基于WiMAX技术组建无线电梯故障监测报警系统

　　0 引言

　　随着中国城市化进程的逐步推进，城市高层建筑数量持续增长，电梯已经成为城市垂直交通不可替代的运输工具[1]。据不完全统计，截至2013年底国内电梯安装总量已超过280万台，并且还在持续增长。近年来电梯事故频发，引起了社会各界对电梯运行安全的关注。究其原因，以往依托人力的电梯运行维护管理制度已无法适应电梯老龄化数量持续增长的现状，因此，迫切地需要一种先进有效的科学管理模式来保障电梯的安全运行。随着物联网技术的飞速发展及国家的大力支持，物联网技术得到了越来越多的应用[2]。电梯监控系统作为物联网的典型应用，为人们提供了一种更加有效的管理模式。采用物联网技术的电梯监测管理系统可以对电梯事故进行有效的预测、预报;对电梯故障进行快捷抢修，从而保证电梯安全有效地运行，降低电梯事故发生的频率，减少电梯事故损失[3]。

　　目前，行业专家对电梯监控系统进行了一系列研究，将以往的有线监控系统进行无线化改造并纳入物联网建设已成经为一种共识，传统的借助3G、WLAN等技术对电梯监控系统进行无线网络化改造的方案已经有了一定范围的应用，这些系统在发挥其重大作用的同时也暴露出了一些不足，如3G通信带宽相对较窄，音频、视频信号采集和实时传输能力不高，而且数据传输过程中会不断地产生资费，使用成本较高。WLAN技术通信带宽满足要求，但无线信号传输距离较短，相对可靠性不高。随着IEEE 802.16e和IEEE 802.16m移动WiMAX标准的确定，WiMAX技术由于其高接入速率，可提供基于IP的音频视频信号传输[4]，弥补了3G以及WLAN技术的不足，依托WIMAX技术建设的无线电梯监控系统能更好地适应该系统物联网改造的要求。

　　1 电梯监控报警系统介绍

　　电梯监控报警系统是以电梯检测技术为基础发展而来的电梯故障判断警示系统，早期电梯检测系统属于电梯运行控制系统的一部分，主要依托传感器对电梯运行中的轿厢质量、门机信号、平层信号、安全钳等各项状态参数实施采集，将数据反馈到控制端，用于控制电梯稳定运行。如今由于电梯故障诊断的需要，该系统发展逐步完善，增加了更多更先进的传感器，对电梯运行状态感知更加细致全面。电梯监控报警系统充分利用这一成果，结合现代通信技术，将一定区域内多部电梯的运行状态传输至一部监控计算机，由该计算机对电梯故障进行分析判断，及时反馈给电梯维保人员，保证电梯出现的异常状况能得到及时响应和处理。

　　1.1 WiMAX通信技术简介

　　WiMAX[5-8]是由IEEE(美国电气和电子工程师协会)推出的无线宽带标准，自2001年至今发布了802.16至802.16m多个版本。本系统采用IEEE802.16e标准，可支持固定和移动宽带无线接入，工作频段为2 GHz~6 GHz，双工方式为FDD(频分双工)和TDD(时分双工);非可视覆盖半径为km级，传输峰值可达75 Mb/s，支持全IP网络层协议及QoS技术，完全满足在小区内组建无线电梯监控通信网络的各项需求。

　　1.2 监控报警系统拓扑结构

　　本系统将嵌入式微型计算机技术、WiMAX无线通信技术、电梯故障检测技术、物联网技术相结合，将电梯故障监测报警终端与小区物业、维保公司、当地特检院及监控中心计算机联系起来，组成多级电梯监控报警及故障诊断网络，实现了电梯的集中监控管理。电梯业主可通过该系统实时监控电梯运行状态;维保公司可通过该系统调阅电梯运行参数远程判断故障类型，制定处理方案，组织维保工作;特检院等相关监管部门通过该系统提供的电梯运行状态及维护记录统计数据，有效监管电梯运行保障工作。该系统可提高电梯运行管理的现代化水平及电梯的维保工作质量。系统网络拓扑结构如图1所示。

　　电梯故障监测报警系统由电梯、监测终端、WiMAX基站、本地服务器、特检中心服务器、监控PC和智能手持终端组成。监测报警终端是系统底层的重要部件，监测终端连接一套传感器负责采集电梯运行参数，内设典型故障参考点，当电梯运行出现异常时，可自动或由乘客手动触发报警，申请建立语音视频传输通道，同时将故障状态参数上传，电梯正常运行时可接受本地和远程访问。WiMAX基站与小区本地服务器相连，负责组建小区无线局域宽带网络，为每个监控终端分配网络标识，接受终端入网请求，网络建立后负责接收各终端上传数据，并将数据中转至本地服务器。本地服务器负责将小区内每部电梯的各项参数统计整理存入本地数据库，提供本地和远程访问查询，同时通过互联网定期与特检中心服务器做数据同步。小区物业的监控PC负责监控局域网内电梯运行状况，当电梯故障时可响应电梯监控终端连接请求，建立语音视频通信，将电梯故障信息存入本地数据库，同时访问特检中心服务器，上传故障电梯运行参数申请故障诊断服务，收到诊断结果后立即通过短信发送给维保人员。特检中心服务器负责存储、统计、管理本地区所有电梯的故障信息，由于处理性能较强，可在其中安装电梯故障诊断软件，为全区所有电梯提供故障诊断服务，同时亦可架设专用网站，提供相关人员查询电梯、运维工作、检验工作的信息。

　　1.3 监控报警终端硬件组成

　　电梯监控报警终端是系统前端硬件核心部件，由嵌入式ARM计算机、数据采集模块、无线通信模块、控制模块、多媒体模块和供电模块组成，如图2所示。

　　1.3.1 主控计算机

　　主控计算机采用以全志A20芯片为核心的工控单板机，CPU采用ARM Cortex-A7架构、具有1 GHz主频的双核32位低功耗微处理器，板载外围硬件资源包括1 GB运行内存、4 GB NAND Flash存储器、5路全双工串口、2路IIC接口、1路SPI接口、2路10位ADC转换接口以及多路通用输入输出接口，可外接多种传感器以及无线通信模块。

　　1.3.2 采集模块

　　采集模块由分布安装在电梯各部位的多个传感器组成，传感器独立于电梯控制系统，主要用于电梯关键部位运行参数采集。传感器包括加速度传感器、称重传感器、震动信号传感器、平层信号传感器和门机信号传感器等，这些传感器通过信号电缆连接监测报警终端，实时采集电梯运行状态参数。

　　1.3.3 多媒体模块

　　多媒体模块由14英寸LCD液晶屏、音频功放、扬声器、驻极体话筒以及摄像头组成。电梯正常运行时，多媒体模块可播放乘坐电梯相关知识的宣传短片，也可播放多媒体广告，广告投放获取收入可抵消系统运维成本;当电梯故障时，多媒体模块可作为报警救援视频电话，采集传输电梯内部的音视频信号，为被困人员提供帮助。

　　1.3.4 供电模块

　　供电模块由主电源与备用电源组成，主电源为AC150-220 V宽压输入DC12V5A输出开关电源，备用电源为12V7Ah铅酸蓄电池与充放电管理电路组成的不间断电源模块，可保证系统断电后运行1 h。

　　1.3.5 WiMAX通信模块

　　本系统借助WiMAX无线宽带技术组网通信，通信模块选用Intel Centrino Advanced-N+WiMAX 6250无线网卡，此网卡遵循IEEE802.16e Wave2协议，工作在3.5 GHz频段，上行传输带宽为6 Mb/s，下行传输带宽为20 Mb/s，采用Mini PCI-E半高卡设计，通信接口为USB2.0，由Intel官方提供Linux系统及Windows系统驱动程序。

　　1.3.6 射频卡读写模块

　　电梯运行维护及管理人员配有身份识别卡，用于记录电梯的日常维护日志，内容包括维护开始时间、结束时间以及维护、管理人员的身份信息。此设备采用RFID射频识别技术，读卡器模块选用明泰MRF-35-MEM非接触式IC卡读卡器，读写卡类型符合MIFARE标准，读写频率为13.56 MHz，通信接口为RS232，通信频率采用115 200 b/s。

　　1.4 WiMAX无线网络架设

　　IEEE802.16标准中规定了PMP(点对多点)以及Mesh(网格网)两种标准组网方式[9-10]，由于本系基站覆盖半径要求不大，入网终端数量较少，并且终端类型为固定式，选择更为合适的PMP组网方式。完整的WiMAX网络体系结构由核心网、基站、用户基站、接力站、用户终端设备和网管组成，本系统的应用环境所需的信号覆盖半径在1 km左右，远低于标准中的50 km，因此可将组网结构进行简化，如图3所示。

　　只需在小区的中心建筑高点布置一个图3所示的一体化WiMAX基站，电梯监控终端直接与该基站相连组网，只在少部分信号盲区架设小型WiMAX无线AP做信号中继，即可实现小区内所有电梯监控终端的网络覆盖。WiMAX基站通过网线将终端上传数据传输给小区监控服务器，由专门的处理软件负责数据提取、分析、整理和存储等工作。小区服务器通过运营商网络连接特检院服务器，执行定期数据同步，申请故障分析诊断服务以及其他必要工作。

　　2 系统软件

　　本系统软件包括终端软件以及监控计算机软件两部分，程序设计均采用OS(操作系统)+APP(应用程序)的模式，终端OS采用去除图形界面的Linux操作系统，APP软件基于跨平台C++应用程序框架QT开发。监控计算机操作系统采用Windows 8，APP基于Windows下的可视化编程环境Delphi开发。

　　2.1 终端应用程序

　　终端应用程序按照实际功能可划分为数据采集处理、通信、事件判断处理和多媒体播放4个主要模块，如表1所示。

　　数据采集模块主要针对电梯运行状态参数进行采集整理。为保证数据传输的可靠性与实时性，文本数据设计使用TCP协议传输，音、视频数据设计使用基于UDP之上的RTCP协议传输。事件判断处理主要针对传感器数据进行分析，与内置正常参数比对，根据数据异常类型判断故障类型，触发报警并上传故障参数，此外还接受远程访问以及命令解析执行。多媒体播放模块则负责音、视频文件解码播放。

　　2.2 监控计算机应用程序

　　监控计算机应用程序按照功能可划分为通信、数据处理、事物处理和人机交互界面4个模块，如表2所示。

　　通信模块包含4个部分：(1)通过TCP协议接收终端上传的数据包，发送指令实现监控计算机与终端的远程交互;(2)通过RTCP协议接收终端视频电话数据流，并发布广告文件更新;(3)紧急情况如需专家会诊，可通过IP电话建立多方语音通信;(4)将必要电梯状态通过文字短信发送至救援或维保人员手机。数据处理模块对终端上传数据包进行解包提取，对应不同终端的多项数据进行分类，添加时间信息存入本地数据库。事物处理模块将终端数据与预存正常参考数据进行比对，判断警情，如有异常则触发报警机制，电话短信通知相关人员，上传故障参数至特检中心服务器申请故障诊断服务，并定期将本地数据库与特检中心数据库同步。人机交互界面则模拟显示电梯状态、轿厢画面，提供数据库检索窗口供相关人员查询。

　　3 结论

　　WiMAX作为一种基于开放标准的城域网技术，相比WIFI技术能在更广阔的地域范围提供无线宽带连接，在非可视距离达km级范围内需要组建高带宽无线局域网络的场合具备无可比拟的优势，借助此技术搭建的无线电梯故障监测报警系统安装布设方便，灵活性以及可维护性较高。该系统为现阶段进入使用寿命中后期老龄化电梯的物联网改造提供了一种解决方案。