摘要：近年来，电梯系统在高层建筑中使用范围越来越广，为了保证电梯使用安全，提高电梯运行效率，加强对电梯的状态监测，有必要建立电梯监测系统。本文以加速度传感器为基础，依据加速度原理将传感器用于系统中，通过系统架构分析，采用三轴WIFI无线振动传感器，实现对电梯监测系统的硬件与软件设计。
关键词：加速度传感器；电梯监测系统；系统优化设计
引言：当前人们在享受电梯带来的快捷服务的同时，也提高了对电梯乘坐舒适度和安全性的要求。电梯在安装和调试的过程中，人们需要对各部分功能和整体性能进行反复测试，使其性能达到设计要求，电梯加速度以及振动会对电梯乘坐感受造成影响，利用电梯监测系统有利于监测电梯的运行参数，从而判定当前电梯运行质量，保证电梯稳定运行。
1.基于加速度传感器的电梯基本测量原理
使用三轴加速度传感器测量电梯轿厢三个方向的加速度，监测并接受信号。采集到的原始信号经过经过预处理，随后确定振动信号。针对电梯加速度信号，能够利用微分获得加速度和减速度变化率，利用积分获得电梯轿厢的速度信号和位移信号。
.png)
图1 基本测量原理图
2.加速度传感器在电梯监测系统中的应用
2.1加速度的测量
根据电梯的控制性能和曳引机监控状态，实现对系统的开发与应用。在电梯轿厢内安装传感器，实时监测轿厢所处的位置，通过加速度的测量和传感器的应用可以有效判断电梯的平层过程，为电梯控制性能的判断提供理论依据和数据参考。在加速度测量时，有必要对传感器的原始信号进行处理，对加速度的连续信号进行采样分析后，使用滤波器滤除干扰性信号。由于加速度测试需要用到零频信号，为了避免受到信号干扰，建议采用滤波的方式将其中的低频干扰去除。假设电梯启动到平稳制动需要一定时间，即T，在T时间内电梯运行的加速度均值理论为零由，由于这一过程中存在加速度信号的低频趋势，在测量时得到的测量值是不可能为零的。
.png)
将加速度的测量值均值经过积分求得位移，会给电梯测量带来一定程度的误差，加速度传感器的漂移会导致测量值线性趋势较小，最大不会超过10-6m/s3，如果T的时间为50s，那么电梯位移误差就会在0.01m之内。所以，将加速度信号进行预处理之后，能够采用积分的方式对数字信号进行有效处理，并完成对加速度的测量[1]。
2.2曳引部分检测
各个电机稳定运行时，其振动都有着不同的特性，如果电机出现故障或运行异常，振动幅值也会出现变化。不同故障现象所带来的振动频率是不同的，对振动情况加以分析能够了解电机故障情况，从加速度传感器中获取振动信号，判断振动信息，将其与故障特征对比就能判断故障原因和具体位置。应用加速度类型的传感器对电机的轴承、机座等部门进行振动检测，对信号进行处理后就能精准的判断故障类型和故障程度，从而诊断电梯故障问题，为电梯加速度监测系统的应用提供帮助。分析加速度、速度以及位移之间的关系，可以避免测量时使用附加编码器，使电梯运动参数的测量更便捷。应用冗余设计的方式可以提升电梯监测系统的安装系统，无论是电梯故障，还是机房断电故障，都不会影响电梯监测系统的正常运行[2]。
3.电梯运行加速度监测系统研究
3.1系统架构分析
单片机采集电梯的运动加速度信号，利用WIFI通信模块是数据传递到服务器。用户租用服务器就能享受远程数据存储服务，电梯监测系统应用了云服务器可以降低系统运行与维护成本，实现了对数据的隐私保护。电梯监测系统主要拥有三层架构，具体如下：（1）感知层，加速度传感器可以联网；（2）传输层，负责上传来自加速度传感器的数据，经过无线路由器接入服务器；（3）应用层，负责对数据的存储和处理。当前较为先进的云平台主要有华为物联网云平台、百度云平台以及阿里云平台等，可结合电梯监测系统的设计要求选择相应的服务平台。
3.2三轴WIFI无线振动传感器
本文设计出一款三轴WIFI无线振动加速度传感器，各个串口和U1单片机完成数据通信，并将采集的数据经过WIFI模块传递到云服务器中。DC-DC稳压模块可以为电梯监测系统提供3.3V工作电压，无线加速度传感器和PCB线路板设计是电梯监测系统软件设计的核心工作。本加速度传感器的测量范围可以达到±2g，应用16为ADAC模数转换方式，能够达到0.06cm/s2的分辨力。利用定时器进行编程，使传感器的数据刷新率保持在每秒20帧，从而满足系统的加速度测量要求，使测量数据更加准确可靠。
3.3系统硬件设计
3.3.1传感器模块
传感器可以判断电梯内是否有人搭乘，或检测目前电梯所载物体的重量。电梯监测系统的感知层主要包含加速度传感器网络终端节点以及传感器两部分，可对电梯运行情况进行实时监测。电梯运行时会出现轿厢达到相应楼层，但电梯门无法打开的电动机故障问题，这时使用传感器能够检测电梯门的使用状态，判断轿厢内是否载人。在电梯监测系统的传感器模块中，基于加速度传感器，需要用到以下几种传感器：（1）平层传感器。日常中人们习惯了电梯这一搭乘发生，通过电梯到达目的楼层，当电梯到达楼层后电梯门不会立即开启，而是经过一个缓慢的停靠过程后开启电梯门，这时电梯轿厢的踏板和外面地面的踏板保持平行，以便人们安全进出。电梯缓慢停靠的过程就叫平层过程，这一部分主要有两个传感器。当两个传感器同时检测到了电梯平层信号后才能向云端发送信息，否则将会发送故障信息，并通知运维人员及时调整电梯设备。（2）门状态传感器。这是用来保障电梯门安全开关的重要装置，电梯监测系统应用磁控开关对电梯门状态进行检测，磁控开关被安装在轿厢门梁的位置。门关闭时，金属挡板的磁铁将会与开关靠近，此时传感器输出电平发生改变，说明当前门处于关闭的状态。
3.3.2数据接收模块
电梯监测系统需要将采集到的数据统一传输给监测平台，再利用相应软件进行电梯运行状态的显示，以便采取控制措施。在远程监控中心内设置电梯监测系统的数据采集模块，用来接收加速度传感器发送的信息，并与数据采集模块相互配合工作。在两个模块的同时应用下，系统能够完成数据接收和发送工作，网关可以接收来自测量终端节点处的WSN，以便系统监控中心能够第一时间收到数据信息，在完成通讯的过程中实现对故障问题的有效了解，当电梯故障显示灯亮起的时候，说明目前电梯存在故障问题。
3.4电梯监测软件设计
电梯监测系统中使用了LABVIEW软件实现对系统的监测与人机交互，用户登录上位机之后就能对电梯监测系统进行软件设计，相关设计要点如下：
（1）在电梯的通电状态下，电梯监测系统可实时监测各个楼层的限位开关。如果电梯处于限位开关处，电梯状态就会显示成相应的楼层。应用系统可判断当前电梯是否处于平层，如果正在运行，说明电梯还没有处于平层，此时电梯没有故障问题。如果电梯已经停止了运行，但依然没有显示平层状态，这时电梯监测系统将会给出“未平层”的故障提示。
（2）电梯在运行状态下，如果系统发现电梯的限位开关和电梯门全都没有闭合，这说明电梯门存在的驱动故障，电梯监测系统将会将预警信息发送给维修人员，相关人员会优先检查电梯门，对其中的驱动电动机展开详细的检修，经过试验校准后采取相应的措施，避免发生意外。
（3）轿厢运行时突然停止，电梯监测系统会立即检测目前轿厢内是否搭乘乘客，这将作为维护人员的工作要点。使用人体红外传感器能够检测当前电梯轿厢中是否有乘客，如果有乘客困在电梯内，此时为困人故障事故，维修人员必须立即展开救援。如果检测到电梯轿厢内没有人，说明当前电梯为停运事故，可锁梯后详细分析故障问题。
（4）除了人体红外传感器，电梯动态监测系统中还会用到压力传感器，设备所采集的信号能够了解当前轿厢重力情况，一旦结果超过满载状态下的预设值，此时电梯为超载状态。用户以权限身份登录电梯监测系统后，系统将会转入电梯健康监测平台，这时电梯轿厢运行数据与信息就会显示在系统监测界面中。如果出现故障问题，电梯监测系统会立即记录故障情况，并向运维人员提出预警信息。
3.5电梯加速度云平台监测实验
在选用的云平台中注册无线加速度传感器，对设备名称与通信密码进行设置，这里的设备不仅代表联网终端，也是在指接入平台的传感器。将三轴WIFI无线加速度振动传感器安装在轿厢紧贴底部的位置，电梯运行时，加速度信号会产生跳变，出发数据传输模块进行工作，并将采集到的数据上传到服务器内。运维人员采用手机或联网PC机的数据推送方式得到相关内容。将数据保存后可以绘制出当前电梯运行中的加速度曲线，采用云端数据Socket接收软件分析数据，电梯在上升、运行以及停止阶段内的加速度变化清晰可见，高频发生的部分也就代表着电梯轿厢存在抖动现象[3]。
总结：总而言之，本文基于加速度传感器创建了电梯监测系统，根据加速度传感器的应用特性和基本测量原理，经过加速度的测量、曳引部分检测使传感器更好的应用于系统当中。充分发挥三轴WIFI无线振动传感器作用，使传感器的数据刷新率保持在每秒20帧，该数据可满足电梯监测系统对电梯加速度的测量需求。
参考文献：
[1]孙丹丹,冉宁.嵌入式电梯运行状态监测系统研究[J].电子测量与仪器学报,2019,33(08):187-193.
[2]张霍.基于图像与加速度传感器的电梯开关门检测[J].电子世界,2018(11):16-18.
[3]孙玉国.基于云平台的电梯加速度监测系统设计[J].噪声与振动控制,2018,38(S2):474-476.