本發(fā)明屬于電梯安全檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于CAN總線的便攜式電梯安全性能監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

據(jù)統(tǒng)計，截至2015年底，我國在用電梯保有量達到400萬臺，并以每年20％左右的比例增長，電梯保有量、年產(chǎn)量、年增長量均已位居世界第一，我國已成為全球最大的電梯市場。

而近年來，使用年限超過10年的電梯數(shù)量逐年遞增，成為安全隱患高、保障壓力大的“老舊電梯”，在北京、上海、杭州等發(fā)達城市，老舊電梯的比例已經(jīng)達到在用電梯的10％以上。2014年，國家質(zhì)檢總局對部分省市的2523臺使用15年及以上老舊電梯進行了抽查，結(jié)果有7％存在較大安全隱患。杭州是浙江電梯保有量最大的城市，有7.4萬余臺電梯，僅2014一年，杭州共接電梯求助電話5.6萬個，平均每天要從電梯里“撈”18個人。2015年，全國共發(fā)生電梯事故58起，死亡46人?？梢婋娞莅踩蝿菔謬谰?。

電梯行業(yè)有個公認的說法是“三分靠產(chǎn)品，七分靠維護”，維保是電梯壽命周期中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電梯安全很大程度上依賴于維保質(zhì)量?！峨娞菔褂霉芾砼c維護保養(yǎng)規(guī)則(TSG T5001-2009)》將電梯維保分為半月、季度、半年和年度4種，并分別列出了不同維保內(nèi)容與對應要求。其中，半月一次的日常維保項目包括曳引機運行時無異常震動和異常聲響、轎門開關(guān)工作正常等28條。季度的維保要求除符合半月維保要求之外，還有13條專門內(nèi)容，半年和年度的維保要求以此類推，內(nèi)容逐級增加。針對不同維保內(nèi)容，需要攜帶的設(shè)備也不盡相同，如日常維保中檢測曳引機是否無振動無噪聲就需要使用三軸加速度計和聲級計，而轎廂稱重裝置是年度維保項目，平時就不必攜帶相應的工具。

《電梯維護保養(yǎng)安全管理規(guī)范(DB33T 728-2016)》指出，持證作業(yè)人員人均維護保養(yǎng)電梯數(shù)量不應多于30臺。然而在實際中，存在公司超負荷運行的情況，這樣維保人員平攤到每臺電梯上的時間就會大大縮水，很難走完維保程序，個別人員可能只是走馬觀花式地檢查，甚至偽造檢驗結(jié)果。因此有必要實時了解維保人員的行程，以便進行監(jiān)督。

當前使用的電梯檢測儀器已從普通單一的測量工具進化成了能夠測得各式數(shù)值的電子設(shè)備，如：測速儀、聲級計、電子游標卡尺、鉗形電流表等，分別檢測速度、噪聲、直徑和電流等數(shù)據(jù)。這些儀器雖然可以滿足各自要求，卻使用復雜、價高易損，其性能的單一化也造成了檢測不便、效率低下的通病。因此，為了使電梯檢驗項目全面細致、檢測數(shù)據(jù)可靠并具有可操作性，開發(fā)新型電梯檢測儀器已是當務之急。

德國TUV公司的ADIASYSTEM是德國電梯檢測中的經(jīng)典設(shè)備，由筆記本電腦和多個傳感器測量模塊組成?？梢詼y量和記錄的參數(shù)有時間、運行、速度、加速度、震動、牽引力、液壓電梯的壓力、電梯門的力和動能等。但是數(shù)據(jù)記錄與存儲空間都很小，制約了長時間的在線觀測和故障預警預測功能，用戶操作、數(shù)據(jù)顯示依賴于外接PC機，現(xiàn)場測試連線繁雜，不適合長時間在線測試，且不具備噪聲檢測功能。

目前，國際上大多采用美國的EVA625開展電梯運行性能測試，EVA625以8位單片機為核心，4通道700秒存儲空間和數(shù)據(jù)離線分析模式無法滿足高效率、高精度測試分析的需要。

杭州MI-7004E電梯運行性能分析測試儀把工控機和基于DSP和FPGA的4參數(shù)信號采樣、處理電路集成在一個儀器，能完成加速度、噪聲、滾輪速度等在線檢測和離線分析功能，便攜性有所提高。但存在開啟速度慢、儀器的可靠性較低、參數(shù)只能逐個測試、測試時間長及儀器成本高等不足。

發(fā)明專利“基于無線通訊技術(shù)的電梯故障檢測系統(tǒng)”(申請?zhí)?01410417048.2)，提出一種檢測轎廂壓力與判斷是否有人的裝置，信號采集節(jié)點通過ZigBee技術(shù)與處理器無線通信。

發(fā)明專利“一種電梯健康狀況檢測裝置及方法”(申請?zhí)?01510742969.0)，提出檢測振動、功率、載重等參數(shù)，各模塊通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳到服務器進行處理。

發(fā)明專利“電梯安全性能測試分析方法及其裝置”(申請?zhí)?01610074374.7)，提出用單片機的UART連接加速度計、噪聲、功率等測量模塊，用USB連接平板電腦顯示。

上述有益探索，提出利用ZigBee無線技術(shù)或單片機自帶的UART組網(wǎng)，檢測振動、噪聲、功率等參數(shù)。探索有一定的參考價值，但成果仍存在局限。如儀器功能不夠完善，組成結(jié)構(gòu)不夠靈活，無法滿足針對不同維保內(nèi)容攜帶不同設(shè)備的要求，加重維保人員負擔。

CAN(Control Area Network)最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)已被ISO國際標準組織指定為國際標準。由于其卓越的性能、極高的可靠性和低廉的價格，CAN被廣泛應用于汽車、航空、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、安全防護等眾多領(lǐng)域。CAN總線結(jié)構(gòu)簡單，傳輸可靠，實時性高；具有多主結(jié)構(gòu)，各節(jié)點的地位平等，方便區(qū)域組網(wǎng)，總線利用率高；報文為短幀結(jié)構(gòu)并有硬件CRC校驗，受干擾概率小，數(shù)據(jù)出錯率極低。因此，運用CAN總線技術(shù)在電梯安全性能監(jiān)測系統(tǒng)上組態(tài)具有很多優(yōu)勢。

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡通訊模型對OSI結(jié)構(gòu)做了簡化，通常包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。CAN總線的底層協(xié)議定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，但沒有規(guī)定應用層，要進行高效率的通信還需要進一步開發(fā)應用層協(xié)議。目前，基于CAN總線的商業(yè)協(xié)議主要有DeviceNet和CANopen兩種協(xié)議，但是由于這兩種總線是基于通用性目的而開發(fā)的，結(jié)構(gòu)相對復雜，CANopen需要定義設(shè)備對象字典(Object Dictionary)，DeviceNet必須先建立連接才能通信，對于電梯檢測系統(tǒng)這樣專用、通信過程相對簡單的場合來說并不合適。

MD5加密技術(shù)廣泛應用于數(shù)字簽名領(lǐng)域，它可以將整個文件當作一個大文本信息，通過不可逆的字符串變換算法,產(chǎn)生一個唯一的MD5信息摘要。在以后傳播這個文件的過程中，只要文件的內(nèi)容發(fā)生了任何形式的改變(包括人為修改或者下載過程中線路不穩(wěn)定引起的傳輸錯誤等)，在對這個文件重新計算MD5時就會發(fā)現(xiàn)信息摘要不相同，由此可以判定得到的文件是否被篡改。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有電梯檢測儀器功能不夠完善、結(jié)構(gòu)不夠靈活等情況，本發(fā)明提出了一種基于CAN總線的便攜式電梯安全性能監(jiān)測系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種基于CAN總線的便攜式電梯安全性能監(jiān)測系統(tǒng)，包括：加速度檢測模塊：檢測電梯運行過程中三個相互垂直方向上的加速度，并以此推算電梯的加加速度、速度、位移、振動參數(shù)；噪聲檢測模塊：檢測電梯運行過程中的噪聲；功率檢測模塊：檢測電梯運行過程中的功率，結(jié)合電梯運行速度，推算電梯平衡系數(shù)；人機交互模塊：顯示并記錄各參數(shù)測量結(jié)果；MCU主控模塊：接收來自各檢測模塊的信息，計算處理后發(fā)送到人機交互模塊，并作好記錄；網(wǎng)關(guān)模塊：與外部系統(tǒng)進行通信；電源模塊：為各模塊提供電源。

MCU主控模塊帶有CAN總線接口和藍牙接口，用于與其他模塊通信。MCU主控模塊自動識別掛接在CAN總線上的各功能模塊，功能模塊可不斷電插拔，即插即用，無需額外設(shè)置；加速度檢測模塊、噪聲檢測模塊、功率檢測模塊、網(wǎng)關(guān)模塊均帶有CAN總線接口，用于與MCU主控模塊通信；人機交互模塊帶有藍牙接口，用于與MCU主控模塊通信。

MCU主控模塊中維護一張CAN總線外設(shè)表，預設(shè)內(nèi)容為加速度檢測模塊、噪聲檢測模塊、功率檢測模塊、網(wǎng)關(guān)模塊等各功能模塊的ID以及工作狀態(tài)，設(shè)置CAN控制器中過濾器的篩選范圍為所有存儲于外設(shè)表中的ID和來自于外設(shè)的請求分配ID信號。若收到外設(shè)表中功能模塊的信息，則接收，并將此外設(shè)狀態(tài)設(shè)置為在線，同時啟用相應的功能模塊，若持續(xù)一段時間沒有收到此模塊的信息，則將其狀態(tài)設(shè)置為離線，同時屏蔽相應的功能模塊。若收到請求分配ID信號，MCU主控模塊先查詢外設(shè)表中是否已存在相同類型的設(shè)備，若存在或外設(shè)表已滿，則忽略此請求，并不再響應此設(shè)備，若不存在，則更新外設(shè)表，添加此設(shè)備，并給其分配ID，準備接收信息。

功能模塊帶有自身初始ID，若此ID存在于MCU主控模塊的外設(shè)表中，則此ID不變，否則由MCU主控模塊分配ID。功能模塊的CAN控制器中的過濾器只篩選MCU主控模塊的ID，不響應其他模塊。

功率檢測模塊分為功率測量部分和CAN總線接口部分，功率測量部分放置在電梯機房，CAN總線接口部分放置在轎廂中，兩部分之間通過無線通信進行數(shù)據(jù)傳輸。

CAN總線采用自定義的CAN通信協(xié)議，即CAN應用層協(xié)議，通信只在MCU主控模塊與功能模塊之間進行。自定義的CAN通信協(xié)議中數(shù)據(jù)幀的標準格式包括11位的標識符和0-64位的數(shù)據(jù)域以及其他控制、校驗位，其中的標識符和數(shù)據(jù)域是定義CAN應用層協(xié)議的主體。本協(xié)議規(guī)定標識符的第1位表示功能碼，2-3位表示設(shè)備類型，4-7位表示設(shè)備ID，剩余4位保留；所述功能碼表示通信內(nèi)容為傳輸數(shù)據(jù)或請求分配ID；當通信設(shè)備為測量傳感器時，規(guī)定數(shù)據(jù)域為32位，因單精度浮點數(shù)和整形數(shù)均為32位，標識符的后4位表示變量ID；當通信設(shè)備為其他功能模塊如網(wǎng)關(guān)時，規(guī)定數(shù)據(jù)域為64位，全部用來傳遞信息。

人機交互模塊帶有地圖、GPS定位與移動通信功能，遠端的服務器可以通過與人機交互模塊的通信，獲取電梯安全性能監(jiān)測系統(tǒng)的位置，進而對維保人員的位置、作業(yè)時間進行監(jiān)督和實時分配任務，維保人員借助地圖可以快速定位目的地。

測量數(shù)據(jù)以文件形式存儲于人機交互模塊，并計算文件的MD5值，將MD5通過人機交互模塊的移動網(wǎng)絡上傳到服務器，作為原始數(shù)據(jù)的憑證，防止維保人員事后篡改數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明裝置集成了電梯參數(shù)檢測以及通訊等功能模塊，通過CAN總線組態(tài)，可以根據(jù)現(xiàn)場測試要求按需配置功能模塊，即插即用，實現(xiàn)一機多用，降低運維費用；制訂了CAN通信協(xié)議，提高了通信效率；對檢測結(jié)果進行MD5加密，保證信息的真實性和可追溯；遠程服務器端可以監(jiān)督維保人員行程和實時分配任務，有利于加快電梯檢測流程，提高效率。

附圖說明

圖1是基于CAN總線的便攜式電梯安全性能監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2(a)是功率檢測模塊的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2(b)是功率檢測模塊的電路圖；

圖3是各個功能模塊的CAN總線接口電路圖；

圖4是CAN數(shù)據(jù)幀的標準格式。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種基于CAN總線的便攜式電梯安全性能監(jiān)測系統(tǒng)，包括：加速度檢測模塊100、噪聲檢測模塊200、功率檢測模塊300、網(wǎng)關(guān)模塊400、人機交互模塊700、MCU主控模塊600和電源模塊500。

加速度檢測模塊300采用三軸加速度傳感器AKE394B-02，量程±2g，輸出接口為RS485，通過帶CAN控制器的輔助單片機STM32F103以及數(shù)字隔離器ADUM1201、CAN收發(fā)器TJA1050，掛接到CAN總線上。測試時傳感器放置在電梯轎廂中央，Z軸垂直于地板，X軸正對轎門，輸出電梯在空間運行時在XYZ三軸的加速度分量，主控MCU通過數(shù)值微分、辛普森數(shù)值積分計算出加加速度、速度、位移以及振動。

噪聲檢測模塊200采用聲級計GM1356測量噪聲信號，量程30-130dB，測試時將聲級計放置在轎廂地板中心上方1.5m的位置。其內(nèi)部已集成了放大濾波等處理過程，可直接由輔助單片機STM32F103以PWM的形式讀取噪聲測量值，然后經(jīng)過數(shù)字隔離器ADUM1201、CAN收發(fā)器TJA1050掛接到CAN總線上。

功率檢測模塊300由兩部分組成，如圖2(a)、2(b)所示，包括ADE7758功率測量芯片310、采用STM32F103芯片的功率測量MCU 320、采用STM32F103芯片的帶CAN控制器的MCU 330、TJA1050 CAN收發(fā)器340、型號A05的RF433無線通信模塊350、型號A05的RF433無線通信模塊360、ADUM1201數(shù)字隔離器370。功率測量部分放置在整個電梯系統(tǒng)井道頂部的交流電機旁，利用功率測量芯片310采集交流電機有功功率，并將結(jié)果交給功率測量單片機320；CAN總線接口部分放置在轎廂中，主要由帶CAN控制器的單片機330和數(shù)字隔離器370、CAN收發(fā)器340組成。兩個單片機之間通過具有較高傳輸距離的RF433無線模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。

其余可增減的功能模塊，如網(wǎng)關(guān)模塊，均帶有CAN總線接口，如圖3所示。檢測模塊的傳感器或者其他功能模塊的專用芯片先與帶CAN控制器的輔助單片機STM32F103通信，將數(shù)據(jù)輸出，再通過數(shù)字隔離器ADUM1201、CAN收發(fā)器TJA1050，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線，從而與主控MCU進行通信。MCU主控模塊自動檢測并識別CAN總線上的各功能模塊，進而與已識別的模塊通信，接收檢測數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)以及通過人機交互模塊輸入的輔助參數(shù)，運用安全評估算法進行初步的電梯安全評估，最后將測量數(shù)據(jù)和評估結(jié)果發(fā)送到人機交互模塊呈現(xiàn)給用戶。

人機交互模塊選用10英寸的安卓平板電腦，支持藍牙4.0，網(wǎng)絡類型為4G，帶GPS定位功能。平板電腦通過藍牙可以與主控MCU通信，顯示并記錄電梯檢測數(shù)據(jù)。插入sim卡后可以與遠端服務器通信，接收來自服務器的任務分配，并在地圖上顯示地點，方便維保人員前往。服務器端定期接收平板電腦的GPS信息，以此來確定維保人員所在位置和作業(yè)時間，進而對其行程進行監(jiān)督。

在電梯安全性能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中制訂了電梯安全檢測參數(shù)CAN通信協(xié)議，即CAN應用層協(xié)議，通信只在MCU主控模塊與功能模塊之間進行。CAN數(shù)據(jù)幀的標準格式如圖4所示，包括11位的標識符和0-64位的數(shù)據(jù)域以及其他控制、校驗等位，其中的標識符和數(shù)據(jù)域是定義CAN應用層協(xié)議的主體。標識符唯一地標識了報文攜帶數(shù)據(jù)的含義，并且定義了靜態(tài)的報文優(yōu)先權(quán)，作為仲裁域的主要部分用于總線競爭。因此，標識符編碼結(jié)構(gòu)對于通信的實時性、可靠性等性能指標影響重大。本協(xié)議規(guī)定標識符的第1位為功能碼，具體是指0代表此幀用于傳遞數(shù)據(jù)，1代表此幀用于請求ID，標識符的2-3位表示設(shè)備類型，4-7位表示設(shè)備ID，剩余4位保留。當通信設(shè)備為測量傳感器時，規(guī)定數(shù)據(jù)域為32位，因單精度浮點數(shù)和整形數(shù)均為32位，標識符的后4位表示變量ID；當通信設(shè)備為其他功能模塊如網(wǎng)關(guān)時，規(guī)定數(shù)據(jù)域為64位，全部用來傳遞信息。例如加速度檢測模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到主控MCU時，標識符第1位為0表示此幀用于傳遞數(shù)據(jù)，標識符2-3位確定數(shù)據(jù)幀來自測量傳感器，4-7位表示傳感器為加速度計，8-11位表示速度值是X、Y或Z軸的值，數(shù)據(jù)域前32位表示單精度浮點型的加速度值。

測量數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫文件形式存儲于人機交互模塊，人機交互模塊同時計算文件的MD5值，并通過移動網(wǎng)絡上傳到服務器，作為原始數(shù)據(jù)的憑證，待維保人員返回后重新計算原始數(shù)據(jù)文件的MD5值，與之前上傳的MD5進行比對，防止維保人員事后篡改數(shù)據(jù)。