CN109264519B - 一种电梯振动信号预处理方法及电梯网关系统 - Google Patents

一种电梯振动信号预处理方法及电梯网关系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电梯振动信号预处理方法及电梯网关系统，其中，该方法包括：获取电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据；所述电梯运行状态数据包括电梯开关门运行状态数据、电梯轿厢上行状态数据及电梯轿厢下行状态数据；基于相应电梯运行状态的振动加速度数据，计算振动加速度数据的特征值，并将所述特征值与预设的临界特征值比较以判断电梯是否故障，若判断结果为是，则将所述电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据传输至云服务器；若判断结果为否，则将所述振动加速度数据的特征值传输至云服务器。本发明能够有效地减少电梯物联网的流量成本以及云服务器的成本。

Description

一种电梯振动信号预处理方法及电梯网关系统
技术领域
本发明属于电梯物联网数据传输领域，尤其涉及一种电梯振动信号预处理方法及电梯网关系统。
背景技术
电梯网关在电梯物联网系统中起着接收数据、处理数据和传输数据的重要作用。其中，电梯的振动加速度信号是电梯行业重点关注的对象，但是，目前的电梯网关都是直接传输原始的电梯振动加速度信号，而没有做数据压缩方面的处理，这样就导致电梯物联网系统运营成本的急速上升，一方面，电梯网关需要传输的振动数据量增加，对网络传输系统会有较大的压力，另一方面，云服务器需要处理的振动数据增加，导致数据处理成本增加。然而，并不是所有的原始振动数据都需要进行详细、深入地计算，因为部分数据的可挖掘的价值不及对它进行传输和处理所需的成本。因此让电梯网关传输有价值的振动数据是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电梯振动信号预处理方法及电梯网关系统，把最简单的最有效最具价值的电梯振动加速度数据传输至云服务器，让每一字节的振动数据传输都更有意义。
本发明提供了一种电梯振动信号预处理方法，包括：
步骤一：获取电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据；所述电梯运行状态数据包括电梯开关门运行状态数据、电梯轿厢上行状态数据及电梯轿厢下行状态数据；
步骤二：基于相应电梯运行状态的振动加速度数据，计算振动加速度数据的特征值，并将所述特征值与预设的临界特征值比较以判断电梯是否故障，若判断结果为是，则将所述电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据传输至云服务器；若判断结果为否，则将所述振动加速度数据的特征值传输至云服务器。
进一步地，所述步骤一还包括：
获取电梯轿厢视频数据，并基于所述电梯轿厢视频数据将所述电梯运行状态数据进一步划分为有乘客运行状态数据及无乘客运行状态数据。
进一步地，所述步骤二还包括：
通过4G网络传输所述电梯轿厢振动加速度数据及电梯轿厢视频数据。
进一步地，所述步骤二还包括：
通过NB-IoT网络传输所述振动加速度数据的特征值数据。
进一步地，所述特征值包括A95、均值、均方值、方差中的多种。
本发明还提供了一种电梯网关系统，包括：
数据采集模块，用于获取电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据；所述电梯运行状态数据包括电梯开关门运行状态数据、电梯轿厢上行状态数据及电梯轿厢下行状态数据；
电梯网关，用于基于相应电梯运行状态的振动加速度数据，计算振动加速度数据的特征值，并将所述特征值与预设的临界特征值比较以判断电梯是否故障，若判断结果为是，则将所述电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据传输至云服务器；若判断结果为否，则将所述振动加速度数据的特征值传输至云服务器。
进一步地，所述数据采集模块获取电梯轿厢视频数据，用以将所述电梯运行状态数据进一步划分为有乘客运行状态数据及无乘客运行状态数据。
进一步地，所述电梯网关通过4G网络传输所述电梯轿厢振动加速度数据及电梯轿厢视频数据。
进一步地，所述电梯网关通过NB-IoT网络传输所述振动加速度数据的特征值数据。
进一步地，所述电梯网关计算的特征值包括A95、均值、均方值、方差中的多种。
与现有技术相比本发明的有益效果是：能够有效地减少电梯物联网的流量成本以及云服务器的成本。
附图说明
图1是本发明电梯网关系统的数据传输示意图；
图2是本发明电梯网关系统的电路结构示意图；
图3是本发明电梯振动信号预处理方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
本实施例提供了一种电梯振动信号预处理方法，包括：
步骤一：获取电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据；电梯运行状态数据包括电梯开关门运行状态数据、电梯轿厢上行状态数据及电梯轿厢下行状态数据；
步骤二：基于相应电梯运行状态的振动加速度数据，计算振动加速度数据的特征值，并将该特征值与预设的临界特征值比较以判断电梯是否故障，若判断结果为是，则将电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据传输至云服务器；若判断结果为否，则将振动加速度数据的特征值传输至云服务器。
通过该电梯振动信号预处理方法，能够有效地减少电梯物联网的流量成本以及云服务器的成本。
在本实施例中，步骤一还包括：
获取电梯轿厢视频数据，并基于电梯轿厢视频数据将电梯运行状态数据进一步划分为有乘客运行状态数据及无乘客运行状态数据。
在本实施例中，步骤二还包括：
通过4G网络传输所述电梯轿厢振动加速度数据及电梯轿厢视频数据。
在本实施例中，步骤二还包括：
通过NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT，基于蜂窝的窄带物联网)网络传输所述振动加速度数据的特征值数据。
在本实施例中，特征值包括A95、均值、均方值、方差中的多种。
本实施例还提供了一种电梯网关系统，包括：
数据采集模块，用于获取电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据；电梯运行状态数据包括电梯开关门运行状态数据、电梯轿厢上行状态数据及电梯轿厢下行状态数据；
电梯网关，用于基于相应电梯运行状态的振动加速度数据，计算振动加速度数据的特征值，并将该特征值与预设的临界特征值比较以判断电梯是否故障，若判断结果为是，则将电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据传输至云服务器；若判断结果为否，则将振动加速度数据的特征值传输至云服务器。
通过该电梯网关系统，能够有效地减少电梯物联网的流量成本以及云服务器的成本。
在本实施例中，数据采集模块获取电梯轿厢视频数据，用以将电梯运行状态数据进一步划分为有乘客运行状态数据及无乘客运行状态数据。
在本实施例中，电梯网关通过4G网络传输电梯轿厢振动加速度数据及电梯轿厢视频数据。
在本实施例中，电梯网关通过NB-IoT网络传输振动加速度数据的特征值数据。
在本实施例中，电梯网关计算的特征值包括A95、均值、均方值、方差中的多种。
下面对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，电梯网关连接各种传感器，将传感器的数据进行处理并打包，接着以NB-IoT或者4G为通道传输至基站，通过基站传输至云服务器。一个云服务器管理若干个电梯网关，云服务器也可向下发送相关指令，例如初始化传感器，设置新的采样频率，设置新的各状态下的临界特征值。
电梯振动加速度采集模块、电梯网关以及天线安装固定在电梯轿厢的顶部，以减少对电梯轿厢内的原先外观的影响，并提高信号传输的时的稳定性。电梯门限位开关和电梯摄像头由于工作特点和体积较小的缘故，可安装在轿厢内的顶部。
如图2所示，该网关系统包括控制模块、数据采集模块、数据传输模块、数据存储模块、RF射频模块及电源模块。
控制模块1(ARM主控芯片)引出若干USB2.0接口，JTAG接口，串口，IIC接口及若干的数字量接口。其中JTAG口和1个usb2.0口可以用来烧录和调试程序，其他的用于连接传感器。控制模块1用于接收、处理传感器数据并通过数据传输模块发送数据。
数据采集模块包括振动加速度采集模块8，电梯轿厢摄像头11以及电梯门限位开关9、温湿度传感器10等传感器设备。
振动加速度采集模块8包括振动加速度传感器，数据采集卡及机箱，能够对采集到的振动信号进行滤波、16位精度的AD转换等工作。
数据传输模块包括NB-IoT模块7及4G模块4，分别用于NB-IoT传输和4G传输，NB-IoT可以用来传输较小的数据并用来确保设备在线，4G用来传输较大的数据，比如电梯原始振动加速度数据或者电梯视频数据。NB-IoT传输方式具有低功耗、信号强、接入点多的特点。4G传输方式具有传输速度快的特点，可以跟NB-IoT优势互补。当然，服务器也可以通过与网关建立起来的网络向网关发送相关指令，例如调整采样频率，设置特征值临界点和查询数据等。
数据存储模块包括SD卡13、NAND FLASH 12、NOR FLASH 14,通过SD卡的存储方式来存储数据，SD卡13与ARM主控芯片采用总线的方式进行通信。
电源模块包括电压转换模块(电源芯片2)，整个电源模块可以输出12V，5V，3.3V，1.5V等多种电压。
射频模块包括NB-IoT吸盘天线6、4G吸盘天线5，NB-IoT吸盘天线通过SMA接口与NB-IoT模块7连接，4G吸盘天线5通过SMA接口与4G模块4连接。
如图3所示的电梯振动信号预处理算法程序流程图，具体的执行过程如下：
首先，设置采样频率和选择需要计算的振动信号特征值及其临界点。
接着，在采集信号的时候，同时记录电梯门的状态以及当时的时间，根据振动加速度信号可以判断出电梯是否处于静止状态，通过电梯门限位开关获取电梯的运行状态，电梯的运行状态分为开关门运行状态、电梯轿厢上行状态和电梯轿厢下行状态。在电梯运行时根据摄像头11拍摄的画面判别此时是否有乘客，从而将电梯的运行状态进一步细分。
然后，将采集到的振动加速度信号，按照电梯的运行状态进行划分，每当运动状态发生改变时，处理前一运动状态的振动加速度信号。
具体处理方式包括：直接将电梯静止时的振动加速度信号删除，保留电梯开关门时的振动加速度信号以及电梯轿厢上下运行时的振动加速度信号，并分别求取A95、均值、均方值和方差等特征值。对于开关门状态，由于开关门时间较短，因此可以直接对该段时间内的信号求取特征值；对于电梯轿厢的上下运行状态，以10s为一个时间节点进行特征值计算，以防计算数据量太大影响网关正常工作。网关可对振动信号进行的计算具体包括：
1、振动信号的A95计算
在时间t内，95％的振动信号x(t)的幅值小于的值。对于A95，可以利用冒泡排序法快速地求出来，冒泡排序法比较一次可以将最大幅值的点排到最后，比较两次可以将第二大幅值的点排到倒数第二的位置，所以总共需要比较的次数是：
Figure BDA0001860239790000061
其中f是传感器的采样频率，t是采样时间，
Figure BDA0001860239790000062
代表向上取整。
2、振动信号的均值计算
在时间t内的振动信号x(t)所有值的算术平方值μx，N表示t时间内采集的信号量，其有限个离散量的表达式为：
Figure BDA0001860239790000071
3、振动信号的均方值计算
在时间t内的振动信号x(t)平方值的算术平方值
Figure BDA0001860239790000072
N表示t时间内采集的信号量，
Figure BDA0001860239790000073
是用来描述振动过程的平均能量或平均功率，其有限个离散量的表达式为：
Figure BDA0001860239790000074
4、振动信号的方差计算
在时间t内的振动信号的方差表示振动信号偏离均值的平方的平均值σ2，其有限个离散量的表达式为：
Figure BDA0001860239790000075
振动信号的均值，均方值，方差和A95是能够体现电梯是否出现故障的基本量，因此可以根据这些重要的基本量来判断电梯是否出现故障。
最后，将各自状态的A95，均值，均方值和方差与预先设置的临界值进行比较，若是超过临界值，则判定为电梯故障，并将电梯相应的运行状态时的原始振动加速度数据利用4G模块4发送至服务器；若是未达到临界值，则判定为电梯无故障，可安全运行，将电梯相应运行状态的振动加速度数据的特征值利用NB-IoT模块7发送至服务器，而不是直接发送原始的振动加速度数据，这样可大大减少传输的数据量。
本发明在电梯无故障时，通过将振动加速度数据“稀释”以达到节省振动加速度数据传输流量的目的，该方法可避免传输过多的低价值电梯振动加速度数据。在物联网时代，该方法对带宽和流量的节省是具有重大意义的。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (6)

1.一种电梯振动信号预处理方法，其特征在于，包括：
步骤一：获取电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据；所述电梯运行状态数据包括电梯开关门运行状态数据、电梯轿厢上行状态数据及电梯轿厢下行状态数据；
步骤二：基于相应电梯运行状态的振动加速度数据，计算振动加速度数据的特征值，并将所述特征值与预设的临界特征值比较以判断电梯是否故障，若判断结果为是，通过4G网络将所述电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据传输至云服务器；若判断结果为否，通过NB-IoT网络将所述振动加速度数据的特征值传输至云服务器；
其中，所述振动加速度数据的特征值是通过以下方式获得的：
根据将采集到的振动加速度数据，按照电梯运行状态进行划分，每当电梯运动状态发生改变时，处理前一运动状态的振动加速度数据；
直接将电梯静止时的振动加速度信号删除，保留电梯开关门时的振动加速度数据以及电梯轿厢上下运行时的振动加速度数据以计算振动加速度数据的特征值；
对于电梯开关门状态，直接对处于电梯开关门状态时间内的数据计算振动加速度数据的特征值；
对于电梯轿厢的上下运行状态，根据预设的时间间隔计算振动加速度数据的特征值。
2.根据权利要求1所述的电梯振动信号预处理方法，其特征在于，所述步骤一还包括：
获取电梯轿厢视频数据，并基于所述电梯轿厢视频数据将所述电梯运行状态数据进一步划分为有乘客运行状态数据及无乘客运行状态数据。
3.根据权利要求1所述的电梯振动信号预处理方法，其特征在于，所述特征值包括A95、均值、均方值、方差中的多种。
4.一种电梯网关系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于获取电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据；所述电梯运行状态数据包括电梯开关门运行状态数据、电梯轿厢上行状态数据及电梯轿厢下行状态数据；
电梯网关，用于基于相应电梯运行状态的振动加速度数据，计算振动加速度数据的特征值，并将所述特征值与预设的临界特征值比较以判断电梯是否故障，若判断结果为是，通过4G网络将所述电梯轿厢振动加速度数据及电梯运行状态数据传输至云服务器；若判断结果为否，通过NB-IoT网络将所述振动加速度数据的特征值传输至云服务器；
所述电梯网关通过执行以下操作来获得所述振动加速度数据的特征值：
根据将采集到的振动加速度数据，按照电梯运行状态进行划分，每当电梯运动状态发生改变时，处理前一运动状态的振动加速度数据；
直接将电梯静止时的振动加速度信号删除，保留电梯开关门时的振动加速度数据以及电梯轿厢上下运行时的振动加速度数据以计算振动加速度数据的特征值；
对于电梯开关门状态，直接对处于电梯开关门状态时间内的数据计算振动加速度数据的特征值；
对于电梯轿厢的上下运行状态，根据预设的时间间隔计算振动加速度数据的特征值。
5.根据权利要求4所述的电梯网关系统，其特征在于，所述数据采集模块获取电梯轿厢视频数据，用以将所述电梯运行状态数据进一步划分为有乘客运行状态数据及无乘客运行状态数据。
6.根据权利要求4所述的电梯网关系统，其特征在于，所述电梯网关计算的特征值包括A95、均值、均方值、方差中的多种。
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