摘 要： 針電梯安全運行遠程無線監測的實際需要，結合WiMAX無線網絡帶寬高、傳輸速度快和覆蓋范圍廣的優點，借助WiMAX通信技術搭建了一套電梯無線故障監測報警系統，該系統綜合了電梯故障監測、困人報警通信及電梯相關信息管理等功能。對系統的設計思路及組成結構進行了詳細的介紹，并重點說明了監控報警終端的設計過程。該系統為現階段進入使用壽命中后期老齡化電梯的物聯網改造提供了一種解決方案。
0 引言
隨著中國城市化進程的逐步推進，城市高層建筑數量持續增長，電梯已經成為城市垂直交通不可替代的運輸工具[1]。據不完全統計，截至2013年底國內電梯安裝總量已超過280萬臺，并且還在持續增長。近年來電梯事故頻發，引起了社會各界對電梯運行安全的關注。究其原因，以往依托人力的電梯運行維護管理制度已無法適應電梯老齡化數量持續增長的現狀，因此，迫切地需要一種先進有效的科學管理模式來保障電梯的安全運行。隨著物聯網技術的飛速發展及國家的大力支持，物聯網技術得到了越來越多的應用[2]。電梯監控系統作為物聯網的典型應用，為人們提供了一種更加有效的管理模式。采用物聯網技術的電梯監測管理系統可以對電梯事故進行有效的預測、預報；對電梯故障進行快捷搶修，從而保證電梯安全有效地運行，降低電梯事故發生的頻率，減少電梯事故損失[3]。
目前，行業專家對電梯監控系統進行了一系列研究，將以往的有線監控系統進行無線化改造并納入物聯網建設已成經為一種共識，傳統的借助3G、WLAN等技術對電梯監控系統進行無線網絡化改造的方案已經有了一定范圍的應用，這些系統在發揮其重大作用的同時也暴露出了一些不足，如3G通信帶寬相對較窄，音頻、視頻信號采集和實時傳輸能力不高，而且數據傳輸過程中會不斷地產生資費，使用成本較高。WLAN技術通信帶寬滿足要求，但無線信號傳輸距離較短，相對可靠性不高。隨著IEEE 802.16e和IEEE 802.16m移動WiMAX標準的確定，WiMAX技術由于其高接入速率，可提供基于IP的音頻視頻信號傳輸[4]，彌補了3G以及WLAN技術的不足，依托WIMAX技術建設的無線電梯監控系統能更好地適應該系統物聯網改造的要求。
1 電梯監控報警系統介紹
電梯監控報警系統是以電梯檢測技術為基礎發展而來的電梯故障判斷警示系統，早期電梯檢測系統屬于電梯運行控制系統的一部分，主要依托傳感器對電梯運行中的轎廂質量、門機信號、平層信號、安全鉗等各項狀態參數實施采集，將數據反饋到控制端，用于控制電梯穩定運行。如今由于電梯故障診斷的需要，該系統發展逐步完善，增加了更多更先進的傳感器，對電梯運行狀態感知更加細致全面。電梯監控報警系統充分利用這一成果，結合現代通信技術，將一定區域內多部電梯的運行狀態傳輸至一部監控計算機，由該計算機對電梯故障進行分析判斷，及時反饋給電梯維保人員，保證電梯出現的異常狀況能得到及時響應和處理。
1.1 WiMAX通信技術簡介
WiMAX[5-8]是由IEEE（美國電氣和電子工程師協會）推出的無線寬帶標準，自2001年至今發布了802.16至802.16m多個版本。本系統采用IEEE802.16e標準，可支持固定和移動寬帶無線接入，工作頻段為2 GHz~6 GHz，雙工方式為FDD（頻分雙工）和TDD（時分雙工）；非可視覆蓋半徑為km級，傳輸峰值可達75 Mb/s，支持全IP網絡層協議及QoS技術，完全滿足在小區內組建無線電梯監控通信網絡的各項需求。
1.2 監控報警系統拓撲結構
本系統將嵌入式微型計算機技術、WiMAX無線通信技術、電梯故障檢測技術、物聯網技術相結合，將電梯故障監測報警終端與小區物業、維保公司、當地特檢院及監控中心計算機聯系起來，組成多級電梯監控報警及故障診斷網絡，實現了電梯的集中監控管理。電梯業主可通過該系統實時監控電梯運行狀態；維保公司可通過該系統調閱電梯運行參數遠程判斷故障類型，制定處理方案，組織維保工作；特檢院等相關監管部門通過該系統提供的電梯運行狀態及維護記錄統計數據，有效監管電梯運行保障工作。該系統可提高電梯運行管理的現代化水平及電梯的維保工作質量。系統網絡拓撲結構如圖1所示。
電梯故障監測報警系統由電梯、監測終端、WiMAX基站、本地服務器、特檢中心服務器、監控PC和智能手持終端組成。監測報警終端是系統底層的重要部件，監測終端連接一套傳感器負責采集電梯運行參數，內設典型故障參考點，當電梯運行出現異常時，可自動或由乘客手動觸發報警，申請建立語音視頻傳輸通道，同時將故障狀態參數上傳，電梯正常運行時可接受本地和遠程訪問。WiMAX基站與小區本地服務器相連，負責組建小區無線局域寬帶網絡，為每個監控終端分配網絡標識，接受終端入網請求，網絡建立后負責接收各終端上傳數據，并將數據中轉至本地服務器。本地服務器負責將小區內每部電梯的各項參數統計整理存入本地數據庫，提供本地和遠程訪問查詢，同時通過互聯網定期與特檢中心服務器做數據同步。小區物業的監控PC負責監控局域網內電梯運行狀況，當電梯故障時可響應電梯監控終端連接請求，建立語音視頻通信，將電梯故障信息存入本地數據庫，同時訪問特檢中心服務器，上傳故障電梯運行參數申請故障診斷服務，收到診斷結果后立即通過短信發送給維保人員。特檢中心服務器負責存儲、統計、管理本地區所有電梯的故障信息，由于處理性能較強，可在其中安裝電梯故障診斷軟件，為全區所有電梯提供故障診斷服務，同時亦可架設專用網站，提供相關人員查詢電梯、運維工作、檢驗工作的信息。
1.3 監控報警終端硬件組成
電梯監控報警終端是系統前端硬件核心部件，由嵌入式ARM計算機、數據采集模塊、無線通信模塊、控制模塊、多媒體模塊和供電模塊組成，如圖2所示。
1.3.1 主控計算機
主控計算機采用以全志A20芯片為核心的工控單板機，CPU采用ARM Cortex-A7架構、具有1 GHz主頻的雙核32位低功耗微處理器，板載外圍硬件資源包括1 GB運行內存、4 GB NAND Flash存儲器、5路全雙工串口、2路IIC接口、1路SPI接口、2路10位ADC轉換接口以及多路通用輸入輸出接口，可外接多種傳感器以及無線通信模塊。
1.3.2 采集模塊
采集模塊由分布安裝在電梯各部位的多個傳感器組成，傳感器獨立于電梯控制系統，主要用于電梯關鍵部位運行參數采集。傳感器包括加速度傳感器、稱重傳感器、震動信號傳感器、平層信號傳感器和門機信號傳感器等，這些傳感器通過信號電纜連接監測報警終端，實時采集電梯運行狀態參數。
1.3.3 多媒體模塊
多媒體模塊由14英寸LCD液晶屏、音頻功放、揚聲器、駐極體話筒以及攝像頭組成。電梯正常運行時，多媒體模塊可播放乘坐電梯相關知識的宣傳短片，也可播放多媒體廣告，廣告投放獲取收入可抵消系統運維成本；當電梯故障時，多媒體模塊可作為報警救援視頻電話，采集傳輸電梯內部的音視頻信號，為被困人員提供幫助。
1.3.4 供電模塊
供電模塊由主電源與備用電源組成，主電源為AC150-220 V寬壓輸入DC12V5A輸出開關電源，備用電源為12V7Ah鉛酸蓄電池與充放電管理電路組成的不間斷電源模塊，可保證系統斷電后運行1 h。
1.3.5 WiMAX通信模塊
本系統借助WiMAX無線寬帶技術組網通信，通信模塊選用Intel Centrino Advanced-N+WiMAX 6250無線網卡，此網卡遵循IEEE802.16e Wave2協議，工作在3.5 GHz頻段，上行傳輸帶寬為6 Mb/s，下行傳輸帶寬為20 Mb/s，采用Mini PCI-E半高卡設計，通信接口為USB2.0，由Intel官方提供Linux系統及Windows系統驅動程序。
1.3.6 射頻卡讀寫模塊
電梯運行維護及管理人員配有身份識別卡，用于記錄電梯的日常維護日志，內容包括維護開始時間、結束時間以及維護、管理人員的身份信息。此設備采用RFID射頻識別技術，讀卡器模塊選用明泰MRF-35-MEM非接觸式IC卡讀卡器，讀寫卡類型符合MIFARE標準，讀寫頻率為13.56 MHz，通信接口為RS232，通信頻率采用115 200 b/s。
1.4 WiMAX無線網絡架設
IEEE802.16標準中規定了PMP（點對多點）以及Mesh（網格網）兩種標準組網方式[9-10]，由于本系基站覆蓋半徑要求不大，入網終端數量較少，并且終端類型為固定式，選擇更為合適的PMP組網方式。完整的WiMAX網絡體系結構由核心網、基站、用戶基站、接力站、用戶終端設備和網管組成，本系統的應用環境所需的信號覆蓋半徑在1 km左右，遠低于標準中的50 km，因此可將組網結構進行簡化，如圖3所示。
只需在小區的中心建筑高點布置一個圖3所示的一體化WiMAX基站，電梯監控終端直接與該基站相連組網，只在少部分信號盲區架設小型WiMAX無線AP做信號中繼，即可實現小區內所有電梯監控終端的網絡覆蓋。WiMAX基站通過網線將終端上傳數據傳輸給小區監控服務器，由專門的處理軟件負責數據提取、分析、整理和存儲等工作。小區服務器通過運營商網絡連接特檢院服務器，執行定期數據同步，申請故障分析診斷服務以及其他必要工作。
2 系統軟件
本系統軟件包括終端軟件以及監控計算機軟件兩部分，程序設計均采用OS（操作系統）+APP（應用程序）的模式，終端OS采用去除圖形界面的Linux操作系統，APP軟件基于跨平臺C++應用程序框架QT開發。監控計算機操作系統采用Windows 8，APP基于Windows下的可視化編程環境Delphi開發。
2.1 終端應用程序
終端應用程序按照實際功能可劃分為數據采集處理、通信、事件判斷處理和多媒體播放4個主要模塊，如表1所示。
數據采集模塊主要針對電梯運行狀態參數進行采集整理。為保證數據傳輸的可靠性與實時性，文本數據設計使用TCP協議傳輸，音、視頻數據設計使用基于UDP之上的RTCP協議傳輸。事件判斷處理主要針對傳感器數據進行分析，與內置正常參數比對，根據數據異常類型判斷故障類型，觸發報警并上傳故障參數，此外還接受遠程訪問以及命令解析執行。多媒體播放模塊則負責音、視頻文件解碼播放。
2.2 監控計算機應用程序
監控計算機應用程序按照功能可劃分為通信、數據處理、事物處理和人機交互界面4個模塊，如表2所示。
通信模塊包含4個部分：（1）通過TCP協議接收終端上傳的數據包，發送指令實現監控計算機與終端的遠程交互；（2）通過RTCP協議接收終端視頻電話數據流，并發布廣告文件更新；（3）緊急情況如需專家會診，可通過IP電話建立多方語音通信；（4）將必要電梯狀態通過文字短信發送至救援或維保人員手機。數據處理模塊對終端上傳數據包進行解包提取，對應不同終端的多項數據進行分類，添加時間信息存入本地數據庫。事物處理模塊將終端數據與預存正常參考數據進行比對，判斷警情，如有異常則觸發報警機制，電話短信通知相關人員，上傳故障參數至特檢中心服務器申請故障診斷服務，并定期將本地數據庫與特檢中心數據庫同步。人機交互界面則模擬顯示電梯狀態、轎廂畫面，提供數據庫檢索窗口供相關人員查詢。
3 結論
WiMAX作為一種基于開放標準的城域網技術，相比WIFI技術能在更廣闊的地域范圍提供無線寬帶連接，在非可視距離達km級范圍內需要組建高帶寬無線局域網絡的場合具備無可比擬的優勢，借助此技術搭建的無線電梯故障監測報警系統安裝布設方便，靈活性以及可維護性較高。該系統為現階段進入使用壽命中后期老齡化電梯的物聯網改造提供了一種解決方案。
參考文獻
[1] 張廣明，蔡龍，王靜.南京市城市電梯監測報警管理系統的設計與應用[J].現代城市研究，2001（5）：51-53.
[2] 彭龑，周成松.基于物聯網的功率檢測系統的設計[J].機械設計與制造，2013（1）：14-16.
[3] 黃勤陸，陽巍，肖甘.物聯網技術在電梯監測報警管理系統的應用[J].制造業自動化，2013（2）：36-39.
[4] 張帆.基于移動WiMAX的災害應急寬帶可視化通信系統研究[J].計算機與現代化，2013（2）：210-212.
[5] 田韜，張新程，周曉津，等.WiMAX無線網絡技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2009.
[6] WiMAX論壇.遠程模式白皮書[EB/OL].（2009-04-20）[2013-12-01]. http：//resources.wimaxforum.org/resources/documents/marketing/whitepapers.
[7] 郎為民，祁向宇，宋姍姍，等.WiMAX應用研究[J].數字通信世界，2010（8）：38-41.
[8] 董曉魯，沈嘉.WiMAX技術、標準與應用[M].北京：人民郵電出版社，2007.
[9] 鄔偉峰.基于WiMAX的視頻監控系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2010.
[10] IEEE Std802.16e.IEEE standard for local and metropolitan area networks-part 16： air interface for fixed broadband wireless sccess systems[S]. 2005.