電梯遠程監控系統研究

李兵+施展

摘 要：電梯是高層建筑不可缺少的設施，怎樣確保電梯高效平穩運行是當今電梯技術研究的重要課題。根據電梯遠程監控設計需求，基于系統化模塊化設計思想，采用常見的客戶端/服務器架構，將基于Linux的嵌入式系統作為前端數據采集發送平臺。詳細介紹了嵌入式開發過程，提出了開發環境搭建方案，編寫了數據采集處理程序；重點對基于TCP/IP通信和Socket通信協議的網絡軟件進行了優化設計，并對網絡通信性能作了分析檢測，詳細介紹了數據庫的搭建和界面設計。

關鍵詞：電梯監控；嵌入式系統；Socket通信；通信協議棧

DOIDOI：10.11907/rjdk.171389

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0094-03

1 信號采集與傳輸

電梯遠程監控系統利用Linux [1]網絡設置的優良特性，結合網絡協議通信技術，將前端采集到的數據信息發送到后端主機上，實現數據的接收、儲存和分析[2]。

1.1 數據采集

信號采集遵循那奎斯特定律，即采樣定律。采樣的頻率要大于信號中有效信號最大頻率的2倍，這種采樣方式所得的數字信號才能夠保存原來信號的信息。采樣公式如下：

fs.max>fmax（1）

A/D采樣的最后一個步驟是編碼，離散型數值通過量化后，將結果用計算機二進制編碼表示出來，這就是編碼過程，信號經過這個編碼過程變為數字信號。

1.2 網絡數據傳輸

在通信網絡中，各進程間的遠程通信主要是C/S模式，即通過特定的客戶端向服務器發送數據請求，服務器接收到請求后反饋數據處理結果。客戶/服務器模式有兩個要求：①由于雙方信息量、軟硬件資源、處理能力的不一致，必須共享資源；②雙方通信處于異步狀態，只能通過遠程通信實現，無法使用共享內存機制。

圖1為基于客戶/服務器模式的TCP/IP協議棧的網絡通信OSI模型。

監控進程啟動后，生成一個Socket套接字，一方面處理響應，另一方面發送請求。在實現網絡互連后服務器監控進程即開始監聽本地網絡端口請求[3]。

2 系統硬件設計

2.1 嵌入式硬件體系架構

嵌入式服務器不僅要采集傳感器數據，而且要與遠程主機進行通信。核心處理器ARM9系列采用了處理器集成的電源管理單元，可有效優化系統電源設計，降低成本及系統功耗，適合于低功耗、低成本、高性能的便攜式設備[4]。圖2為ARM架構。

2.2 功能接口電路設計

ARM9處理器提供了主機和OTG兩種類型的控制器。主機接口電路如圖3所示，上部為標準主機電路，下部為OTG的HOST電路，USB熱插拔提供相關保護電路。

文件下載和數據傳輸通過以太網適配器實現。MX28X嵌入式開發板配有網絡適配器，提供一個網絡接口訪問局域網和廣域網。開發板提供一個TF卡功能接口擴展存儲資源[5]。該系統實現了ARM&Linux在平臺IIC下的驅動，在Linux系統平臺實現管理軟件，可以非常方便地接入軟件，管理更加方便，移植性更好。圖4是IIC接口電路原理。

2.3 數據采集模塊設計

測試系統數據采集選擇Mma系列的三軸加速度傳感器模塊。Mma是一個集成傳感器，內部集成了信號調節電路、低通濾波器、A / D轉換電路[6]。

3 系統軟件設計

3.1 嵌入式平臺搭建

Linux嵌入式系統是開源的，可以削減、跨平臺、多任務及多用戶實現。ARM和Linux結合使嵌入式設備具有低功耗、高性能特點。

主機和目標機使用不同的平臺，系統采用PC X86架構，開發板使用ARM架構。X86屬于復雜指令集，ARM屬于精簡指令集，兩個過程指導的方法不同，需要不同的編譯器。GCC是一個跨平臺編譯器工具處理器平臺，支持多個版本，可完成從源代碼文件轉換到一個特定的處理器平臺，執行文件切換。GCC不僅強大，而且具有結構靈敏、跨平臺支持的優點[7]。

超級終端Minicom是公認的嵌入式開發工具，通過終端可以直接對開發板進行命令控制、資源操控。Minicom安裝配置操作步驟：①安裝Minicom：sudo apt-get install minicom；②在命令行鍵入：sudo minicom –s，啟動Minicom進行設置；

選擇Serial port setup項，將“Serial Device”設置為/dev/ttyUSB，設置“Bps/Par/Bits”為57600 1，設置“Hardware Flow Control”為No；選擇Modem and dialing項，除了保留標志A B C D E F G H K L外，刪除其它項。退出到啟動頁面選擇“Save setup as dfl項，意味著將設置保存到df1位置。Minicom配置界面如圖5所示；③將系統用戶添加進Minicom所在組，使用戶能夠使用Minicom： $ sudo adduser test groupname

在內核中，文件系統和應用程序下載調試可通過燒錄U盤來完成。TFTP協議是一個簡單的文件傳輸協議，具有傳輸速度快、量大的特性。TFTP服務器主要提供目標與主機之間的內核映像文件下載[8]。TFTP工具安裝分為TFTP服務器安裝和TFTP客戶端工具安裝，具體步驟如下：

①下載相關軟件包： sudo apt-get install tftp-hpa；

②建立tftp服務器工作目錄：sudo mkdir /tftpboot；

③修改工作目錄全限：sudo chmod -R 777 /tftpboot；endprint

④編輯相關服務器配置：

修改后查看內容如下：sudo vi /etc/default/tftp-hpa

TFTP_USERNAME="tftp"

TFTP_DIRECTORY="/tftpboot"

TFTP_ADDRESS="0.0.0.0：69"

TFTP_OPTIONS="--secure"

⑤重新啟動TFTP服務：sudo service tftpd-hpa restart。

3.2 設備驅動程序結構

操作系統的硬件管理通過相應的驅動程序完成。設備驅動直接設置頂層底層硬件，起到轉換和翻譯的作用。設備驅動由軟件實現，屬于內核的一部分[9]。驅動完成以下功能：①設備狀態初始化和操作完成后釋放；②管理設備，設置設備的工作參數，提供設備的接口；③在操作設備與應有程序之間充當橋梁，起到數據翻譯作用；④監控設備運行狀態，有錯誤提示功能。

3.3 網絡通信軟件設計實現

實驗采用基于TCP的可靠通信協議，通信模型對象是網絡中的數據。每層數據有不同的組織形式，應用層采用包的形式，傳輸層采用數據報的形式，網絡層采用報文的形式，鏈路層采用數據幀的方式，物理層以位的格式呈現[10]。

數據以層層包裝的方式在網絡中傳輸，首先從用戶空間的應用層開始，然后到內核空間，接受內核協議棧的處理，每一層又會添加這個標志和協議規則信息，完成后將報文作為下一層的數據段處理使用，然后進行物理連接，最后發送出去。等到了用戶即目的主機，就會將接收到的數據包頭部逐層去除，這個過程是數據封裝的逆過程，稱為解封裝。

3.4 數據庫創建與界面模塊設計

本實驗選擇SQL Server 2008數據庫作為本地數據服務器。通過VS開發環境中的SQL Datasource控件實現界面與數據庫的通信[11]。接口定時監視定時器從數據庫中檢索數據，按一定規律更新到顯示，將有用數據保存到指定表中。

本實驗基于Virual Staido2010平臺使用C#[12]語言實現實驗界面。電梯監控界面管理功能有實時故障報警、狀態信息、日志信息存儲、監測等。監控軟件能將接收到數據進行分析，監控界面應該具有動態化、圖形化功能。 一個標準的界面軟件需要完善界面管理系統，在軟件工作運行前需要將相關信息調入監控管理界面，界面顯示遠程終端發送的數據，實現保存接收功能。

遠程終端數據保存在本地數據庫，本地操作界面以一定時間間隔從數據庫取出數據并將其更新到界面。圖6為界面監控顯示內容。

由于實驗設備和環境條件限制，很難模擬電梯監控的數據傳輸，本實驗以加速度為電梯監控對象，專門設計了一個接收界面測試數據，對加速度數據進行處理，進而驗證網絡數據傳輸的實時性、穩定性和系統方案的正確性。

4 結語

本文開發了一套基于網絡的嵌入式數據傳輸平臺。詳細介紹了嵌入式開發平臺的硬件架構，并給出了原理圖和詳細參數，對處理器、內存和外部端口作了專門說明和分析。提出了開發環境的構建方案，完成了內核的裁剪、嵌入式設備的移植、文件系統的掛載等搭建工作，編寫了IIC驅動程序，并通過應用程序驗證網絡及驅動工作的有效性。

參考文獻：

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[9] 曾憲權.物聯網遠程電梯監控系統關鍵技術研究與實現[J].中國測試，2015，41（2）：101-104.

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[11] 慕偉.電梯遠程監控系統研究[D].西安：長安大學，2013.

[12] 劉彥明，李鵬.實用網絡編程技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，1998.endprint