基于MEMS技術(shù)的電梯轎廂振動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)研究

巫濤江，柳 朋，余曉毅，吳德操，張春娟

(1.電梯智能運(yùn)維重慶市高校工程中心，重慶 402260；2.重慶理工大學(xué) 光纖傳感與光電檢測(cè)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

電梯是服務(wù)于當(dāng)今高層建筑的重要通行運(yùn)輸設(shè)備，國(guó)家對(duì)此制定了嚴(yán)格的性能要求，歸納起來(lái)可分為4點(diǎn)：安全性、可靠性、舒適性和平層精度。其中前3點(diǎn)均與電梯運(yùn)行中的振動(dòng)強(qiáng)度密切相關(guān)。振動(dòng)本質(zhì)上是加速度變化的高頻分量。由于轎廂式電梯在運(yùn)行中存在頻繁的啟動(dòng)加速和制停減速過(guò)程，其加減速的均勻性以及在勻速階段的平穩(wěn)性可以由縱向振動(dòng)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一描述。而橫向振動(dòng)強(qiáng)度則與軌道間隙相關(guān)，能在一定程度上反映軌道的變形量[1-2]。因此，實(shí)時(shí)檢測(cè)電梯運(yùn)行中轎廂的振動(dòng)信號(hào)，有助于分析電梯的性能參數(shù)，保障電梯的運(yùn)行安全以及乘客的乘坐體驗(yàn)。

根據(jù)國(guó)家GB/T 10058—2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電梯轎廂運(yùn)行在恒定加速度中，垂直方向(Z軸方向)振動(dòng)最大峰峰值應(yīng)小于0.3 m/s2。同時(shí)按照我國(guó)《電梯技術(shù)條件》中的相關(guān)規(guī)定，電梯的起制動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)、迅速，加、減速度最大值不大于1.5 m/s2。為了保證電梯的工作效率，還規(guī)定了 “交直流快速電梯平均加、減速度不小于0.5 m/s2，直流高速電梯平均加、減速度不小于0.7 m/s2”。同時(shí)，在常規(guī)電梯技術(shù)中為使電梯乘坐舒適，也必須控制電梯運(yùn)行中的振動(dòng)，尤其是病床電梯等特種電梯應(yīng)嚴(yán)格保證運(yùn)行的平穩(wěn)性，其水平振動(dòng)加速度應(yīng)不大于0.05 m/s2。此外，電梯運(yùn)行的平穩(wěn)性與其拖動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)的制造、安裝精度和維修保養(yǎng)的質(zhì)量有密切關(guān)系。在電梯常規(guī)維護(hù)中一般不對(duì)電梯的運(yùn)行振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)，電梯平穩(wěn)性一般僅由維保人員的體感判斷，存在較大誤差，大量故障不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。添加對(duì)電梯轎廂加速度和振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的傳感裝置，當(dāng)出現(xiàn)轎廂異常時(shí)能夠精準(zhǔn)報(bào)警，及時(shí)排查安全隱患，可有效保障電梯安全、平穩(wěn)、舒適地運(yùn)行。

目前,電梯振動(dòng)測(cè)量方法可分為兩類:一類是利用傳統(tǒng)標(biāo)尺、鉛錘等物理工具測(cè)量的方法，該方法成本低、操作簡(jiǎn)單，但是受人為影響誤差較大，且不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。另外一類是利用加速傳感技術(shù)或激光測(cè)距技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)代測(cè)量方法，具有時(shí)效性高、儀器使用方便、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，但目前這些設(shè)備大多數(shù)以單機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方式為主，對(duì)執(zhí)行測(cè)試的人員要求較高，面對(duì)電梯集群尚未實(shí)現(xiàn)互聯(lián)監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)預(yù)警。

MEMS傳感器是一種尺寸極小、低成本、高集成的智能傳感系統(tǒng)，由微電子技術(shù)發(fā)展而來(lái)，可廣泛應(yīng)用于通信、檢測(cè)、信號(hào)處理等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)[3-4]。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起與發(fā)展，要求由終端進(jìn)行傳感數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)無(wú)線通信鏈路將數(shù)據(jù)發(fā)至云端進(jìn)行分布式處理，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、跨域區(qū)的信息監(jiān)測(cè)。基于MEMS技術(shù)的微型傳感器由于其相對(duì)傳統(tǒng)傳感器具備低成本、超低功耗、全數(shù)字輸出的特性，不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的供電、信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，大幅縮減了設(shè)備體積，成為目前物聯(lián)網(wǎng)傳感領(lǐng)域的主流技術(shù)。

基于MEMS技術(shù)的加速度傳感器主要可分為壓電式、電容式和熱感應(yīng)式三類，在不同的應(yīng)用層面都各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文采用了由ST公司推出的新一代電容式三軸加速度傳感器LIS3DH[5]，由MEMS傳感器和一枚ASIC接口芯片兩部分組成，前者用于測(cè)量X、Y、Z三個(gè)方向的區(qū)域位移量，后者則將電容值的變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。MEMS傳感器利用硅的機(jī)械性質(zhì)設(shè)計(jì)出的兩組可移動(dòng)硅梳齒機(jī)械結(jié)構(gòu)，一組相當(dāng)于固定的電極，另一組為可移動(dòng)電極隨待測(cè)物移動(dòng)。當(dāng)可移動(dòng)的梳齒產(chǎn)生了位移，就會(huì)隨之產(chǎn)生與位移成比例電容值的改變。當(dāng)待測(cè)物在變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部電容的變化量(ΔC)由ASIC接口芯片轉(zhuǎn)換成電壓數(shù)字值輸出。LIS3DH采樣率高達(dá)5 kHz，量程達(dá)16g，振動(dòng)檢測(cè)帶寬大于1 kHz，符合電梯轎廂振動(dòng)檢測(cè)的實(shí)際需求。

1 原理

電梯轎廂在運(yùn)行中的加速度可分為兩類，電梯啟動(dòng)與制停所產(chǎn)生的運(yùn)行加速度(為低頻信號(hào))和轎廂的振動(dòng)加速度(為高頻信號(hào))。因此，引入4階高通/低通數(shù)字濾波器對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行頻率分離，分別獲得低頻分量a和高頻分量z。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，設(shè)置截止頻率為2～4 Hz時(shí)所測(cè)信號(hào)較為理想。同時(shí)，引入歸一化信號(hào)幅度域SMA[4]，對(duì)三軸振動(dòng)進(jìn)行整體分析，如下所示：

(1)

式中,zX(t)，zY(t)，zZ(t)分別為振動(dòng)高頻分量z電梯轎廂在X，Y，Z軸的方向分量;T為歸一化時(shí)間，那么電梯振動(dòng)信號(hào)值可表示為

(2)

根據(jù)國(guó)家GB/T 10058—2009標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)

(3)

或垂直(Z軸方向)振動(dòng)大于0.3 m/s2、水平(X、Y軸方向)振動(dòng)大于0.05 m/s2時(shí)便可進(jìn)行報(bào)異常警，當(dāng)S大于1 m/s2時(shí)進(jìn)行振動(dòng)危險(xiǎn)報(bào)警。

同理，定義整體運(yùn)行加速度A的報(bào)警閾值為

(4)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為分布式設(shè)計(jì)，如圖1所示，包括前端振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、無(wú)線路由器、云服務(wù)器3個(gè)部分，從而構(gòu)建完整的LoRa無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。LoRa網(wǎng)絡(luò)基于Chirp擴(kuò)頻(Chirp Spread Spectrum,CSS)調(diào)制技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，直線傳輸距離可達(dá)8 km，即使在城區(qū)環(huán)境下單個(gè)路由器也足以實(shí)現(xiàn)整個(gè)住宅小區(qū)的信號(hào)覆蓋[9-10]，極大地降低了組網(wǎng)成本和運(yùn)營(yíng)成本。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝在每個(gè)電梯轎廂內(nèi)，主要包含MEMS加速度傳感器、微控器(Microcontroller Unit，MCU)與LoRa[8]射頻單元。其中，MCU利用I2C接口獲取LIS3DH在電梯轎廂X、Y、Z三軸方向測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)將壓縮后的異常振動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸至無(wú)線路由器。多個(gè)電梯監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可與LoRa路由器建立星形無(wú)線連接，再由路由器將數(shù)據(jù)通過(guò)有線以太網(wǎng)或4G Cat1網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端服務(wù)器。系統(tǒng)采用Semtech公司提供的SX1278作為前端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的LoRa射頻單元，而無(wú)線路由器則選擇具有8通道同步收發(fā)能力的SX1301射頻單元，以提高數(shù)據(jù)吞吐能力。

云端服務(wù)器利用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)海量電梯節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，服務(wù)器軟件架構(gòu)如圖2所示，包含數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、邏輯控制層、表示層3個(gè)部分，分別用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的解析和存儲(chǔ)，振動(dòng)數(shù)據(jù)的解算、分析和故障預(yù)警，以及對(duì)客戶訪問(wèn)邏輯處理。

圖2 云端軟件架構(gòu)

客戶端采用了客戶端/服務(wù)器(Client/Server，C/S)與瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)混合訪問(wèn)設(shè)計(jì)。其中，C/S客戶端軟件采用LabVIEW編寫(xiě)[11-12]，如圖3所示，可方便維保人員登錄服務(wù)器實(shí)時(shí)觀察特定電梯的運(yùn)行振動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)電梯故障的快速診斷。

圖3 C/S客戶端系統(tǒng)管理界面

B/S客戶端以網(wǎng)頁(yè)方式進(jìn)行訪問(wèn)，如圖4所示，通過(guò)對(duì)歷史振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，反映電梯的長(zhǎng)期工況。

圖4 B/S客戶端

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)性能，實(shí)驗(yàn)將前端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝到一臺(tái)微型電梯模型的轎廂側(cè)面，如圖5所示，以便于模擬各類突發(fā)事件所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)。通過(guò)本系統(tǒng)采集不同工況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)比參考傳感器的測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證本系統(tǒng)測(cè)量的可靠性。參考傳感器為上海傳振電子科技有限公司生產(chǎn)的CZ820高精度壓電式振動(dòng)傳感器，原理為壓電晶體受到力的作用，受壓變形產(chǎn)生電荷，晶體兩端形成電勢(shì)差，經(jīng)過(guò)集成電路處理后輸出與振動(dòng)速度成比例的電壓信號(hào)，具有頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、堅(jiān)固耐用、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、安裝方便和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可滿足本實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)量要求。

圖5 電梯模型

表1 正常運(yùn)行條件下水平振動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：m/s2

以相同實(shí)驗(yàn)條件運(yùn)行模型電梯，從第1層開(kāi)始，分別記錄電梯在第2～第7層停靠瞬間的整體振動(dòng)信號(hào)S；參考水平振動(dòng)測(cè)量步驟，記Z軸正向?yàn)檎谐?低層至高層運(yùn)行)、Z軸負(fù)向?yàn)樨?fù)行程(高層至低層運(yùn)行)，分組測(cè)量。分別測(cè)得電梯轎廂在正、負(fù)行程下的振動(dòng)數(shù)據(jù)如表2所示，基于MEMS技術(shù)的電梯振動(dòng)傳感器測(cè)量得到的振動(dòng)信號(hào)與參考傳感器所測(cè)值相近，差值均小于0.015 m/s2，可完全勝任電梯日常運(yùn)行中振動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)。

表2 正常運(yùn)行條件下整體振動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：m/s2

通過(guò)控制模型電梯電源的通斷與鋼纜拽引，可模擬電梯在運(yùn)行中驟停、加速墜落、外部撞擊等常見(jiàn)突發(fā)情況，電梯轎廂在多種運(yùn)行狀態(tài)下測(cè)得的整體振動(dòng)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 異常狀態(tài)下整體振動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：m/s2

在幾種常見(jiàn)意外情況下，基于MEMS技術(shù)的電梯振動(dòng)傳感器能夠很好地測(cè)量電梯運(yùn)行中遇到意外所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，與參考傳感器誤差值均小于10%，且在前端PC服務(wù)器上能正確產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于MEMS技術(shù)研制了一種分布式電梯振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用LoRa射頻芯片建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的電梯安全監(jiān)測(cè)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)性能優(yōu)異，與傳統(tǒng)壓電式傳感器對(duì)比，在電梯正常運(yùn)行時(shí)測(cè)量值誤差很小；在電梯異常狀態(tài)下，本系統(tǒng)的誤差雖有所增大，但仍能準(zhǔn)確判斷異常狀態(tài)，而成本和體積相較傳統(tǒng)傳感器大幅降低，具備良好的實(shí)用價(jià)值。

未來(lái)，以該傳感網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，可在電梯轎廂內(nèi)集成更豐富的MEMS傳感器，進(jìn)一步提高故障預(yù)警精度。例如一些早期電梯軌道故障并不會(huì)引起明顯的轎廂振動(dòng)，但會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲或異響，通過(guò)集成矩陣式MEMS麥克風(fēng)和MEMS氣壓計(jì)可以快速追蹤噪聲方位和高度，從而確定軌道故障的確切位置。此外，在云端平臺(tái)還可引入大數(shù)據(jù)分析算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定型號(hào)電梯的質(zhì)量分析，發(fā)現(xiàn)其可能存在的一些設(shè)計(jì)缺陷。