設計了基于物聯網的電梯電氣系統故障監測系統，該系統能夠實現對常見故障的遠程實時監控。運行結果表明，該系統能夠實時響應電梯故障，并能對故障原因進行分析，達到預期的效果。

1 引言

隨著電梯的廣泛應用，電梯的故障和安全隱患愈發引起人們的重視。根據相關部門統計，在電梯故障中，最常見的故障為電梯電氣故障。電梯常見電氣故障包括元件絕緣引起的故障，電磁干擾引起的故障，繼電器損壞引起的沖頂和蹲底故障，以及安全開關損壞引起的故障等。這些故障點分散，瑣碎，檢修難度比較大。針對這種情況，本文設計了一種基于物聯網的電梯電氣故障監測系統，該系統能夠實現電氣電氣故障的實時監測，對電梯當前的故障情況進行智能分析，針對不滿意的分析結果發出警報，要求人工進行修理。

2 系統設計

2.1 電梯電氣故障監測的需求分析

根據作電梯故障統計數據可知，電梯常見的故障現象包括門無法關閉或者打開，反復開關門，沖頂，蹲底，超速，開門走梯，停梯非平層，安全回路異常[1-4]等，監測以上故障現象，需要對電梯為整個電梯的電氣回路，門狀態，上極限，平層狀態，下極限，轎廂內部是否有人，運行狀態，安全回路狀態等進行監測。為了保證監測系統不影響電梯的正常運行，監測系統全部采用獨立于電梯機電系統的傳感器，并且并聯接在電氣回路中。轎廂頂部安裝本地端控制器，與各種傳感器相連，用于采集各狀態點數據、并對這些數據進行判斷處理。與此同時，本地端控制器內置無線通信模塊，可以將處理過的數據傳送到中央監控計算機。中央監控計算機對多臺監測終端上傳的數據進行統一管理，對電梯故障類型進行分級。本著以人為本原則，電梯困人、急停未平層等故障視為重要故障，給予最高的優先級響應，應立即發出故障報警，通知相關人員救援[5-8].

2.2 系統架構

整個系統分為故障狀態采集、本地端數據處理和中央計算機三部分。故障采集部分位于整個系統結構的最底層，用于實時采集電梯故障狀態信息，主要由安裝在電梯各個部位的傳感器組成，根據電梯電氣故障狀態設置的參數向本地端控制器發送信息。本地控制器接受各傳感器傳送的故障信號，并對這些數據信號進行處理運算，最后通過無線傳送模塊輸送到中央計算機。

中央處理計算機位于整個系統結構的最高層，它的作用是接收所有終端息后對其分析并做出相應的處理，同時將信息存儲在數據庫中。

此外，中央處理計算機中裝有故障監控界面，維修人員和電梯管理人員可以通過監控界面實時監控電梯的整個電梯的運行情況及故障狀態。系統的總體架構如圖 1 所示。

3 硬件設計

3.1 故障采集的硬件設計

電梯常見的故障及其檢測：（1）停電檢測：電梯系統供電分為動力系統 AC 380 V 和 AC 220 V 兩種電源，此外還有 AC 110 V 和 AC 36 V 的照明電源。其監測方法是在電源入口并聯光電檢測模塊，即可檢測電梯電源的狀態。（2）門狀態監測。門的故障狀態分為有人長時關門、長時開門、長時反復開關門等[9-13]，因此對門狀態的檢測只需將永磁感應器安裝在門的開/關極限處，并根據程序中的定時器綜合判斷出門異常狀況。（3）平層狀態。電梯的平層狀態由安裝在轎廂箱體的平層開關檢測完成。主要選用光電傳感器。（4）沖頂和蹲底檢測。電梯的沖頂由安裝在轎廂頂部的接近開關和井道頂部的觸點檢測實現，蹲底監檢測的方法與其類似。（5）電梯超速和墜落檢測。電梯的超速分為勻速超速和加速度超速兩種情況，勻速超速通過檢測電梯運動過程中觸發平層信號的時間間隔來判斷。加速度檢測加速度傳感器實現，安裝在轎廂頂部，與電梯一起運行。（6）有人檢測。人的檢測采用紅外熱釋電傳感器和微波雷達傳感器復合檢測，既紅外熱釋電傳感器易受熱源干擾的問題，又可彌補微波雷達傳感器怕震動的缺點。

傳感器硬件設計：（1）開關量傳感器的接入方法。常用的光電傳感器、熱釋傳感器的工作電壓均為 DC 12 V，常見的嵌入式控制引腳輸入電壓為最高 5 V，為使本地端嵌入式控制器能夠正常接收開關量傳感器的信號，考慮到引入電路的抗干擾性，本文運用光電耦合電路作為信號引入電路，其具體鏈接方式如圖 2 所示。

當傳感器閉合，輸出“1”的開關量時，光耦電路輸出低電平。反之，輸出高電平，通過 100 kΩ的上拉電阻，使控制器輸入口的電壓保持在5V,以下，以免損壞控制器。

（2）模擬式傳感器接入方法。本文中應用的模擬量傳感器主要是加速度傳感器，本著可靠的原則，采用 Inven Sense

公司生產的基高集成度三軸加速度傳感器模塊，該模塊以 MPU6050 為核心，加速度測量范圍可調 ±2 g、±4 g、±8 g、±16 g 四檔 ，其接口電路如圖 3 所示。

3.2 網絡傳輸層的硬件設計

通信模塊的選取要考慮傳輸速度，傳輸數據量，信號質量及可靠性問題，由于電梯的故障檢測系統傳輸的數據量不是很大，綜合考慮價格因素、后期語音擴展留有余地等因素。本文選用 MC35i 通信模塊，該模塊是新一代西門子 GSM/GPRS 雙模模塊，內嵌式的無線 GPRS 模塊連接。，能提供數據、語音、短信、傳真功能，該傳輸模塊可以完全能夠滿足設計需求，該模塊有電源接口，電源接口，同步信號接口，音頻接口，串行接口等。為保證通信模塊正常運行，為 MC35i 設計了供電電路，點火電路等。此處重點介紹點火電路。MC35i 進入工作狀態，必須在上電后加入 100 ms 的低電平信號才能工作。本文設計了基于單片機的上電電路，圖 4 為 MC35i 的時序圖，上電時，IGT 低電平，待電源穩定，通過單片機的控制使其成為高電平，并維持 10 ms 以上，然后 IGT 又被接地，并保持 100 ms 以上。至此，完成 GPRS 模塊的啟動。

4 軟件設計

4.1 軟件架構設計

系統軟件分為本地端軟件、通信軟件和監控軟件，監控軟件即物聯網中最上層，為故障監控人員提供監控界面。本地端軟件是本地端控制器的控制程序，故障負責數據的采集、處理、存儲和上傳。通信軟件負責信息的通信。各軟件之間的信息流通圖如圖 5 所示。

由于本地端控制器采用的 ARM 系列，所以整個本地端軟件和通信軟件在 ARM9 的開發環境下進行編程，語言用 C 語言，

4.2 本地端檢測的軟件設計

本地端檢測實現的功能較多，不但要編寫各種監測程序，還要編寫通信程序和傳送函數。為了更好地查找和修改程序，在編寫過程中運用軟件工程的方法，實施模塊化處理，將程序根據不同功能寫成C語言函數塊，并存放在不同文檔中。

整個本地端檢測軟件應包含故障數據采集，故障數據處理與存儲，故障數據上傳和軟件看門狗四大類。與此同時，根據故障的嚴重性，對各種故障類型設置優先級。

4.3 通信軟件設計

GPRS 通信模塊在實現聯網的過程中，首先使用 AT 指令設定模塊參數進行一系列初始化配置，接著通過 ATDT 指令連接通信基站的服務器，然后與通信基站服務器協商完成 LCP 配置、通過 PAP/CHAP 認證、IPCP 配置三個步驟建立 PPP 連接，成功連接后，通信基站服務器會分配一個動態 IP 地址給 GPRS 模塊，經過以上過程 GPRS 模塊就成功接入 Internet，通過內部事先存儲的 IP 地址訪問接入網絡的監控計算機，成功建立 TCP 連接后即可實現數據傳輸[1,2]。

4.4.監控軟件設計

運用 C 語言編寫監控軟件，并將其安裝在中央監控計算機上，整個監控軟件分三部分組成，一是登錄界面，主要用于監控人員登錄；二是監測界面，所有故障點的狀態實時顯示在監測界面上；三是記錄界面，可以查詢以往的故障記錄。整個監控界面內含故障數據庫，用于存放歷史故障數據。其中，實時故障監控界面如圖 6 所示[14,15]。

5 結語

通過系統的模擬運行，運行結果良好，能夠實現電梯故障的物聯網監控，達到了預期目標。電梯作為承載工具，是人們生活中必不可少的特種設備，它的安全運行，關乎著人民生命財產的安全，維護著國家社會和諧安定。

隨著物聯網技術的發展，將物聯網技術運用到電梯故障診斷中，能夠實時監測電梯故障，為電梯維保人員提供一線實時的數據信息，使電梯故障能夠及時有效的處理，保障了電梯安全平穩運行。