基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

(重慶博通水利信息網(wǎng)絡(luò)有限公司，重慶 401121)

進(jìn)入20世紀(jì)以后，各個行業(yè)飛速發(fā)展，其中最引人注目的當(dāng)屬建筑行業(yè)。隨著建筑行業(yè)的興起，一座座高樓拔地而起。而電梯作為高樓的主要代步工具，數(shù)量急劇增長，其在運(yùn)行過程中的安全性得到了空前關(guān)注。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，當(dāng)前電梯發(fā)生安全事故的總數(shù)占重大特種設(shè)備事故總數(shù)的25%[1]。因此，對電梯進(jìn)行有效的實時安全監(jiān)控，可以確保在故障發(fā)生時及時排除故障，降低運(yùn)行風(fēng)險。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)分為兩大部分，即數(shù)據(jù)采集終端和電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集終端由三星S3C6410開發(fā)板作為主控模塊，外接各種傳感器模塊與Wi-Fi模塊。各個傳感器采集電梯運(yùn)行過程中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)由S3C6410主控模塊，通過無線Wi-Fi模塊傳輸至監(jiān)控平臺。監(jiān)控平臺對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理分析，并判斷電梯是否發(fā)生故障。電梯維修人員根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的處理結(jié)果及時對電梯進(jìn)行維修保障，避免重大安全事故的發(fā)生。

圖1 電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

2 數(shù)據(jù)采集端設(shè)計

數(shù)據(jù)采集端由CPU模塊、傳感器模塊、電源模塊、無線Wi-Fi模塊、存儲模塊等組成,如圖2所示。傳感器模塊由上下平層感應(yīng)器、上下極限感應(yīng)器、基站感應(yīng)器、門開關(guān)感應(yīng)器、加速度傳感器構(gòu)成。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計

Wi-Fi模塊選用rt3070 USB Wi-Fi無線網(wǎng)卡，該網(wǎng)卡符合IEEE 802.11n(Draft 2.0)，IEEE 802.11g，IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)，無線傳輸速率高達(dá)150 Mb/s。內(nèi)置智能天線，提供更好的無線傳輸性能、穩(wěn)定性和無線覆蓋范圍。同時采用CCA技術(shù)，能自動避開頻道干擾并充分利用頻道捆綁優(yōu)勢。該產(chǎn)品支持64/128/152位WEP加密，以及WPA/WPA2，WPA-PSK/WPA2-PSK等高級加密與安全機(jī)制。同時，具有QSS快速安全設(shè)置功能，能夠輕松設(shè)置無線安全。此外，該產(chǎn)品具有優(yōu)先級服務(wù)功能，確保視頻、語音等帶寬敏感數(shù)據(jù)的優(yōu)先處理。

為了使用該Wi-Fi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，必定要完成該Wi-Fi模塊的驅(qū)動移植。首先進(jìn)入Linux內(nèi)核文件夾,使用make menuconfig來配置內(nèi)核，分別配置如下：

Networking support

_*_ Wireless --->

<*> cfg80211 - wireless configuration API

<*>Generic IEEE 802.11 NetWorking Stack (mac80211)

Library routines

{*} CRC-CCITT functions

Device Drivers --->
[*] Wireless LAN --->

<*> IEEE 802.11 for Host AP(Prism2/2.5/3 and WEP/TKIP/CCMP
[*]Support downloading firmware images with Host AP driver
[*]Support for non-volatile firmware download
Ralink driver support --->
Ralink rt27xx/rt28xx/rt30xx(USB)support

緊接著使用make uImage重新編譯內(nèi)核，使用make modules重新編譯模塊，生成如圖3所示的驅(qū)動模塊。

圖3 驅(qū)動模塊

將圖3中生成的4個.ko文件拷入S3C6410的文件系統(tǒng)中并使用insmod命令加載這些驅(qū)動，從而完成無線網(wǎng)卡驅(qū)動的移植。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺設(shè)計

3.1 Socket通信

在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集終端采集數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控平臺供其處理分析。采集終端相當(dāng)于客戶端，而監(jiān)控平臺相當(dāng)于服務(wù)器端。服務(wù)器端設(shè)立服務(wù)，然后進(jìn)入循環(huán)接收和處理請求。客戶端連接到服務(wù)器，然后發(fā)送、接受或者交換數(shù)據(jù)，最后退出。兩者以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)，采用Socket通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。

Socket是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API,是一種非常特殊的I/O數(shù)據(jù)傳輸方式。Socket也可以看成是一個文件描述符,它具有一個與打開文件函數(shù)open功能類似的API, 調(diào)用該API會返回一個整型的Socket描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^該Socket實現(xiàn)的[2]。

常用的數(shù)據(jù)傳輸方式分為兩種：TCP傳輸和UDP傳輸。TCP傳輸方式是一種可靠的傳輸方式。當(dāng)使用這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，必須保證客戶端與服務(wù)器端建立可靠有效的連接。TCP傳輸就好比兩人打電話，兩人之間必須存在著一條不中斷的線路，信息沒有傳達(dá)給對方，對方則會等待，除非對方直接掛電話。而UDP傳輸方式是一種不可靠的傳輸方式，它只是單純地把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，在發(fā)送之前不用在客戶端與服務(wù)器端建立一個連接，故不能保證數(shù)據(jù)能夠順利地到達(dá)目的地。針對這兩種傳輸方式Socket通信分為兩種類型：流式Socket (SOCK_STREAM)和數(shù)據(jù)報式Socket(SOCK_DGRAM)。流式是一種面向連接的Socket，針對于面向連接的TCP服務(wù)應(yīng)用[3]；數(shù)據(jù)報式Socket是一種無連接的Socket，對應(yīng)于無連接的UDP服務(wù)應(yīng)用。

本系統(tǒng)中電梯的狀態(tài)信息必須安全可靠地傳送至監(jiān)控平臺，故采用流式Socket。該交互過程主要包含以下3個操作，即服務(wù)器設(shè)立服務(wù)、客戶連接到服務(wù)器、服務(wù)器和客戶處理事務(wù)，如圖4所示。

圖4 客戶、服務(wù)器交互中的主要步驟

下面將具體討論通信過程中的相應(yīng)操作。

操作1：建立遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(服務(wù)器)端socket。

1)創(chuàng)建1個Socket

iSocketServer = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)

其中：AF_INET表示ipv4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簇；SOCK_STREAM表示采用TCP傳輸方式；0是默認(rèn)值。

2)給Socket綁定1個地址

iRet = bind(iSocketServer, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr))

其中：iSocketServer是由(1)得到的Socket描述符；tSocketServerAddr是一個指向包含有監(jiān)控平臺IP地址及端口號等信息的sockaddr類型的指針；sizeof(struct sockaddr)表示sockaddr這個結(jié)構(gòu)體類型的大小。

3)監(jiān)聽接入請求

iRet = listen(iSocketServer, BACKLOG)

其中：iSocketServer是由(1)得到的Socket描述符；BACKLOG表示請求訪問的客戶端的最大數(shù)目。

4)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待客戶端的連接

iSocketClient = accept(iSocketServer, (struct sockaddr *)&tSocketClientAddr, &iAddrLen)

其中：SocketServer是由(1)得到的Socket描述符；tSocketClientAddr是一個指向包含有數(shù)據(jù)采集終端的IP地址及端口號等信息的sockaddr類型的指針；iAddrLen是sockaddr類型的大小。

操作2：建立數(shù)據(jù)采集終端(客戶端)到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(服務(wù)器)端的連接。

1)創(chuàng)建1個Socket

iSocketClient = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

2)使用該Socket連接到服務(wù)器

iRet = connect(iSocketClient, (const struct sockaddr *)&tSocketServerAddr, sizeof(struct sockaddr))。

操作3：客戶/服務(wù)器的會話。

當(dāng)創(chuàng)建完數(shù)據(jù)采集終端與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的Socket后，兩者之間建立連接，接下來可以源源不斷地將數(shù)據(jù)采集終端采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。

iSendLen = send(iSocketClient, ucSendBuf, strlen(ucSendBuf), 0)

其中：iSocketClient是數(shù)據(jù)采集終端的socket描述符；ucSendBuf是要發(fā)送的電梯運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；strlen(ucSendBuf)是數(shù)據(jù)的大小；0是默認(rèn)值。

iRecvLen = recv(iSocketClient, ucRecvBuf, 999, 0)

其中：ucRecvBuf是接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；999表示接收緩沖區(qū)的大小。

當(dāng)所有的數(shù)據(jù)操作結(jié)束以后，可以調(diào)用close()函數(shù)來釋放該Socket，從而停止在該Socket上的任何數(shù)據(jù)操作[4]。

close(Sockfd)

其中，Sockfd為數(shù)據(jù)采集終端或遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的Socket描述符。

Socket通信的流程如圖5所示。

圖5 Socket通信

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺中起著舉足輕重的作用,監(jiān)控平臺接收采集終端發(fā)來的數(shù)據(jù)后，需要將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，便于平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理。本文采用MySQL作為監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)庫。

MySQL由瑞典MySQL AB設(shè)計，廣泛應(yīng)用于許多中小企業(yè)中。MySQL的開發(fā)基石是Linux操作系統(tǒng)，故MySQL數(shù)據(jù)庫也繼承了Linux操作系統(tǒng)免費開源的優(yōu)點。除此之外，該數(shù)據(jù)庫還具有以下優(yōu)點：

1)由C語言和C++語言編寫而成，在多種編譯環(huán)境下進(jìn)行測試，確保了源代碼的移植性；

2)為各種高級編程語言提供了相應(yīng)的API，適應(yīng)性廣；

3)支持多線程，使CPU得到充分的利用；

4)連接數(shù)據(jù)庫的方式多種多樣，如ODBC，TCP/IP，JDBC等。

基于以上優(yōu)點，可以看出MySQL能很好地滿足中小型企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的需求。同時，它的免費開源特性也使其擁有蓬勃的生命力。

使用MySQL時最主要的是對所要存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行表單設(shè)計，即把數(shù)據(jù)分類處理。本文需要設(shè)計的數(shù)據(jù)表單包括用戶表單、電梯監(jiān)控狀態(tài)信息表、電梯故障案例信息表等。以電梯監(jiān)控狀態(tài)信息表為例，設(shè)計表單結(jié)構(gòu)如表1所示。

監(jiān)控平臺以Socket進(jìn)行通信，以MySQL進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，其監(jiān)控界面如圖6所示。

表1 電梯監(jiān)控狀態(tài)信息表

圖6 電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 結(jié)語

本文設(shè)計的電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)能有效地對電梯的狀態(tài)信息進(jìn)行實時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)電梯隱患，確保電梯安全高效地運(yùn)行。經(jīng)測試，該系統(tǒng)具有良好的實用性，有一定的推廣價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王斌杰.電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2011.

[2] 王凱,孫立國,李世丹,等.信息化雷達(dá)遠(yuǎn)程顯控終端的設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息與電子工程,2011,9(01):12-16.

[3] 徐鳴鶴,冷春艷,熊鴻康.機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的組網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控的實現(xiàn)[J].機(jī)床與液壓,2011,39(12):85-88.

[4] 陳長輝.UNIX下Socket編程淺析[J].福建電腦,2011,27(2):161-162.