基于物聯網的電梯運行安全監測軟件設計與實現*

吳熠銘林創魯李昌黃可嘉胡勝文

（1.廣東省自動化研究所 2.廣州市特種機電設備檢測研究院）

基于物聯網的電梯運行安全監測軟件設計與實現*

吳熠銘1林創魯2李昌1黃可嘉1胡勝文2

（1.廣東省自動化研究所 2.廣州市特種機電設備檢測研究院）

電梯的實時監測是提升電梯安全監管水平的重要手段。本文介紹了基于物聯網技術構建的電梯運行安全監測系統，設計了該系統客戶端、監測服務器和短信服務器3個主要軟件模塊。該系統能實時監測電梯的運行狀態，并及時將故障告警信息發送到指定的手機終端。試驗表明：系統軟件運行穩定可靠，報警及時有效。

物聯網；電梯安全；實時監控；故障報警；短信

0 引言

近年來，隨著我國經濟快速發展和城鎮化進程加快，電梯保有量迅猛增長，截至2012年底，我國電梯保有量已近240萬臺，預計在未來10年年均增速超過20%。電梯的安全運行事關公共安全，一直是電梯行業關注的重點。目前，電梯的安全保障主要靠維保單位的定期維修保養和電梯檢驗機構的定期檢驗。在電梯數量龐大、維護管理人手緊缺的狀況下，如何及時發現電梯故障并采取有效的措施加以處理，成為電梯使用單位、監管部門和維護保養單位必須共同應對的課題[1]。

基于物聯網的電梯運行安全監測系統，采用嵌入式、智能傳感、物聯網等技術對電梯關鍵信號進行采集、處理和監測，實現電梯運行狀態的實時監測和故障報警[2-3]。

1 基于物聯網的電梯運行安全監測系統

電梯運行安全監測系統是通過安裝在電梯外圍的傳感器采集電梯運行狀態信息，經處理、判斷和識別獲得電梯的故障信息，通過物聯網技術將數據傳輸至遠程監測平臺，實現電梯運行狀態的實時監測，并在電梯發生緊急情況時向預先設定的手機終端發送報警信息。電梯運行安全監測系統結構如圖1所示，主要由電梯運行狀態監測儀、數據傳輸網絡、監測平臺和客戶端應用程序4部分組成。

電梯運行狀態監測儀（簡稱監測儀）采集電梯運行信號，通過特征提取、判斷和識別獲得電梯的運行狀態，通過GPRS/EDGE/3G等無線通信網絡接入Internet，并與遠程監測平臺建立鏈接，接收處理監測平臺的控制命令，并將電梯運行狀態數據及故障信息發往監測平臺。

監測平臺主要包括電梯監測服務器和短信服務器，前者主要處理電梯運行狀態監測儀的連接請求、命令控制、監測數據解析和存儲等；短信服務器通過GSM Modem將運行狀態和告警信息發送到設定的手機終端并記錄；客戶端為用戶操作界面，主要實現電梯運行狀態實時查看、電梯信息管理、歷史數據查詢和分析統計。

圖1 系統結構圖

作為用戶即時了解電梯運行安全狀態的信息平臺，電梯運行安全監測軟件起著至關重要的作用。特別是當電梯發生故障時，自動發送報警短信到指定人員手機上，以便相關人員及時采取有效措施。當發生困人時可提高電梯安全應急救援速度，避免或降低事故損失。

2 電梯運行安全監測系統軟件設計

為了使系統具有較強的事務處理能力，監測軟件采用C/S模式，使用C#語言，開發環境為Visual Studio .NET 2010，數據庫選用具有更強數據處理能力的Microsoft SQL Server 2008，客戶端軟件與服務端數據通訊采用Windows通訊接口（windows communication foundation，WCF）。

監測軟件實現對電梯運行狀態的實時監控采集存儲、故障短信報警和用戶操作的人機界面。該軟件分為客戶端、監測服務器和短信服務器3大模塊，系統功能模塊圖如圖2所示。

圖2 監測系統功能模塊圖

3 關鍵模塊實現

3.1 電梯監測服務器

電梯監測服務器負責與多個遠程監測儀通訊并采集實時監測數據，其程序流程圖如圖3所示。監測服務器啟動后進入監聽狀態，當收到電梯狀態監測儀的連接請求時，接受請求并創建Socket連接，然后等待監測儀主動上傳注冊包（注冊包具有唯一性，包含監測儀的相關信息，用于區分不同的監測儀），如該注冊包與數據庫中已登記的監測儀信息一致，則將該監測儀加入會話列表，定時采集運行狀態數據。

在服務器Socket開發中，使用.NET Framework 2.0下的IAsyncResult，Socket在每一次操作過程中都創建一個IAsyncResult上下文對象。但當聯網的監測儀數量較多，特別是數據通信頻繁時，大量的IAsyncResult對象被創建，將大大增加垃圾回收器的工作量，影響服務器的性能。為了解決這一問題，筆者在服務器Socket開發中，使用.NET Framework 3.5下的SocketAsyncEventArgs[4]，它不僅可重復使用，還封裝了I/O完成端口，實現了非阻塞IO，大大提升了服務器性能和吞吐量。

圖3 電梯監測服務器流程圖

3.2 短信服務器

當監測儀識別到電梯發生故障時，必須及時通知使用單位電梯管理人員和維保人員，以便及時處理故障或展開救援。短信服務器將電梯報警短信發送到指定人員手機上，同時接收短信回復。服務器使用GSM Modem作為收發短信設備，通過串口發送AT指令控制GSM Modem實現短信的收發，其流程如圖4所示。

AT指令收發短信主要有2種模式[5]：Text模式和協議數據單元（protocol data unit，PDU）模式。前者無須繁瑣的編碼解碼，使用簡單，但存在不能收發中文內容的不足；為了能向指定的手機終端發送電梯運行狀態或告警信息，需要收發有中文內容的短信，因此，采用PDU模式，選用UCS2編碼（UCS2是Unicode的一種，每個字符占用兩個字節）來發送中文短信。實現短信收發的AT指令如表1所示。

圖4 短信服務器流程圖

表1 SMS AT指令

一個完整的PDU格式短信發送主要過程如下：

1) AT+CSCA? <回車> //獲取短信中心號碼；

2) PDU編碼：對短信中心號碼、接收號碼、短信內容分別處理，然后再組合；

3) AT+CMGF=0<回車> //設置短信為PDU模式；

4) AT+CMGS= //發送。

3.3 監測實時顯示

監測實時顯示是供用戶查看電梯實時運行狀態的可視化界面，用戶通過區域樹選擇需要查看的電梯，界面將顯示選中電梯的詳細信息，并顯示該梯的瞬時電壓值、瞬時電流值、電梯運行狀態（正常、檢修、故障、停電）、電壓電流波形、電梯狀態動畫。

監測顯示的客戶端應用程序通常分布在全國各地，而數據源則集中在監測平臺的服務器上。考慮數據訪問的安全性和互操作性，采用面向服務體系結構（service-oriented architecture，SOA）解決客戶端與服務端之間的數據交互。它可較好隔離服務的提供者與調用者之間的依賴，實現系統的松散耦合。構建SOA的應用程序所需的消息平臺可使用WCF，其體系結構如圖5所示[6]。WCF整合了.Net平臺下所有與分布式系統有關的技術，如ASP.NET Web服務、增強Web服務擴展、.NET Remoting、企業服務和微軟消息隊列等，它支持的通信協議包括HTTP、TCP、命名管道和微軟消息隊列等。

監測應用程序劃分為契約定義接口、服務實現類、宿主程序和客戶端程序4部分，見圖6。數據服務以互聯網信息服務（internet information server，IIS）為宿主，公開服務地址為http://IP/elevator/ main.svc。客戶端通過添加該服務引用生成WCF客戶端代理，應用程序實例化WCF客戶端代理后可通過該代理與服務進行數據通訊，實現電梯運行狀態數據的實時顯示。

圖5 WCF體系結構

圖6 WCF應用程序結構

4 監測軟件運行結果

試驗電梯型號：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程和電梯下行過程中急停操作進行實驗。服務器數據采集運行結果如圖7所示；1 Hz采樣頻率下的實時波形如圖8所示；50 Hz采樣頻率下的實時波形如圖9所示。

圖7 服務器數據采集運行結果

圖8 1 Hz采樣頻率下的實時波形圖

圖9 50 Hz采樣頻率下的實時波形圖

電梯運行中模擬故障急停，相應實時波形如圖10所示。

圖10 電梯運行中模擬故障急停的實時波形圖

故障急停發生后約2秒，系統預先指定的接收手機成功收到報警短信，如圖11所示。

圖11 手機收到的報警短信

5 結語

基于物聯網的電梯運行安全監測系統具有實時監測電梯運行狀態并在電梯發生故障、檢修或停電時向指定的手機終端發送狀態信息的功能。本文提出了基于物聯網的電梯運行安全監測軟件的設計方案，實現電梯運行狀態的實時監測和故障報警。試驗表明，該監測軟件運行穩定可靠，實現了電梯運行狀態監測儀的實時監控、遠程數據采集存儲、實時顯示、故障短信報警、數據分析統計等功能。監測軟件對提高電梯安全監管水平起到積極作用，具有較高的推廣價值。

[1] 李中興,林創魯,邱東勇,等.基于STM32的電梯實時監測系統[J].自動化與信息工程,2012,33(01):43-45.

[2] 李屹,張慧慧,鄭剛.電梯智能監測系統的設計與實現[J].制造業自動化,2009,31(08):55-56,97.

[3] 張軍國,賴小龍,楊睿茜,等.物聯網技術在精準農業環境監測系統中的應用研究[J].湖南農業科學,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短消息的遠程數據采集傳輸系統[J].長春理工大學學報,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。

林創魯，男，1983年生，碩士，助理研究員，研究方向：特種設備檢測與監測。