（控制理论与控制工程专业论文）基于gprs数据传输的电梯远程故障诊断系统的研究.pdf

摘要本文深入研究了基于g p r $ 数据传输的电梯远程故障诊断系统。研究了电梯远程故障诊断系统的结构，通过合理地系统架构，使远程维修服务中心能够通过i n t e r n e t 实时采集分布在各个小区中的电梯数据，进行相应的分析处理。在深入研究利用g p r s 进行远程数据传输的原理后，设计了嵌入式电梯数据采集卡：在此基础上，结合实时嵌入式操作系统邙o s - i i 建立了一个嵌入式软件开发平台，并在分析t c p i p 协议的基础上提出了嵌入式t c p i i p 协议的概念，论述了嵌入式g p r s 协议的实现。论述了如何在此平台的基础上开发应用软件，使数据采集卡能够通过g p r s 接入i n t e r n e t 进行电梯数据的实时远程传输；在电梯发生故障时，能够实现拨打电话、发送短信息及语音报警等多种灵活的报警方式。实践证明，在软件开发平台的基础上开发嵌入式系统能够极大她提高开发效率，减少重复劳动，并提高了系统的实时性、可靠性和稳定性。深入研究了模糊p e t r i 网和神经网络用于故障诊断的原理和两者的优缺点，提出了基于神经网络的模糊p e t f i 网模型( n n f p n ) 。n n f p n 综合了神经网络和模糊p e t # 网的优点，用于故障诊断可使整个诊断系统不再是一个“黑箱”，具备基于知识的故障诊断专家系统的透明特性，推理过程清晰可见，意义明确；同时由于可训练学习的网络规模小，计算速度明显快于复杂的神经网络；并且由于具备了神经网络的学习能力，模型不再是固定不变的，可以不断地学习新的专家经验知识。提出了n n f p n 的训练学习算法，并用实例加以验证；论述了如何建立基于n n f p n 的电梯故障诊断模型进行诊断推理，并提出针对不同工作状态下的电梯用不同的n n f p n 模型进行故障诊断，可以使故障诊断的结果更准确，更符合实际情况。关键词：故障诊断g p r s 模糊p e t f i 网神经网络n n f p n电梯a b s t r a c ti nt h i sp a p e rt h er e m o t ee l e v a t o rf a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do ng p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) i st h o r o u g h l yr e s e a r c h e d ，t h es t r u c t u r eo ft h er e m o t ee l e v a t o rd i a g n o s i ss y s t e mi ss t u d i e df i r s t b yd e s i g n i n gt h es y s t e ms t r u c t u r er e a s o n a b l y ，t h er e m o t em a i n t a i n i n gs e r v i c ec e n t e rc a r lc o l l e c tt h ed a t ao fe l e v a t o r s ，w h i c ha r ei naw i d ea r e a ，i nr e a lt i m et h r o u g hi n t e m e t t h e nt h ed a t ac a l lb ep r o c e s s e di nt h ec e n t e r a f t e rl u e u b r a t e dt h ep r i n c i p l eo fg p r su s e di nr e m o t ed a t at r a n s m i s s i o n ，e m b e d d e de l e v a t o rd a t ac o l l e c t i o nb o a r di sd e i g n e d b a s e do ni ta l o n gw i t ht h er t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) - g c o s i i ，t h o r o u g h l yd i s c u s s e sh o wt oe s t a b l i s had e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fe m b e d d e ds o f t w a r e a n de m b e d d e dt c p i pp r o t o c o li sp r o p o s e db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t a n d a r dt c p i pp r o t o c 0 1 t h e nd i s c u s s e st h er e a l i z a t i o no fe m b e d d e dg p r sp r o t o c 0 1 d i s c u s s e sh o wt ou s et h ep l a t f o r mt od e s i g na p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，s ot h ed a t ac o l l e c t i o nb o a r dc a l lc o n n e c ti n t e r n e tt h o r o u g hg p r st ot r a n s m i tt h ee l e v a t o rd a t a w h e nt h ee l e v a t o ri si nf a u l ts t a t e ，t h ed a t ac o l l e c t i o nb o a r dc a nr e a l i z em a n yk i n d so fa l a r mm o d e ，s u c ha sm a k i n gap h o n ec a l l ，s e n d i n go u tas h o r tm e s s a g eo rp l a y i n gv o i c er e c o r dt ot h em a i n t a i n i n gp e o p l ei nt i m e p r a c t i c ep r o v e st h a tt h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mb a s e do ne m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mc a l li n c r e a s et h ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c y , r e d u c et h er e p e t i t i o nl a b o ra n di n c r e a s e st h es y s t e m sr e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n dr e a lt i m ec h a r a c t e rw i d e l y t h o r o u g h l yr e s e a r c h e st h ep r i n c i p l eo ff u z z yp e t r in e t ( f p n ) a n dn e u r a ln e t w o r ko i n ) t h a ta r eu s e di nf a u l td i a g n o s i s b a s e do nt h ed e e pr e s e a r c ho ft h e i ra d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e ，an n f p n ( f p nb a s e do nn n ) m o d e li sp r o p o s e d n n f p ns y n t h e s i z e st h ea d v a n t a g eo fb o t hs y s t e m sa n dc a nb eu s e di nf a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，i tp r o v i d e sat r a n s p a r e n tm o d e l i n ga n da n a l y z i n gc a p a b i l i t ya n di sn o ta n ym o r ea “b l a c kb o x ”n n f p nr e p r e s e n t i n gaf u z z yf a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mb a s e do nk n o w l e d g ec a nb eu s e dt oa n a l y z et h ed i f f e r e n ti n f e r e n c es t a t e ss t e p b y - s t e pa n dt h em e a n i n gi sc l e a ra n dd e f i n i t e a tt h es a m et i m eb e c a u s eo f t h el e a r n i n gu n i to f n n f p ni sn o tv e r yb i g ，t h ec o m p u t a t i o ns p e e di so b v i o u s l yq u i c k e rt h a nt h a to fc o m p l e xn n m o r ei m p o r t a n t ，n n f p nh a sl e a m i n ga b i l i t y , t h a ti st os a y , t h ep a r a m e t e r si n c l u d i n gm e m b e r s h i pv a l u e s ，w e i g h t sa n dc e r t a i n t yf a c t o r se t c o ff u z z yp r o d u c t i o nr u l e s ，w h i c ha r em o d e l e db yn n f p n ，c o u l db et u n e d s ot h en n f p nm o d e li sn ol o n g e rf i x e da n dc a nl e a r nn e we x p e r te x p e r i e n c ek n o w l e d g ec o n s t a n t l y t h el e a r n i n ga l g o r i t h mo fn n f p ni sp r o p o s e d a n dg i v eap r a c t i c a le x a m p l et od e m o n s t r a t et h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo ft h ea l g o r i t h m d i s c u s s e sh o wt oe s t a b l i s ht h en n f p nm o d e lo ft h ee l e v a t o rf a u l td i a g n o s i ss y s t e ma n dh o wt ou s et h em o d e 】t od of a u l td i a g n o s i sr e a s o n i n g a tl a s tp r o p o s e st h a tt oe l e v a t o r s ，w h i c ha r ei 1 - 1d i f f e r e n tc o n d i t i o n ，s h o u l du s ed i f f e r e n tn n f p nm o d e lt od of a u l td i a g n o s i s t h u st h er e a s o n i n gr e s u l tc o u l db em o r ea c c u r a t ea n de v e nm a c ha c t u a lc i r c u m s t a n c e ，k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，g p r s ，f p n ，n n ，n n f p n ，e l e v a t o r独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学雠文储躲纠哆签字吼缈午年月扩日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盘凄盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫洼盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)靴敝储摊：纠钙签字同期：影叩毕年f 月彦日导师签名签字日期汐日匈第一章绪论1 1 课题的研究意义1 1 1 电梯故障诊断2第一章绪论在现代社会中，电梯已是城市物质文明的一种标志。在高层建筑中，电梯更是不可或缺的垂直运输设备。现代电梯是机电一体化的高新技术产品，其结构复杂，可靠性要求高。作为一种垂直运输载人交通工具，不但要求乘坐舒适、停靠准确，而且希望方便快捷，尽量缩短候梯和故障停梯维修时间。电梯故障诊断就是在电梯不拆卸的情况下，根据有限的信息，鉴别电梯运行的工作状态，当电梯发生故障时确定故障的部位和性质，寻找故障的起因及找出相应对策。随着电力电子技术及计算机技术的不断进步，电梯控制系统的设计经历了一系列的变革，系统性能日趋合理，越来越能够满足人们各方面的要求。同时，随着城市化进程的加速，高层建筑的存在越来越普遍，电梯的使用场合越来越多，这就加大了电梯操作、维修、保养人员的工作量及工作强度。因此，伴随着电子元器件价格的不断下调，而人员维保费用却在日渐增多，传统的仅靠人工发现和处理故障的方式显得越来越不适应，且效率低下，当电梯出现故障时，维保人员往往不能及时、准确地了解电梯出现故障的原因及相关信息，乘客的人身安全容易受到威胁，这就促使人们设法利用最先迸的科学技术开发各种电梯远程监控及故障诊断报警系统。1 1 2 研究电梯远程故障诊断的意义现代电梯的可靠性已经大大提高，但是电梯运行中关人、央人、蹲底、冲顶、溜梯等事故时有发生。电梯运行可靠性的提高一方面要通过改进设计、提高制造、安装质量来解决，另一方面要依靠完善的维修保养体系和先进的远程故障监控诊断手段来解决。电梯远程监控和故障诊断报警旨在以最少的人员配备加强对电梯的管理，提供较为直观、清晰、准确的电梯运行状态现场：进而为维修和诊断提供多方面的可能性，减少维修人员路上的往返时间。在安装电梯远程监控及故障诊断系统的情况下，当电梯发生故障时，它可以把电梯的运行和故障信息传送到远程维修服务中心，使维修人员知道电梯问题所在并如何去处理。如轿厢由于发生门故障而被困于某层，远程维修中心根据故障状况判断后，则可允许用遥控方式来打开轿门和层门，在无维第一章绪论修人员到现场的情况下，被困人员就可以离开轿厢。如果有的故障必须要维修人员到现场的话，为使被困人员安心，中一t l , 可即刻向轿厢播放安抚语音，解除乘客的紧张心理。电梯远程故障诊断系统对电梯用户的受益是显而易见的，用户得到的不仅仅足一个部件，而且能享受到一整套的售后服务。远程维修服务中一t l , 始终监控着他们所承包的电梯，随时可以知道电梯的运行状态和发生故障的属性，维修人员去故障梯之前就已知道该维修的项目，减少了维修服务的成本和时间，这种预保养式的售后服务方式在国外是深得用户的信赖的，这也将是我国电梯工业技术发展的一个重要方向。目前国外电梯技术进步的侧重点已转向售后和物业服务。在o t i s 公司，电梯保养员工已经超过了雇员总数的2 3 。对绝大多数的o t i s 公司来讲，大部分利润和现金均来自稳定的维修服务业务。改革开放以来，我国电梯保有量迅速增长，在用电梯已经超过4 0 万台，如何保证每台电梯都能够可靠运行，已成为提高物业管理水平和我国电梯技术进步的关键所在，因此，电梯远程故障诊断系统的研究开发与推广是非常必要的。1 2 课题的研究背景和现状1 2 1电梯远程故障诊断系统“朝阳7 8在高层建筑中，尤其在智能大厦中，对电梯的远程监控和故障诊断报警是一项相当复杂和全面的技术，这项技术是伴随着计算机控制技术和网络技术的发展而逐步发展起来的。目前美国、日本、欧洲的大的电梯公司几乎都利用现代化的通讯手段和计算机技术开发了各自的电梯远程监控及故障诊断系统，把自己负责维修保养的电梯置于监控网络之中，当电梯出现故障时，能够在第一时间发现故障。这些系统一般是通过公用有线电话网进行电梯数据的采集传输，由特定人员通过设在嗡控中心的服务器对分布在各地的电梯进行监视。例如t h y s s e n ( 蒂森) 公司的远程监控系统具有控制电梯的功能，能检测和识别滥用或误操作紧急呼救功能，当监控系统判断出发生故障时能进行报警；o t i s 公司的远程监控中心( r e m ) 具有分级报警的功能，它能够自动发出电梯服务中断的讯号，显示发生故障的地点、性质、问题及乘客状况等资料；富士达电梯可视通讯系统由监视系统和指令系统两部分组成，在监控终端屏幕上可显示楼层平面图和井道平面图，指令系统可以远程控制电梯。然而，由于中国特殊的国情，这些国外大公司的电梯远程监控及敬障诊断系统在中国的实际应用中还存在着一定的局限性，如只能监控本公司的电梯，对其他公司电梯的监控无能为力；对有线电话网络的质量要求比较高；系统的价格比较昂贵，笙= 童丝丝一般用户难以承受等等。国内一些企业也尝试开发具有中国特色的电梯远程监控及故障诊断系统，但由于这样一个系统是涉及到计算机控制、电梯控制、网络通讯、w i n d o w s 平台下高级语言编程等多个专业的较大的系统工程，技术难度较大，同时在设计时还要考虑到中国电话网络的信号传输质量，以及与各个厂家的电梯控制系统( 包括微机控制系统、p l c 控制系统以及早期的继电器控制系统) 的接口问题等诸多因素，因此现在国内的电梯监控系统，在一定程度上存在某些不足：1 、功能简单，如只能进行简单的电梯运行状态监控；2 、同时监控的电梯数量少，只能监视而不能控制管理和远程调试，不能进行电梯故障的诊断及早期预警；3 、适用电梯种类少，对p l c 控制的电梯进行监控比较容易，但是，对微机控制的电梯监控就困难得多；4 、远程电梯数据传输一般采用电话线和m o d e n ：，现场必须要有固定的电话线，这给难于布线的一些场合造成了困难，成本也比较高。1 2 2 电梯故障诊断方法1 2 2 1故障诊断技术的研究现状1 1经过4 0 多年的理论研究和实际应用，现在基本的故障诊断方法可分为如下几类：1 、基于系统数学模型的诊断方法以现代控制理论和现代优化方法为指导，以系统数学模型为基础，利用等价空间方程、k a l m a n 滤波器、参数模型估计与辨识等方法产生残差，然后基于菜种准则或闽值对残差进行分析与评价，实现故障诊断。2 、基于系统输入输出信号处理的诊断方法通过某种信息处理和特征提取方法来进行故障诊断，应用较多的有基于小波变换的诊断方法、基于输出信号处理的诊断方法、基于时间序列特征提取的诊断方法、基于信息融合的诊断方法等。这种方法不需要对象的准确模型，因此适应性强。3 、基于人工智能的诊断方法基于建模处理和信号处理的诊断技术正发展为基于知识处理的智能诊断技术。这些方法包括基于专家系统的智能诊断技术、基于神经网络的智能诊断技术、基于模糊p e t r i 网的诊断方法、基于故障树分析的诊断方法等。4 、其它诊断方法其它诊断方法有模式识别诊断方法、定性模型诊断方法以及基于灰色系统理论筇一章绪论的诊断方法等，另外还包括前述方法之间互相融合、互补不足而形成的一些混合诊断方法。1 2 。2 2 故障诊断技术的发展趋势”m 1故障诊断技术的发展趋势包括如下几个方面：1 、混合智能故障渗断技术研究将多种不同的智能技术结合起来的混合诊断系统是智能故障诊断研究的一个发展趋势。2 、智能b i t 技术研究b i t ( b u i l t i nt e s t ，机内测试) 技术为系统和设备内部提供故障检测和隔离的自动测试能力。b i t 智能化主要解决传统b i t 在最优设计、信息获取、分析处理、综合决策等方面的不足。3 、基于i n t e r n e t 的远程故障诊断技术研究用若干台计算机作为服务器，在企业的关键设备上建立状态监测点，采集设备状态数据：在技术力量较强的科研院所建立分析诊断中心，为企业提供远程技术支持和保障。需要着重解决如下几方面问题：远程信号采集与分析：基于i n t e r n e t 的实时监测数据的远程传输；基于w e b 数据库的开放式诊断专家系统设计等。1 2 2 3 模糊p e t ri 网用于故障诊断n 2 m “2 2 m 3p e t r i 网是描述和分析含有并发、异步、分布、不确定性和随机性等的离散事件动态系统的重要工具。作为一个图形工具，p e t r i 网使用图形化的表达方式，清晰、直观，便于理解；作为一个数学工具，p e t r i 网模型可以建立一组状态方程、代数方程，或者其它的数学模型来反映系统行为。在故障检测和诊断领域，模糊p e t r i 网可用于表达系统模糊逻辑关系，完成模糊知识表示和诊断推理；也可对被诊断对象建立行为模型，利用模糊p e t r i 网属性进行基于模型的诊断推理。1 2 2 。4 神经网络用于故障诊断神经网络是生物学中脑神经网络的某种抽象、简化和模拟，其工作原理是建立在模式变化的基础上的，因此，将其应用于故障模式识别是很自然而有效的。作为一种自适应的模式识别技术并不需要预先给出关于模式的先验知识和判别函数，它第一章绪论通过自身的学习机制自动形成所要求的决策区域，而且可以连续学习，它的这些特性使故障模式识别成为神经网络应用较成功的一个领域。1 2 2 4 模糊p e t rl 网与神经网络的结合“7 m 朝心们心模糊p e t r i 网因缺乏良好的调整学习机制而不能处理实际系统的潜在变化，而神经网络具有良好的学习训练能力；现有的模糊p e t r i 网在表示模糊逻辑方面存在缺陷，而在神经网络中，权重形式的知识表达方式难以理解；总之，模糊p e t r i 网和神经网络各有优缺点，因此可以将p e t r i 网与神经网络相结合，各取其长，互补所短，可以用于电梯故障诊断系统中。1 3 课题的研究内容课题的主要研究内容如下：1 、研究电梯远程故障诊断系统的结构，通过合理地系统架构，使异地的维修服务中心能够通过i n t e r n e t 实时地采集分布在各个小区中的电梯数据，并进行相应的分析处理。2 、深入研究了g p r s 的基本原理，并将其应用到电梯的远程数据采集中。3 、设计了嵌入式电梯数据采集卡，可以完成通过g p r s 接入i n t e r n e t 进行电梯数描远程传输的功能，并能够实现语音报警、拨打电话报警、发送短信息报警等多种灵活的故障报警方式。4 、提出应该在嵌入式开发平台的基础上进行嵌入式系统的开发，以减少重复劳动，提高开发效率，并以实时嵌入式操作系统l a c o s i i 为基础，结合嵌入式电梯数据采集卡建立了基于g c o s i i 的嵌入式软件开发平台，在这个开发平台的基础上开发应用软件。5 、深入研究了模糊p e t r i 网和神经网络用于故障诊断的原理，指出了两者的优缺点，建立了基于神经网络的模糊p e t r i 网模型( n n f p n ) 。6 、着重探讨了n n f p n 的学习能力，并用c + + 编写了可以完成n n f p n 训练学习的动态链接库( d l l ) 模块。7 、深入研究了n n f p n 的故障建模方法和推理策略，并将其应用到电梯故障诊断系统中，提出了针对不同工作状态下的电梯利用不同的n n f p n 故障模型进行诊断，可以使故障的诊断结果更准确，更符合实际情况。一墨三雯墨竺垄塑一- - - - _ _ - _ _ _ - _ - _ _ - - - _ - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ - - - _ _ 第二章系统结构2 1电梯远程故障诊断系统的总体结构基于g p r s 数据传输的电梯远程故障诊断系统的总体结构如图2 - 1 所示：图2 1电梯远程故障诊断系统的总体结构为了获取现场电梯的信息，外界需要能够和电梯控制系统交互，通常的做法是将每一部电梯作为一个服务器，监听外界的各类请求。在这种方式下，需要将每一部电梯连至i n t e r n e t ，但是，对电梯控制系统这种对实时性要求很高的系统来说，是一个很大的负担，同时，安全性也得不到充分保证，另外也非常不经济。因此，我们采取了另外一种方式，即在小区中建立现场监测工作站，所有外界对电梯系统的访问都通过它进行，这样只需要将监测工作站连入i n t e r n e t 即可。图2 1 中，现场工第二章系统结构作站实时监视小区内的电梯，在线监测系统作为一个模块内嵌于电梯控制系统中，通常情况下，在线监测系统不与外界交互，但监听现场工作站的请求。它与电梯控制器通讯，实时采集电梯的状态信息，这些状态信息包括电梯所处的楼层、运行方向、呼梯信号、开关门信号以及其它的一些与电梯运行状况密切相关的信息。若干个在线监测系统通过4 8 5 4 2 2 总线、c a n 总线或ir t r a n e t 组网。的方式与现场工作站通讯，在不同的小区内可以灵活选用不同的组网方式。现场工作站通过串口连接嵌入式电梯数据采集卡，采集卡可以完成通过g p t s 无线网络接入i n t e r n e t 的功能，这样工作站就可以将电梯数据发至i n t e r n e t 网上，连在i n t e r n e t 网上的远程维修服务中心经过授权可以从i n t e r n e t 网上获取电梯信息。另外，嵌入式电梯数据采集卡还能实现现场语音报警、拨打维保人员电话报警和手机短信息报警等多种灵活的故障报警方式。当电梯数比较少，不需要设置现场工作站时，嵌入式电梯数据采集卡可以取代现场工作站，它可以直接与组网的电梯控制器通讯，实时采集电梯数据，并可与远程维修服务中心通讯。当现场工作站根据采集的电梯状态信息判断出电梯发生了故障时即调用故障诊断模块，按照故障诊断算法进一步判断出电梯发生了何种故障，然后将故障信息存入数据库中，接着通过控制嵌入式电梯数据采集卡按照预先设定的故障报警方式进行报警，如拨打电话报警、发送故障短信息报警等；还可以立即通过g p t s 登陆i n t e r n e t ，将电梯故障信息上传到远程维修服务中心，进行相应处理。平时，远程维修服务中心也可以每隔一定间隔就与现场工作站通过i n t e r n e t 进行通讯，采集电梯数据，判断出电梯发生故障时，可以进行相应的故障处理。2 2 嵌入式电梯数据采集卡嵌入式电梯数据采集卡是数据传输系统的核心部分，担负着与现场工作站或电梯控制器和远端主机的实时交互功能，因此其设计是非常关键的，可以说它的性能决定着整个数据采集系统的性能。图2 - 2 为嵌入式电梯数据采集卡的原理性框图。嵌入式电梯数据采集卡主要由单片机控制电路、g s m g p r s 模块以及一些外围控制电路等组成。单片机负责与g s m g p r s 模块和现场工作站或电梯控制器通讯，通过串口通讯电路，电梯信息进入到单片机中，单片机控制g s m g p r s 模块完成i n t e r n e t 的接入过程。g s m g p r s 模块选用了手机模块生产商法国w a v e c o m 公司的w i s m 0 2 d 模块。这是一个双频g s m g p r s 手机模块( e g s m9 0 0 1 8 0 0m h z 或e g s m9 0 0 1 9 0 0 m h z ) 通过了g s mp h a s e2 + 技术标准的所有认证，适合于手持蜂窝移动电话及其它无线通第二章系统结构单片机控制电路叫眦p r s 馘01 ：r ”一“i图2 - 2 嵌入式电梯数据采集卡的原理框图讯产品应用，是一款性价比较高的产品。其主要特点如下”：1 、通过一个串行口u a r t 完成模块与外围应用程序的接口；2 、能够完成语音功能，语音编解码支持半速率、全速率及增强全速率；3 、具备g s m 电路数据传真功能；4 、具备g p r s 数据传输功能，符合g p r sc l a s s2 标准：5 、在g s m 或g p r s 状态下均可以收发短消息，短消息可以是文字或p d u 格式；6 、支持其它的一些附加增值电信业务。嵌入式电梯数据采集卡完成的主要功能有：1 、与现场工作站或电梯控制器通讯，实时采集电梯的信息：2 、单片机控制电路通过a t 指令与g s m g p r s 模块通讯，完成基于g p r s 的i n t e r n e t接入功能；3 、可以收发短信息，拨打指定的电话号码；4 、当接到远端主机的命令时，可以将包含电梯信息的数据传送到i n t e r n e t 上，也可主动上传电梯数据，完成与远端主机的交互功能：5 、当检测到电梯处于故障状态时，可以拨打预先设好的电话号码，然后播放预先设定的语音，并向指定手机号码发送电梯故障短信息，以实现故障报警功能。嵌入式电梯数据采集卡的详细设计将在第四章中介绍。图2 3 为嵌入式电梯数据采集卡通过g p r s 接入i n t e r n e t 的示意图。分布在各个小区中的电梯数据采集卡通过g p r s 接八i n t e r n e t 后，将电梯的各种状态信息通过g p r s 发送到i n t e r n e t 上，同时接收来自远端主机的命令，进行相应的操作。当采集卡接入i n t e r n e t 后可得到由g g s n ( g p r s 网关支持节点) 所分配的私有i p 地址，另第二章系统结构图2 - 3电梯数据采集卡通过g p r s 接入i n t e r n e t外，不同小区中的数据采集卡所分配的i p 地址是不同的，由此远端主机便可以区分不同地区的电梯。另外，在采集卡未接入i n t e r n e t 前是不具备i p 地址的，因此在弓远端主机建立连接之前，需要先由采集卡主动向远端主机发送数据以建立连接，或者通过短信息的方式与采集卡进行通讯。远端主机可以通过不同的方式接入i n t e r n e t ，可以通过宽带网，可以是拨号上网等等，只要远端主机具备一个合法的i p 地址，并经过了相应的授权，就可以同电梯控制系统进行交互。通过无线g p r s 接入i n t e r n e t 的方式是非常灵活而方便的，现场无需固定的电话线，这在一些布线困难的场合尤其适用；另外，g p r s 是按流量计费的，当不传输数据时不会产生任何费用，这不同于传统的基于时间的电信计费方式，因此当进行间歇性的数据采集时成本是比较低的“。2 3电梯故障诊断软件结构电梯故障诊断软件运行于现场工作站或远程维修服务中心，其结构如图2 - 4 所示，主要由以下几部分组成：1 、数据采集模块。完成电梯状态信号的实时采集工作，当运行于现场工作站时，通过串口采集数据；运行于远程维修服务中心时，通过i n t e r n e t 网络采集数据。2 、检测处理模块。完成电梯运行状态的监测，包括电梯运行方式( 自动，检修，司机，消防) 、电梯运行状态( 呼梯，开门，开门到位，关门，门区关门到位，负载状况，楼层，运行方向，急停，门锁，上下限位开关等) ，当监测程序发现有故障时，发出故障报警，系统管理人员可启动故障诊断线程，并进一步地采集相关历史数据，对故障进行远程诊断定位。9第二章系统结构3 、故障诊断知识库。其中存储的电梯故障专家经验知识是通过对样本的反复学习并在此过程中不断调整连接权值得到的。4 、解释模块。根据n n f p n 网络的输出，给出推理过程和推理根据，回答用户的提问，并以系统询问的方式补充诊断所需的额外信息。5 、知识库操作模块。主要用来供专家通过人机接口对知识库进行更新、修改、自学习等操作，以更好地适应外界环境的变化。6 、人机接口。主要负责完成人机交互工作。进行故障诊断时，首先从所有检测点获得电梯监测信息，建立非正常检测点的故障假设集，再利用检测知识库判断检测点值是否正常，如有故障则送至n n f p n 网络。n n f p n 网络根据得到的电梯故障数据，并依据故障诊断知识库存储的专家经验知识进行推理。如果推理成功的话将得到可能的故障部位、故障原因和相应的维修策略，并送至解释模块。解释模块通过人机接口给出故障诊断的结果，在维修人员没有到达现场的情况下，便可以自动判断故障的性质，帮助维修人员缩小故障查找范围，提高维修效率。l 篓吲n 篓n 等f p n 斟| | | 型i 解释模块闩面谈库il1f1人机接口j 亡j 上l用户电梯故障诊断专家2 4 小结图2 - 4电梯故障诊断软件结构本章首先论述了基于g p r s 数据传输的电梯远程故障诊断系统的总体结构和工作原理，重点是如何实现电梯数据的实时采集、远程传输和故障诊断；然后分析了嵌入式电梯数据采集卡的设计和工作原理，重点是其如何通过g p r s 接入i n t e r n e t 进行数据传输；最后提出了电梯故障诊断软件的结构并进行了分析。第三章g p r s 与实时嵌入式操作系统第三章g p r s 与实时嵌入式操作系统3 1g p r s 的基本原理及应用陋6 儿”3 1 1g p r s 的基本概念无线移动通信史可以分为3 个阶段，或称为3 代。第一代移动通信是模拟无线网络，第二代是目前广为使用的g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s )和c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea e e e s s ，码分多址) 系统。而第三代移动通信( 简称为3 g ，t h i r dg e n e r a t i o n ) 目前尚处于试验阶段，还没有大规模的推广应用。从第二代移动通信向3 g 的过渡技术便是g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) ，因此g p r s 有时也被称为2 5 g 技术。g p r s 是在现有的g s m 网络基础上发展起来的，它将分组交换技术引入到空中接口，在无线信道上实现了分组交换，改变了g s m 在无线信道上的电路交换方式，使得空中资源可以为多个用户共享，带宽按需分配。g p r s 可以与i n t e r n e t 或企业网相连，向移动客户提供丰富的数据业务。3 1 2g p r s 的特点在现阶段，主要有两种无线数据业务：g s m 和g p r s 数据业务。g s m 数据业务最初是一种基于电路交换的数据业务，提供9 6 k b p s 的接入速率，此后出现了基于s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 的数据业务，实现小数据量业务的i n t e r n e t 接入、收发e m a i l 等业务。由于电路交换的固有特点，使得在提供g s m 数据业务时具有资源利用率低、使用成本高等不可避免的问题，这也是分组移动数据业务出现的原因。g p r s 是2 5 g 阶段引入的一种基于分组的数据业务，它能够实现从空中接口到外部网络之间的分组数据传输，g p r s 可以接入基于t c p i p 的外部网络和x 2 5 ( 一种基于包的协议，主要在欧洲地区广泛应用) 网络，从而给移动用户提供高速无线i p 和无线x 2 5 业务。g p r s 的主要特点是：l 、采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源和无线资源的利用：2 、支持中、高速率数据传输，可提供从9 0 5 到1 7 1 2 后助j 的数据传输速率( 每用户) ，它采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义了c s 1 、c s 一2 、c s 3 和c s 一4 四种编码方案：第三章g p r s 与实时嵌入式操作系统3 、g p r s 网络接入速度快，支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i n t e r n e t 网络、x 2 5 网络互联互通，支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理，也允许短消息业务经g p r s 无线信道传输；4 、g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据的传输，支持四种不同的q o s ( 服务质量等级) ：5 、g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。身份认证和加密功能由s g s n( g p r s 服务支持节点) 来执行，其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前g s m 中的一样，不过g p r s 使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的；6 、g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级的计费功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便：7 、g p r s 能向用户提供i n t e r n e t 所能提供的一切功能，g p r s 对于i n t e r n e t 的其它组成部分来说，只是一个普通的子网，用户在拥有一个电话号码的同时将拥有一个固定的或动态分配的i p 地址。但是g p r s 现在也存在下列一些问题：1 、实际速率比理论值低g p r s 数据传输速率要达到理论上的最大值17 2 2 k b p s ，就必须只有一个用户占用所有的8 个时隙，并且没有任何防错保护。电信运营商将所有的8 个时隙都给一个用户使用显然是不太可能的。另外，最初的g p r s 终端预计可能仅支持1 个、2个或3 个时隙，一个g p r s 用户的带宽因此将会受到严重的限制，所以，理论上的g p r s 最大速率将会受到网络和终端现实条件的制约。2 、调制方式不是最优g p r s 采用基于g m s k ( g a u s s i a nm i n i m u m s h i f tk e y i n g ) 的调制技术，相比之f ，e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s me v o l u t i o n ) 基于一种新的调制方法一8 p s k( e i g h t p h a s e - s h i f tk e y i n g ) ，它允许无线接口支持更高的速率。网络营运商如果想过渡到第三代，必须在某一阶段改用新的调制方式。3 、存在转接时延g p r s 分组通过不同的方向发送数据，最终达到相同的目的地，那么数据在通过无线链路传输的过程中就可能发生一个或几个分组丢失或出错的情况。3 1 3g p r s 网络结构g p r s 是在g s m 原有网络的基础上叠加一层网络组成g s m g p r s 网络，它增加了s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，g p r s 业务支持节点) 、g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ，g p r s 网关支持节点) 、p c u ( p a c k e tc o n t r o lu n i t ，分组控制单第三章g p p s 与实时嵌入式操作系统元) 、收费网关( 可选) 、边界网关( 可选) 等实体，同时通过g p r s 骨干网实现各实体之间的连接。图3 一i 是g p r s 的网络结构图：域名服务器，动态主机配置协议图3 1g p r s 网络结构从图3 1 中可以看到，计算机通过串行通讯或无线方式连接到g p r s 移动台( m s )上：m s 与g s m 基站( b t s ) 通信，但与电路交换式数据呼叫不同，g p r s 分组是从基站发送到s g s n ，而不是通过移动交换中心( m s c ) 连接到语音网络上。s g s n 与g g s n进行通信：g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如i n t e r n e t 或x 2 5 网络。来自i n t e r n e t 或x 。2 5 网络标识有m s 地址的i p 包，由g g s n 接收，再转发到s g s n ，继而传送到m s 上。s g s n 是g s m 网络结构中的一个节点，它与m s c 处于网络体系的同一层。s g s n通过帧中继与b t s 相连，是g s m 网络结构与m s 之间的接口。s g s n 的主要作用是记录m s 的当前位置信息，并且在m s 和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。g g s n 通过基于i p 协议的g p r s 骨干网连接到s g s n ，是连接g s m 网络和外部分组交换网( 如i n t e r n e t 和局域网) 的网关。g g s n 主要起网关作用，有时也将g g s n称为g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的i n t e r n e t 或x ，2 5 网络。s g s n 和g g s n 利用g p r s 隧道协议( g t p ) 对i p 或x 2 5 数据分组进行封装，实现两者之间的数据传输。用户数据在m s 和外部