增大，但仍能准确判断异常状态，而成本和体积相较传统传感器大幅降低，具备良好的实用价值。

未来，以该传感网络为平台，可在电梯轿厢内集成更丰富的MEMS传感器，进一步提高故障预警精度。例如一些早期电梯轨道故障并不会引起明显的轿厢振动，但会产生较大的噪声或异响，通过集成矩阵式MEMS麦克风和MEMS气压计可以快速追踪噪声方位和高度，从而确定轨道故障的确切位置。此外，在云端平台还可引入大数据分析算法，实现对特定型号电梯的质量分析，发现其可能存在的一些设计缺陷。