集成电路 | 基于物联网的电梯故障监测系统的研究

设计了基于物联网的电梯电气系统故障监测系统，该系统能够实现对常见故障的远程实时监控。运行结果表明，该系统能够实时响应电梯故障，并能对故障原因进行分析，达到预期的效果。

1 引言

随着电梯的广泛应用，电梯的故障和安全隐患愈发引起人们的重视。根据相关部门统计，在电梯故障中，最常见的故障为电梯电气故障。电梯常见电气故障包括元件绝缘引起的故障，电磁干扰引起的故障，继电器损坏引起的冲顶和蹲底故障，以及安全开关损坏引起的故障等。这些故障点分散，琐碎，检修难度比较大。针对这种情况，本文设计了一种基于物联网的电梯电气故障监测系统，该系统能够实现电气电气故障的实时监测，对电梯当前的故障情况进行智能分析，针对不满意的分析结果发出警报，要求人工进行修理。

2 系统设计

2.1 电梯电气故障监测的需求分析

根据作电梯故障统计数据可知，电梯常见的故障现象包括门无法关闭或者打开，反复开关门，冲顶，蹲底，超速，开门走梯，停梯非平层，安全回路异常[1-4]等，监测以上故障现象，需要对电梯为整个电梯的电气回路，门状态，上极限，平层状态，下极限，轿厢内部是否有人，运行状态，安全回路状态等进行监测。为了保证监测系统不影响电梯的正常运行，监测系统全部采用独立于电梯机电系统的传感器，并且并联接在电气回路中。轿厢顶部安装本地端控制器，与各种传感器相连，用于采集各状态点数据、并对这些数据进行判断处理。与此同时，本地端控制器内置无线通信模块，可以将处理过的数据传送到中央监控计算机。中央监控计算机对多台监测终端上传的数据进行统一管理，对电梯故障类型进行分级。本着以人为本原则，电梯困人、急停未平层等故障视为重要故障，给予最高的优先级响应，应立即发出故障报警，通知相关人员救援[5-8].

2.2 系统架构

整个系统分为故障状态采集、本地端数据处理和中央计算机三部分。故障采集部分位于整个系统结构的最底层，用于实时采集电梯故障状态信息，主要由安装在电梯各个部位的传感器组成，根据电梯电气故障状态设置的参数向本地端控制器发送信息。本地控制器接受各传感器传送的故障信号，并对这些数据信号进行处理运算，最后通过无线传送模块输送到中央计算机。

中央处理计算机位于整个系统结构的最高层，它的作用是接收所有终端息后对其分析并做出相应的处理，同时将信息存储在数据库中。

此外，中央处理计算机中装有故障监控界面，维修人员和电梯管理人员可以通过监控界面实时监控电梯的整个电梯的运行情况及故障状态。系统的总体架构如图 1 所示。

3 硬件设计

3.1 故障采集的硬件设计

电梯常见的故障及其检测：（1）停电检测：电梯系统供电分为动力系统 AC 380 V 和 AC 220 V 两种电源，此外还有 AC 110 V 和 AC 36 V 的照明电源。其监测方法是在电源入口并联光电检测模块，即可检测电梯电源的状态。（2）门状态监测。门的故障状态分为有人长时关门、长时开门、长时反复开关门等[9-13]，因此对门状态的检测只需将永磁感应器安装在门的开/关极限处，并根据程序中的定时器综合判断出门异常状况。（3）平层状态。电梯的平层状态由安装在轿厢箱体的平层开关检测完成。主要选用光电传感器。（4）冲顶和蹲底检测。电梯的冲顶由安装在轿厢顶部的接近开关和井道顶部的触点检测实现，蹲底监检测的方法与其类似。（5）电梯超速和坠落检测。电梯的超速分为匀速超速和加速度超速两种情况，匀速超速通过检测电梯运动过程中触发平层信号的时间间隔来判断。加速度检测加速度传感器实现，安装在轿厢顶部，与电梯一起运行。（6）有人检测。人的检测采用红外热释电传感器和微波雷达传感器复合检测，既红外热释电传感器易受热源干扰的问题，又可弥补微波雷达传感器怕震动的缺点。

传感器硬件设计：（1）开关量传感器的接入方法。常用的光电传感器、热释传感器的工作电压均为 DC 12 V，常见的嵌入式控制引脚输入电压为最高 5 V，为使本地端嵌入式控制器能够正常接收开关量传感器的信号，考虑到引入电路的抗干扰性，本文运用光电耦合电路作为信号引入电路，其具体链接方式如图 2 所示。

当传感器闭合，输出“1”的开关量时，光耦电路输出低电平。反之，输出高电平，通过 100 kΩ的上拉电阻，使控制器输入口的电压保持在5V,以下，以免损坏控制器。

（2）模拟式传感器接入方法。本文中应用的模拟量传感器主要是加速度传感器，本着可靠的原则，采用 Inven Sense

公司生产的基高集成度三轴加速度传感器模块，该模块以 MPU6050 为核心，加速度测量范围可调 ±2 g、±4 g、±8 g、±16 g 四档 ，其接口电路如图 3 所示。

3.2 网络传输层的硬件设计

通信模块的选取要考虑传输速度，传输数据量，信号质量及可靠性问题，由于电梯的故障检测系统传输的数据量不是很大，综合考虑价格因素、后期语音扩展留有余地等因素。本文选用 MC35i 通信模块，该模块是新一代西门子 GSM/GPRS 双模模块，内嵌式的无线 GPRS 模块连接。，能提供数据、语音、短信、传真功能，该传输模块可以完全能够满足设计需求，该模块有电源接口，电源接口，同步信号接口，音频接口，串行接口等。为保证通信模块正常运行，为 MC35i 设计了供电电路，点火电路等。此处重点介绍点火电路。MC35i 进入工作状态，必须在上电后加入 100 ms 的低电平信号才能工作。本文设计了基于单片机的上电电路，图 4 为 MC35i 的时序图，上电时，IGT 低电平，待电源稳定，通过单片机的控制使其成为高电平，并维持 10 ms 以上，然后 IGT 又被接地，并保持 100 ms 以上。至此，完成 GPRS 模块的启动。

4 软件设计

4.1 软件架构设计

系统软件分为本地端软件、通信软件和监控软件，监控软件即物联网中最上层，为故障监控人员提供监控界面。本地端软件是本地端控制器的控制程序，故障负责数据的采集、处理、存储和上传。通信软件负责信息的通信。各软件之间的信息流通图如图 5 所示。

由于本地端控制器采用的 ARM 系列，所以整个本地端软件和通信软件在 ARM9 的开发环境下进行编程，语言用 C 语言，

4.2 本地端检测的软件设计

本地端检测实现的功能较多，不但要编写各种监测程序，还要编写通信程序和传送函数。为了更好地查找和修改程序，在编写过程中运用软件工程的方法，实施模块化处理，将程序根据不同功能写成C语言函数块，并存放在不同文档中。

整个本地端检测软件应包含故障数据采集，故障数据处理与存储，故障数据上传和软件看门狗四大类。与此同时，根据故障的严重性，对各种故障类型设置优先级。

4.3 通信软件设计

GPRS 通信模块在实现联网的过程中，首先使用 AT 指令设定模块参数进行一系列初始化配置，接着通过 ATDT 指令连接通信基站的服务器，然后与通信基站服务器协商完成 LCP 配置、通过 PAP/CHAP 认证、IPCP 配置三个步骤建立 PPP 连接，成功连接后，通信基站服务器会分配一个动态 IP 地址给 GPRS 模块，经过以上过程 GPRS 模块就成功接入 Internet，通过内部事先存储的 IP 地址访问接入网络的监控计算机，成功建立 TCP 连接后即可实现数据传输[1,2]。

4.4.监控软件设计

运用 C 语言编写监控软件，并将其安装在中央监控计算机上，整个监控软件分三部分组成，一是登录界面，主要用于监控人员登录；二是监测界面，所有故障点的状态实时显示在监测界面上；三是记录界面，可以查询以往的故障记录。整个监控界面内含故障数据库，用于存放历史故障数据。其中，实时故障监控界面如图 6 所示[14,15]。

5 结语

通过系统的模拟运行，运行结果良好，能够实现电梯故障的物联网监控，达到了预期目标。电梯作为承载工具，是人们生活中必不可少的特种设备，它的安全运行，关乎着人民生命财产的安全，维护着国家社会和谐安定。

随着物联网技术的发展，将物联网技术运用到电梯故障诊断中，能够实时监测电梯故障，为电梯维保人员提供一线实时的数据信息，使电梯故障能够及时有效的处理，保障了电梯安全平稳运行。