雷達(dá)監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

姚長鴻，夏鐘興

（杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，浙江　杭州　310000）

雷達(dá)監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

姚長鴻，夏鐘興

（杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，浙江杭州310000）

近年來電梯事故頻發(fā)，電梯的井道擠壓事件日益受到社會的關(guān)注.本文基于雷達(dá)監(jiān)測障礙物的敏感性，以電梯的安全性為切入點(diǎn)，從雷達(dá)監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用原理及雷達(dá)監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號采集模塊設(shè)計(jì)，特點(diǎn)之處是以雷達(dá)檢測為技術(shù)，將障礙物的檢測嵌入安全管理，給電梯的安全管理注入的新的觀點(diǎn).

電梯；安全設(shè)計(jì)；雷達(dá)監(jiān)測

基于雷達(dá)監(jiān)測原理，雷達(dá)監(jiān)控檢測技術(shù)主要由單片機(jī)CPU、雷達(dá)波震蕩發(fā)射傳感器、顯示屏和其他外圍電路及部分模擬電路組成.單片機(jī)CPU通過連接到總線的器件（CMOS、NMOS、PMOS、雙極性），邏輯0（低）和邏輯1（高）的電平不是固定的，它由電源VCC的相關(guān)決定，每傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位就產(chǎn)生一個(gè)脈沖.總線讀取MLX90615采集的雷達(dá)信號，將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的被測物體距離值并顯示在液晶屏上.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，雷達(dá)監(jiān)測距離0.5～1.5m間，準(zhǔn)確度達(dá)到了5厘米，實(shí)現(xiàn)了轎廂在井道內(nèi)行駛過程中的快速、準(zhǔn)確檢測障礙物的測量.本文介紹了一種基于I2C總線支持任何IC生產(chǎn)過程（NMOS CMOS、雙極性）.兩線―串行數(shù)據(jù)（SDA）和串行時(shí)鐘（SCL）線在連接到總線的器件間傳遞信息的安全設(shè)計(jì).

1　雷達(dá)監(jiān)測井道障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用的基本原理

井道障礙物雷達(dá)監(jiān)安全系統(tǒng)可以通過雷達(dá)的距離檢測井道是否存在異常障礙物，并將測量到的信息送入系統(tǒng)安全回路控制單元，安全回路根據(jù)所接收到的信息進(jìn)行轎廂是否正常行駛的安全判定，并向cpu發(fā)出動作指令.cpu根據(jù)接收的執(zhí)行信息啟動安全控制指令.

電梯轎廂主動安全系統(tǒng)如圖1所示.在轎廂的上下方裝有測距傳感器，用來對轎廂行駛區(qū)域障礙物的異常檢測，判斷轎廂與前方障礙物或障礙物之間距離，根據(jù)電梯額定輪速度，可測算出轎廂的安全報(bào)警距離，并在必要時(shí)觸發(fā)報(bào)警裝置、安全回路、曳引制動系統(tǒng)工作，發(fā)出制動執(zhí)行，同時(shí)該安全系統(tǒng)檢測出危險(xiǎn)距離進(jìn)行曳引減速控制.

2　雷達(dá)監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)電梯行駛區(qū)域的障礙物監(jiān)測存在盲區(qū)，只在軌道上下方有緩沖行程開關(guān)和極限開關(guān)，動態(tài)障礙物的主動監(jiān)測和非接觸式安全距離測量還存在盲區(qū)，主動雷達(dá)監(jiān)測井道障礙具有性能穩(wěn)定，反應(yīng)快速、智能誤小等優(yōu)點(diǎn).雷達(dá)監(jiān)測障礙是通過紅雷達(dá)震蕩器采集被測區(qū)域的距離并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，單片機(jī)CPU單元將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為控制信號并與電梯安全回路和顯示回路相通.給傳統(tǒng)電梯加裝上新的安全主動控制系統(tǒng)，不失為井道事故頻發(fā)、民生關(guān)注熱點(diǎn)時(shí)期對傳統(tǒng)電梯的技術(shù)革新，雷達(dá)障礙物主動監(jiān)測控制具有高精度、速度快、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，更符合現(xiàn)代社會對安全的心理需求.

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用雷達(dá)測距，雷達(dá)通過天線發(fā)射一個(gè)電磁波，電磁波在物體上反射雷達(dá)波束，并重新被雷達(dá)接收.在進(jìn)行可靠性數(shù)據(jù)采集時(shí)，要對被試系統(tǒng)各用電器安全回路、安全器件進(jìn)行全面的監(jiān)控和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)判斷，前提是：一是能夠從系統(tǒng)中獲得足夠多的可及測試節(jié)點(diǎn)但不能破壞被試系統(tǒng)完好性；二是信號模數(shù)轉(zhuǎn)換、出入接口必須連接可靠，能夠防止誤判和導(dǎo)致被試系統(tǒng)發(fā)生故障.按數(shù)據(jù)類型確定待測信號和采樣節(jié)點(diǎn)，并以電梯監(jiān)督檢驗(yàn)的實(shí)際距離要求，作為信號判斷依據(jù)，設(shè)計(jì)采樣連接器模數(shù)轉(zhuǎn)換分析軟件接入電路可獲取監(jiān)控所需的信號.原狀態(tài)下電梯用電器單元直接與電梯電線束連接形成工作回路，在不影響原電路工作的情況下獲得電路狀態(tài)參數(shù).構(gòu)建多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對各節(jié)點(diǎn)處的電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量和數(shù)據(jù)處理，便可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的障礙物的識別和定位.

雷達(dá)波測量距離是根據(jù)雷達(dá)發(fā)射信號和雷達(dá)接收信號間的時(shí)間來計(jì)算的，在直接反射時(shí)，波程傳播時(shí)間t，測量距離s則為vt除以2，即vt/2，.其中波速為光速c=300000km/s時(shí)，所以s為可測算值.

圖1　雷達(dá)監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)安裝示意圖

雷達(dá)監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的作用依據(jù)雷達(dá)震蕩波的原理進(jìn)行距離測量.主要由單片機(jī)CPU、雷達(dá)波接受傳感器、顯示屏和其他外圍電路及部分模擬電路組成.其設(shè)計(jì)圖如圖2所示.當(dāng)系統(tǒng)處于工作時(shí)，雷達(dá)接受裝置將采集到的雷達(dá)波轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號.單片機(jī)CPU將采集的數(shù)字信號經(jīng)過運(yùn)算后，顯示出距離值，并給控制室發(fā)出警示蜂鳴器鳴叫，同時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)極值時(shí)將信號反饋給安全回路，發(fā)出停機(jī)指令.

圖2　雷達(dá)監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)原理圖

4　信號采集部分

傳感器將采集到的雷達(dá)信號轉(zhuǎn)化為電信號，并經(jīng)過低噪聲放大器放大后送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器.模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號經(jīng)濾波器低通濾波器調(diào)理后送入數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器對數(shù)字信號運(yùn)算處理后輸出測量結(jié)果并保存在通過SMBus或PWM方式供單片機(jī)CPU單元讀取.此系統(tǒng)是主動安全系統(tǒng)的核心，當(dāng)中央處理單元通過分析計(jì)算確定前方存在障礙物隱患時(shí)，便會啟動警報(bào)，采取減速操作；當(dāng)障礙物在危險(xiǎn)距離內(nèi)，轎廂沒有有效制停，則主機(jī)關(guān)閉電源.

5　微處理單片機(jī)CPU

傳感器部分采用單片機(jī)8051F020系列.該控制器具有高速可靠、低功耗、寬溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制、手持設(shè)備等場合.多通用I/O引腳、A/D轉(zhuǎn)換器等通信接口，能夠滿足雷達(dá)監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用要求.它對信息采集單元收集到的各種信息進(jìn)行分析計(jì)算，并對轎廂危險(xiǎn)或安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識，當(dāng)距離達(dá)到極限值時(shí)輸出報(bào)警信號并通過安全回路控制自動使轎廂駐停.主要由距離傳感器、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和具有強(qiáng)大功能的DSP單元等組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖所示.

6　顯示和其他外圍設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)顯示部分采用基于LCD1602的液晶芯片通用設(shè)計(jì)，在DB0～DB7與cpu單片機(jī)連接，用于顯示用戶用電信息；P25、P26、P27、分別控制LCD1602的寄存器選擇輸入端RS、讀寫控制輸入端R/W、使能信號輸入端E；通過調(diào)節(jié)R58電阻值的大小來控制液晶顯示的對比度.

6.1LCD液晶顯示器是一種極低功耗的顯示器件液晶顯示屏具有功耗低、體積小、對比度可調(diào)、內(nèi)置字符發(fā)生器、易匹配處理器等優(yōu)點(diǎn).第1腳：VSS為接地電源；第2腳：VDD接5V正電源；第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對比度；第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇指令寄存器；第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作，當(dāng)RS和R/W同時(shí)為低電平時(shí)可以寫入指令或顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)；第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令；第7-14腳：D0—D7為8位雙向數(shù)據(jù)線；第15腳：背光源正極；第16腳：背光源負(fù)極.其他外圍輔助電路主要包括控制按鍵、報(bào)警電路、低功耗蜂鳴電路等部分.控制按鈕主要產(chǎn)生開/合的信號.

6.2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要包括：初始化模塊、按鍵檢測模塊、距離檢測模塊和液晶顯示模塊等.初始化模塊主要完成復(fù)位、通用I/O、中斷、定時(shí)器、I2C等初始化設(shè)置.按鍵檢測模塊主要是檢測按鍵是否按下，從而觸發(fā)外部中斷并執(zhí)行距離檢測功能.檢測模塊主要是按照I2C總線方式對數(shù)字傳感器進(jìn)行讀取操作，按預(yù)定的公式將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成轎廂距離的值，顯示在液晶屏上，方便觀察數(shù)據(jù).當(dāng)距離達(dá)到極限值時(shí)時(shí)，報(bào)警功能發(fā)出警示.

7　距離檢測模塊

該系統(tǒng)可以根據(jù)轎廂的實(shí)際速度設(shè)定幾個(gè)判斷距離.比如A為安全報(bào)警距離，B為強(qiáng)制減速距離C為強(qiáng)制制動距離，其中A≥B≥C.程序控制流程圖如圖所示.系統(tǒng)工作時(shí)，不停地計(jì)算轎廂與前障礙物的實(shí)際距離，當(dāng)實(shí)際距離小于安全報(bào)警距離A，時(shí)，蜂鳴器開始嗚叫，提醒cpu注意控制轎廂速度；當(dāng)實(shí)際距離小于B.時(shí)，系統(tǒng)開始實(shí)施強(qiáng)制減速，此時(shí)，轎廂速度有下降表現(xiàn)，如果隨著與障礙物的實(shí)際距離小于C時(shí)，該系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制制動措施.

微控制器單片機(jī)內(nèi)部集成了I2C串行接口，該設(shè)計(jì)采用兼容方式對MLX90615采集的雷達(dá)信號讀寫操作.主要包括讀取從地址、建立通訊協(xié)議、設(shè)置發(fā)射率、讀取被測物體數(shù)據(jù)、距離模數(shù)轉(zhuǎn)換等步驟，其程序流程在檢測模塊中對數(shù)字傳感器MLX90615進(jìn)行讀寫操作，首先從器件MLX90615讀取子地址（SMBus從動器地址默認(rèn)地址為5Bh）. MLX90615中發(fā)射率出廠設(shè)置為1.MLX90615的RAM單元07h地址存放的是被測物體的距離值，因此，按照I2C總線時(shí)序讀取多字節(jié)數(shù)據(jù). MLX90615中讀出的距離值轉(zhuǎn)換為實(shí)際距離.

電梯的安全距離由于現(xiàn)場和型號的差別，標(biāo)準(zhǔn)也有差異，同時(shí)隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，建立實(shí)時(shí)有效的數(shù)據(jù)庫十分必要.系統(tǒng)依托Microsoft SQL Server 2000，該管理系統(tǒng)能提供超大型系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)庫服務(wù)，具有不同問題發(fā)生的不同安全措施，Internet站點(diǎn)可將其數(shù)據(jù)分開存放在多臺服務(wù)器上，可以在一臺計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多個(gè)SQL Server 2000，該應(yīng)用程序通過Windows進(jìn)程間通訊（IPC）組件（例如共享內(nèi)存）而非通過網(wǎng)絡(luò)連接到SQL Server 2000.盡管每個(gè)服務(wù)器需分開管理，但組內(nèi)的各個(gè)服務(wù)器可共同分擔(dān)數(shù)據(jù)庫處理負(fù)荷.通過SQL Toolkit建立ODBC數(shù)據(jù)源，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)信息存取的操作，從而確保了系統(tǒng)的靈活性和通用性.

8　“互聯(lián)+”實(shí)際效果

掛接ZigBee無線傳感節(jié)點(diǎn)和GSM/GPRS模塊；建立web服務(wù)器和SQLite數(shù)據(jù)庫，接收、解析和存儲ZigBee節(jié)點(diǎn)采集的生理數(shù)據(jù)，控制GSM/GPRS進(jìn)行緊急呼救和短信發(fā)送；讓硬件智能化，提供自動距離功能，為管理部門和技術(shù)服務(wù)人員提供便利.

經(jīng)功能測試表明：

1.在通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋，測試電梯可以攜帶監(jiān)測設(shè)備；系統(tǒng)自動進(jìn)行距離監(jiān)測，數(shù)據(jù)傳輸和存儲.

2.系統(tǒng)能夠智能的分析數(shù)據(jù)并將結(jié)果以短信形式發(fā)送到監(jiān)管與技術(shù)人員手機(jī)上，同時(shí)能夠智能緊急呼叫.

3.管理者或技術(shù)人員可以使用電腦等其它管理模塊設(shè)備，通過瀏覽器訪問，查看存儲的故障數(shù)據(jù)信息，或者96333（杭州地區(qū)電梯故障監(jiān)控服務(wù)平臺）電話查詢現(xiàn)場情況.

通過性能測試表明：

設(shè)備智能工作.管理者可以實(shí)時(shí)收到故障數(shù)據(jù)短信提示，但受傳感器信號覆蓋范圍的影響（測試表明，兩個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)間可傳遞數(shù)據(jù)包的間隔距離上限為1.8米）.同時(shí)CPU設(shè)備存儲空間有限，存儲在SQLite數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)會每隔一段時(shí)間以數(shù)據(jù)包的形式通過GSM發(fā)送給管理者.

總體來說該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的故障監(jiān)測設(shè)備相比，具有易攜帶、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在未來的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)管和提高安全性能、提高應(yīng)急救援方面，有很大的市場前景.但系統(tǒng)依賴于強(qiáng)大的“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，工作主要性能是依托公共環(huán)境下無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的搭建研究，及物聯(lián)網(wǎng)終端模塊的設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)更大范圍、更實(shí)用的遠(yuǎn)程管理.

9　結(jié)束語

由于突發(fā)性的人員進(jìn)入轎廂井道行駛區(qū)域，容易造成人員擠壓傷，傳統(tǒng)的安全控制方式已經(jīng)不能完全解決電梯運(yùn)行中的危險(xiǎn)因素.此款設(shè)計(jì)的雷達(dá)監(jiān)測障礙在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用采用低功耗的ARM處理器和高精度的雷達(dá)震蕩波傳感器，簡化了硬件和軟件設(shè)計(jì)任務(wù).提高了電梯運(yùn)行中的安全系數(shù)，在未來“互聯(lián)網(wǎng)+”下，電梯安全方面具有廣泛的應(yīng)用前景.

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〔3〕Clive Alabaster（C·阿拉巴斯特（英）.脈沖多普勒雷達(dá)——原理、技術(shù)與應(yīng)用［M］.電子工業(yè)出版社，2016.

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1673-260X（2016）07-0162-03

2016-04-11