基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

吳熠銘林創(chuàng)魯李昌黃可嘉胡勝文

（1.廣東省自動(dòng)化研究所 2.廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院）

基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

吳熠銘1林創(chuàng)魯2李昌1黃可嘉1胡勝文2

（1.廣東省自動(dòng)化研究所 2.廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院）

電梯的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是提升電梯安全監(jiān)管水平的重要手段。本文介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的電梯運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)客戶端、監(jiān)測(cè)服務(wù)器和短信服務(wù)器3個(gè)主要軟件模塊。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯的運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)將故障告警信息發(fā)送到指定的手機(jī)終端。試驗(yàn)表明：系統(tǒng)軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，報(bào)警及時(shí)有效。

物聯(lián)網(wǎng)；電梯安全；實(shí)時(shí)監(jiān)控；故障報(bào)警；短信

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，電梯保有量迅猛增長(zhǎng)，截至2012年底，我國(guó)電梯保有量已近240萬(wàn)臺(tái)，預(yù)計(jì)在未來(lái)10年年均增速超過(guò)20%。電梯的安全運(yùn)行事關(guān)公共安全，一直是電梯行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。目前，電梯的安全保障主要靠維保單位的定期維修保養(yǎng)和電梯檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的定期檢驗(yàn)。在電梯數(shù)量龐大、維護(hù)管理人手緊缺的狀況下，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)電梯故障并采取有效的措施加以處理，成為電梯使用單位、監(jiān)管部門和維護(hù)保養(yǎng)單位必須共同應(yīng)對(duì)的課題[1]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用嵌入式、智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)對(duì)電梯關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行采集、處理和監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警[2-3]。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

電梯運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)安裝在電梯外圍的傳感器采集電梯運(yùn)行狀態(tài)信息，經(jīng)處理、判斷和識(shí)別獲得電梯的故障信息，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在電梯發(fā)生緊急情況時(shí)向預(yù)先設(shè)定的手機(jī)終端發(fā)送報(bào)警信息。電梯運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電梯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)平臺(tái)和客戶端應(yīng)用程序4部分組成。

電梯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀（簡(jiǎn)稱監(jiān)測(cè)儀）采集電梯運(yùn)行信號(hào)，通過(guò)特征提取、判斷和識(shí)別獲得電梯的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)GPRS/EDGE/3G等無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接入Internet，并與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)建立鏈接，接收處理監(jiān)測(cè)平臺(tái)的控制命令，并將電梯運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及故障信息發(fā)往監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要包括電梯監(jiān)測(cè)服務(wù)器和短信服務(wù)器，前者主要處理電梯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀的連接請(qǐng)求、命令控制、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析和存儲(chǔ)等；短信服務(wù)器通過(guò)GSM Modem將運(yùn)行狀態(tài)和告警信息發(fā)送到設(shè)定的手機(jī)終端并記錄；客戶端為用戶操作界面，主要實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)查看、電梯信息管理、歷史數(shù)據(jù)查詢和分析統(tǒng)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

作為用戶即時(shí)了解電梯運(yùn)行安全狀態(tài)的信息平臺(tái)，電梯運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)軟件起著至關(guān)重要的作用。特別是當(dāng)電梯發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)發(fā)送報(bào)警短信到指定人員手機(jī)上，以便相關(guān)人員及時(shí)采取有效措施。當(dāng)發(fā)生困人時(shí)可提高電梯安全應(yīng)急救援速度，避免或降低事故損失。

2 電梯運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的事務(wù)處理能力，監(jiān)測(cè)軟件采用C/S模式，使用C#語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual Studio .NET 2010，數(shù)據(jù)庫(kù)選用具有更強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力的Microsoft SQL Server 2008，客戶端軟件與服務(wù)端數(shù)據(jù)通訊采用Windows通訊接口（windows communication foundation，WCF）。

監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控采集存儲(chǔ)、故障短信報(bào)警和用戶操作的人機(jī)界面。該軟件分為客戶端、監(jiān)測(cè)服務(wù)器和短信服務(wù)器3大模塊，系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊圖

3 關(guān)鍵模塊實(shí)現(xiàn)

3.1 電梯監(jiān)測(cè)服務(wù)器

電梯監(jiān)測(cè)服務(wù)器負(fù)責(zé)與多個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀通訊并采集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其程序流程圖如圖3所示。監(jiān)測(cè)服務(wù)器啟動(dòng)后進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，當(dāng)收到電梯狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀的連接請(qǐng)求時(shí)，接受請(qǐng)求并創(chuàng)建Socket連接，然后等待監(jiān)測(cè)儀主動(dòng)上傳注冊(cè)包（注冊(cè)包具有唯一性，包含監(jiān)測(cè)儀的相關(guān)信息，用于區(qū)分不同的監(jiān)測(cè)儀），如該注冊(cè)包與數(shù)據(jù)庫(kù)中已登記的監(jiān)測(cè)儀信息一致，則將該監(jiān)測(cè)儀加入會(huì)話列表，定時(shí)采集運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

在服務(wù)器Socket開(kāi)發(fā)中，使用.NET Framework 2.0下的IAsyncResult，Socket在每一次操作過(guò)程中都創(chuàng)建一個(gè)IAsyncResult上下文對(duì)象。但當(dāng)聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)儀數(shù)量較多，特別是數(shù)據(jù)通信頻繁時(shí)，大量的IAsyncResult對(duì)象被創(chuàng)建，將大大增加垃圾回收器的工作量，影響服務(wù)器的性能。為了解決這一問(wèn)題，筆者在服務(wù)器Socket開(kāi)發(fā)中，使用.NET Framework 3.5下的SocketAsyncEventArgs[4]，它不僅可重復(fù)使用，還封裝了I/O完成端口，實(shí)現(xiàn)了非阻塞IO，大大提升了服務(wù)器性能和吞吐量。

圖3 電梯監(jiān)測(cè)服務(wù)器流程圖

3.2 短信服務(wù)器

當(dāng)監(jiān)測(cè)儀識(shí)別到電梯發(fā)生故障時(shí)，必須及時(shí)通知使用單位電梯管理人員和維保人員，以便及時(shí)處理故障或展開(kāi)救援。短信服務(wù)器將電梯報(bào)警短信發(fā)送到指定人員手機(jī)上，同時(shí)接收短信回復(fù)。服務(wù)器使用GSM Modem作為收發(fā)短信設(shè)備，通過(guò)串口發(fā)送AT指令控制GSM Modem實(shí)現(xiàn)短信的收發(fā)，其流程如圖4所示。

AT指令收發(fā)短信主要有2種模式[5]：Text模式和協(xié)議數(shù)據(jù)單元（protocol data unit，PDU）模式。前者無(wú)須繁瑣的編碼解碼，使用簡(jiǎn)單，但存在不能收發(fā)中文內(nèi)容的不足；為了能向指定的手機(jī)終端發(fā)送電梯運(yùn)行狀態(tài)或告警信息，需要收發(fā)有中文內(nèi)容的短信，因此，采用PDU模式，選用UCS2編碼（UCS2是Unicode的一種，每個(gè)字符占用兩個(gè)字節(jié)）來(lái)發(fā)送中文短信。實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)的AT指令如表1所示。

圖4 短信服務(wù)器流程圖

表1 SMS AT指令

一個(gè)完整的PDU格式短信發(fā)送主要過(guò)程如下：

1) AT+CSCA? <回車> //獲取短信中心號(hào)碼；

2) PDU編碼：對(duì)短信中心號(hào)碼、接收號(hào)碼、短信內(nèi)容分別處理，然后再組合；

3) AT+CMGF=0<回車> //設(shè)置短信為PDU模式；

4) AT+CMGS= //發(fā)送。

3.3 監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)顯示

監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)顯示是供用戶查看電梯實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的可視化界面，用戶通過(guò)區(qū)域樹(shù)選擇需要查看的電梯，界面將顯示選中電梯的詳細(xì)信息，并顯示該梯的瞬時(shí)電壓值、瞬時(shí)電流值、電梯運(yùn)行狀態(tài)（正常、檢修、故障、停電）、電壓電流波形、電梯狀態(tài)動(dòng)畫(huà)。

監(jiān)測(cè)顯示的客戶端應(yīng)用程序通常分布在全國(guó)各地，而數(shù)據(jù)源則集中在監(jiān)測(cè)平臺(tái)的服務(wù)器上?？紤]數(shù)據(jù)訪問(wèn)的安全性和互操作性，采用面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)（service-oriented architecture，SOA）解決客戶端與服務(wù)端之間的數(shù)據(jù)交互。它可較好隔離服務(wù)的提供者與調(diào)用者之間的依賴，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的松散耦合。構(gòu)建SOA的應(yīng)用程序所需的消息平臺(tái)可使用WCF，其體系結(jié)構(gòu)如圖5所示[6]。WCF整合了.Net平臺(tái)下所有與分布式系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)，如ASP.NET Web服務(wù)、增強(qiáng)Web服務(wù)擴(kuò)展、.NET Remoting、企業(yè)服務(wù)和微軟消息隊(duì)列等，它支持的通信協(xié)議包括HTTP、TCP、命名管道和微軟消息隊(duì)列等。

監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序劃分為契約定義接口、服務(wù)實(shí)現(xiàn)類、宿主程序和客戶端程序4部分，見(jiàn)圖6。數(shù)據(jù)服務(wù)以互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)（internet information server，IIS）為宿主，公開(kāi)服務(wù)地址為http://IP/elevator/ main.svc。客戶端通過(guò)添加該服務(wù)引用生成WCF客戶端代理，應(yīng)用程序?qū)嵗疻CF客戶端代理后可通過(guò)該代理與服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

圖5 WCF體系結(jié)構(gòu)

圖6 WCF應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)

4 監(jiān)測(cè)軟件運(yùn)行結(jié)果

試驗(yàn)電梯型號(hào)：GreenMax，品牌：廣日電梯；額定載荷：1000 kg；載荷：空載。選取電梯正常上下行過(guò)程和電梯下行過(guò)程中急停操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。服務(wù)器數(shù)據(jù)采集運(yùn)行結(jié)果如圖7所示；1 Hz采樣頻率下的實(shí)時(shí)波形如圖8所示；50 Hz采樣頻率下的實(shí)時(shí)波形如圖9所示。

圖7 服務(wù)器數(shù)據(jù)采集運(yùn)行結(jié)果

圖8 1 Hz采樣頻率下的實(shí)時(shí)波形圖

圖9 50 Hz采樣頻率下的實(shí)時(shí)波形圖

電梯運(yùn)行中模擬故障急停，相應(yīng)實(shí)時(shí)波形如圖10所示。

圖10 電梯運(yùn)行中模擬故障急停的實(shí)時(shí)波形圖

故障急停發(fā)生后約2秒，系統(tǒng)預(yù)先指定的接收手機(jī)成功收到報(bào)警短信，如圖11所示。

圖11 手機(jī)收到的報(bào)警短信

5 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯運(yùn)行狀態(tài)并在電梯發(fā)生故障、檢修或停電時(shí)向指定的手機(jī)終端發(fā)送狀態(tài)信息的功能。本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警。試驗(yàn)表明，該監(jiān)測(cè)軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了電梯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示、故障短信報(bào)警、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)等功能。監(jiān)測(cè)軟件對(duì)提高電梯安全監(jiān)管水平起到積極作用，具有較高的推廣價(jià)值。

[1] 李中興,林創(chuàng)魯,邱東勇,等.基于STM32的電梯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與信息工程,2012,33(01):43-45.

[2] 李屹,張慧慧,鄭剛.電梯智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009,31(08):55-56,97.

[3] 張軍國(guó),賴小龍,楊睿茜,等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(15):169-172,173.

[4] Microsoft[EB/OL].http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ system.net.sockets.socketasynceventargs.aspx.

[5] 李壽林,張鷹,黃顯澍.基于GSM短消息的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,28(04):51-53.

[6] Microsoft[EB/OL].http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms 733128.aspx.

Design and Implementation of Elevator Safety Monitoring Software on the Internet of Things

Wu Yiming1Lin Chuanglu2Li Chang1Huang Kejia1Hu Shengwen2

(1.Guangdong Institute of Automation 2.Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

Real-time monitoring of the elevator is an important means to enhance the level of safety supervision of elevator. This paper introduces the safety monitoring system of elevator based on internet of things, development of system monitoring software, including client, monitoring server and the SMS server. The real-time status information of the elevator can be monitored and fault alarm information is sent to the specified mobile terminal timely. Experiments show that the system software is stable and reliable, effective.

M2M; Elevator Safety; Real-Time Monitoring; Fault Diagnosis; SMS

吳熠銘，男，1983年生，大專，研究方向：軟件工程。

林創(chuàng)魯，男，1983年生，碩士，助理研究員，研究方向：特種設(shè)備檢測(cè)與監(jiān)測(cè)。