基于3G+Internet網(wǎng)絡(luò)的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

鄭永康　陳俊武　李強

摘 要： 通過對電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸方式的分析，提出對電梯實時運行信號和轎廂音視頻信號分別進行采集，并通過3G網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)進行傳輸?shù)倪h程數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)募夹g(shù)方案，提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性和傳輸時效，降低了運行費用。通過電梯數(shù)據(jù)采集器、IPC（網(wǎng)絡(luò)攝像頭）、數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置以及交換機，將分布在各處的電梯運行狀況和故障信息通過3G網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)及時傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心，并通過監(jiān)控中心監(jiān)控終端的操作，實現(xiàn)對各處電梯的遠程監(jiān)視和控制。實際應(yīng)用效果表明，該設(shè)計具有較好的適用性和推廣價值。

關(guān)鍵詞： 電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)； 3G； 互聯(lián)網(wǎng)； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）07-32-04

0 引言

目前我國在用電梯已突破160萬臺，電梯運行的安全性、可靠性管理已經(jīng)成為一個的重要問題。電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)能夠同時監(jiān)控多處多臺電梯的實時運行狀態(tài)和電梯轎廂內(nèi)的音視頻信號，及時發(fā)現(xiàn)并排除故障，保障電梯的正常運行。

目前現(xiàn)有的商業(yè)化運作的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)包括三菱電梯、日立電梯、蒂森電梯等，采用計算機建立狀態(tài)數(shù)據(jù)檔案，實現(xiàn)24小時監(jiān)控，但系統(tǒng)只能監(jiān)控本公司的電梯，對其他公司電梯不能兼容[1]。因此國內(nèi)的電梯生產(chǎn)企業(yè)需開發(fā)配套的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)，以提高產(chǎn)品的競爭力。

將監(jiān)控端采集到的數(shù)據(jù)傳送到遠程監(jiān)控中心，各種電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)所采用的傳輸方式有多種，早期的有電話線有線傳輸[2]或者是GSM短消息通訊方式。電話線有線傳輸方式只適用于小范圍小區(qū)域的監(jiān)控系統(tǒng)，對于大范圍的全局監(jiān)控管理幾乎是不可能的；GSM短信通訊一定存在延時，容易發(fā)生阻塞，這對實時性要求較高的監(jiān)控系統(tǒng)有很大影響，并且傳輸信息量少。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與通訊技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種采用Internet網(wǎng)絡(luò)、移動通訊網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式。文獻[3]利用GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電梯監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，但數(shù)據(jù)傳輸費用較高；文獻[4]采用Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸，降低了監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸費用；文獻[5]采用3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，滿足了大數(shù)據(jù)量實時傳輸?shù)男枨?。以上各種電梯遠程監(jiān)控方案對電梯的實時運行狀態(tài)和轎廂內(nèi)的音視頻信號采取統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集與傳輸，沒有滿足這兩類信號在傳輸數(shù)據(jù)量、實時性和傳輸可靠性的不同要求，無法兼顧數(shù)據(jù)傳輸性能與傳輸費用。

針對以上問題，本文在電梯監(jiān)控端對電梯實時運行狀態(tài)和轎廂內(nèi)的音視頻信號分別進行采集，并根據(jù)它們的特點與傳輸要求，兼顧數(shù)據(jù)傳輸費用，分別采用3G網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，既有效保證了信號采集的可靠性，又能在保證數(shù)據(jù)傳輸性能要求的基礎(chǔ)上降低數(shù)據(jù)傳輸費用，還可以根據(jù)電梯所處環(huán)境的不同，方便調(diào)整數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)姆绞?，使電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實施具有靈活性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)對電梯內(nèi)的檢測信號繁多，主要分為電梯的實時運行狀態(tài)和電梯轎廂內(nèi)的音視頻信號兩大類。電梯的實時運行狀態(tài)的檢測數(shù)據(jù)具有間斷、突發(fā)、數(shù)據(jù)量少的特點，對傳輸?shù)膶崟r性和可靠性要求高；梯轎廂內(nèi)的音視頻信號的檢測數(shù)據(jù)則有持續(xù)、數(shù)據(jù)量大的特點，對傳輸?shù)膶崟r性和可靠性的要求不是太高。3G移動通信技術(shù)是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)，速率一般在幾百kbps以上，它允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，可靠性高，不受地理位置的限制，特別適用于實時運行狀態(tài)的檢測數(shù)據(jù)的傳輸；Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸費用低，適合電梯轎廂內(nèi)的音視頻信號采集數(shù)據(jù)的傳輸。

為保證電梯檢測信號采集的可靠性，本系統(tǒng)對這兩類檢測信號分開采集。對電梯實時運行狀態(tài)信號由數(shù)據(jù)采集卡通過與電梯控制主板串行連接進行采集，通過數(shù)據(jù)總線傳輸至遠程監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置進行集中與緩存，由與之相連的3G模塊進行傳輸；轎廂內(nèi)的音視頻信號則由安裝在轎廂內(nèi)的IPC采集，通過網(wǎng)絡(luò)線由TCP/IP協(xié)議傳送到遠程監(jiān)控終端的交換機，再連接到Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸。交換機與數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置連接，當(dāng)遠程監(jiān)控終端沒有3G網(wǎng)絡(luò)或Internet網(wǎng)絡(luò)時，系統(tǒng)可以采用其中任意一種網(wǎng)絡(luò)方式來傳輸全部監(jiān)控數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)組網(wǎng)的靈活性。

本系統(tǒng)能實現(xiàn)遠程訪問電梯，讀取電梯的運行參數(shù)及歷史故障記錄，通過解析電梯的運行參數(shù)，了解當(dāng)前電梯的運行狀態(tài)；通過解析電梯的故障代碼，了解當(dāng)前電梯發(fā)生的歷史故障；通過遠程診斷，協(xié)助維保人員更好地對電梯進行保養(yǎng)；通過音視頻監(jiān)控電梯內(nèi)的狀況并與電梯乘客通話。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集端、網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠程監(jiān)控端三部分。數(shù)據(jù)采集端由位于控制柜附近安裝的數(shù)據(jù)采集器、轎廂內(nèi)安裝的音視頻采集模塊和機房安裝的數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置組成；網(wǎng)絡(luò)傳輸由3G網(wǎng)絡(luò)模塊和交換機組成；遠程監(jiān)控端由終端服務(wù)器、手持或監(jiān)控中心的終端設(shè)備組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

以下介紹系統(tǒng)主要組成部分的功能。

⑴ 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器通過RS422通訊方式與電梯控制板連接，實現(xiàn)對電梯的監(jiān)控、記錄并分析電梯的實時運行狀態(tài)，當(dāng)電梯發(fā)生故障時，可迅速報警并上傳故障代碼到數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置。

⑵ 音視頻采集模塊

采用IPC設(shè)備，采集轎箱內(nèi)的視頻數(shù)據(jù)及音頻數(shù)據(jù)，通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送給交換機。

⑶ 數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置

接收數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并可接收交換機發(fā)送的音視頻數(shù)據(jù)，通過本地存儲器保存數(shù)據(jù)，再通過3G發(fā)射器將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

⑷ 3G網(wǎng)絡(luò)模塊

采用3G模塊實現(xiàn)與3G網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通，實時把采集模塊和音視頻采集模塊采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到3G網(wǎng)絡(luò)中，并接收遠程監(jiān)控中心發(fā)送的指令和網(wǎng)絡(luò)中的音頻數(shù)據(jù)。

⑸ 交換機

接收各個電梯的音視頻采集數(shù)據(jù)，與Internet網(wǎng)絡(luò)連通發(fā)送數(shù)據(jù)，并與數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置連通，向它發(fā)送音視頻數(shù)據(jù)，或接收它發(fā)送來的電梯運行數(shù)據(jù)。

⑹ 終端服務(wù)器

包括Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫。Web服務(wù)器實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)端口，接收通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的電梯實時運行數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實時存入數(shù)據(jù)庫中，在需要時提取數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)。

⑺ 管理終端

包括各種PC機、平板電腦、手機等各種固定或移動智能終端，接收終端服務(wù)器發(fā)送來的信息，直觀地了解當(dāng)前電梯的運行狀態(tài)，并向電梯控制板發(fā)送控制指令，實時查詢電梯的運行狀態(tài)，實現(xiàn)電梯的遠程診斷及遠程維保功能。

2 數(shù)據(jù)采集端的設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

⑴ 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器采用Cortex-M0作為核心芯片，通過RS422通訊方式與電梯控制板連接，利用422電平轉(zhuǎn)換芯片進行電平轉(zhuǎn)換后與電梯主控板進行數(shù)據(jù)通信，讀取電梯的運行方向、當(dāng)前層站、轎門開閉等運行參數(shù)和門區(qū)外停梯、沖頂、蹲底、運行中開門和超速等故障信息，并可對電梯主控板進行參數(shù)設(shè)置。數(shù)據(jù)采集器采用標(biāo)準(zhǔn)串行通信方式，并取電梯主控板422接口處的5V電源為采集器供電。利用485串行通訊接口通過數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置進行數(shù)據(jù)通信，轉(zhuǎn)發(fā)電梯的運行參數(shù)與故障信息。RS232 console接口利用232串口與調(diào)試顯示設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信，在進行本地調(diào)試的時候輸出調(diào)試信息供調(diào)試者觀察。RS232程序燒寫口利用232串口與ISP燒寫工具連接實現(xiàn)串口形式對CPU進行程序燒寫，方便程序調(diào)試和修改等操作。數(shù)據(jù)采集器的硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

⑵ 數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置

數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置采用基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器S3C2440A作為核心，綜合了RS485模塊、USB-3G功能模塊、網(wǎng)口模塊、蓄電池模塊、USB接口模塊和RS232 Console接口模塊等。RS485模塊以HOST模式運行，通過485總線連接多個電梯數(shù)據(jù)采集器。網(wǎng)口利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口芯片進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后與局域網(wǎng)連接，收發(fā)音視頻數(shù)據(jù)。USB-3G模塊引用CPU的一對USB接口與其他輔助電路組成USB HOST模式接口，用于連接3G模塊并和其進行通訊，達到利用3G模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的效果。引用CPU的一對USB接口與其他輔助電路組成USB HOST模式接口，用于讀取作為音視頻暫存器的U盤或其他USB設(shè)備。數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置的模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置的軟件是基于Linux操作系統(tǒng)的，使用C語言和keil C51開發(fā)工具進行開發(fā)[6]。

數(shù)據(jù)采集器程序主要有電梯控制信號采集子程序和串口通信子程序。電梯控制信號采集子程序針對的是公司電梯控制器主板，根據(jù)主板型號與通訊協(xié)議直接從主板獲取電梯的實時運行參數(shù)，通過RS422接口傳回數(shù)據(jù)采集器。串口通信子程序完成采集模塊與數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置實現(xiàn)IP模塊相關(guān)指令及3G模塊相關(guān)指令[7]，完成上網(wǎng)、建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。程序分為主程序、終端串口通信子程序。主程序完成3G模塊初始化與網(wǎng)絡(luò)連接等操作。串口通信子程序完成與數(shù)據(jù)采集器之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用串口通信的方式控制3G模塊，通過向串口寫命令，對模塊發(fā)出控制指令，根據(jù)串口返回的信息來判斷執(zhí)行情況。這個過程和Windows里面的“超級終端”工具十分相似。消息是以“AT指令”的形式發(fā)出。AT指令集有一整套完備的功能，對標(biāo)準(zhǔn)的通信模塊都予以支持，支持標(biāo)準(zhǔn)的“AT指令集”，并且提供相應(yīng)的擴展指令。3G模塊支持?jǐn)嗑€重播機制，可以實現(xiàn)自動連接的功能。數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置程序的運行流程如圖4所示。

3 遠程監(jiān)控端的設(shè)計

遠程監(jiān)控端設(shè)于維保單位，用于實時監(jiān)測電梯的運行狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)綜合、發(fā)布裝置和交換機發(fā)送的監(jiān)控數(shù)據(jù)與音視頻數(shù)據(jù)，并儲存在數(shù)據(jù)庫中。同時可以主動向數(shù)據(jù)綜合和發(fā)布裝置發(fā)送指令，進行實時電梯狀態(tài)及故障的查詢。當(dāng)電梯發(fā)生故障時，可以第一時間查看電梯運行狀態(tài)及乘客狀態(tài)，實施遠程救援，同時可以直接進行對話，了解現(xiàn)場情況?？赏ㄟ^各種移動通訊運營商的通訊網(wǎng)絡(luò)與各種移動通訊工具通訊，接收電梯運行狀態(tài)信息，或發(fā)布維護操作命令。遠程監(jiān)控端的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

遠程監(jiān)控端軟件采用B/S架構(gòu)模式[8]，ASP.NET開發(fā)動態(tài)Web頁面，Web服務(wù)器采用微軟公司的IIS6.0，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server。采用Net Interface實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)端口，接收通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的電梯實時運行數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)；中間件CTRY實現(xiàn)各部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能，并將數(shù)據(jù)送至Web服務(wù)器進行實時監(jiān)控；采用DB服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)中接收到的電梯運行的實時數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，在Web服務(wù)器需要查詢時提取數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)；Web Server以監(jiān)測網(wǎng)頁的形式將電梯的實時運行情況，以及故障報警、音視頻的信息發(fā)布給用戶；用戶通過Web Browser瀏覽監(jiān)測中心的監(jiān)測情況并可實時跟蹤。用戶還可以通過Web Page查詢電梯的歷史運行情況和歷史故障列表等信息，在故障的同時通過視頻和音頻實時監(jiān)測電梯內(nèi)部情況并及時和電梯內(nèi)部被困人員溝通。遠程監(jiān)控端的軟件架構(gòu)如圖6所示。遠程監(jiān)控端的監(jiān)控界面如圖7所示。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)，針對兩類電梯遠程監(jiān)控信號——電梯實時運行信號和轎廂音視頻信號的特點，分別進行數(shù)據(jù)采集，并由3G網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)分別進行數(shù)據(jù)傳輸，不但提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，節(jié)約了監(jiān)控系統(tǒng)的運行費用，而且還可以根據(jù)監(jiān)控終端的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸方式，提高了系統(tǒng)的適用性。該系統(tǒng)作為公司開發(fā)的新一代高速電梯的一個重要組成部分，已在多個項目中得到應(yīng)用，實際應(yīng)用效果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)具有較好的適用性和推廣價值。下一步的研究是對該系統(tǒng)與電梯群控系統(tǒng)的功能做進一步整合，例如利用該系統(tǒng)采集的轎廂視頻信號對轎廂內(nèi)的乘客人數(shù)進行視頻識別，將結(jié)果提供給電梯群控系統(tǒng)，提高群控調(diào)度的效果。

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