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基于以太网的电梯远程监控系统设计毕业论文
基于以太网的电梯远程监控系统设计毕业论文
目 录
摘 要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1概述1
1.2以太网数据传输技术的介绍和应用2
1.3虚拟仪器介绍4
1.4基于以太网的电梯远程监控系统应用前景5
1.5本文的主要工作5
第二章电梯远程监控系统硬件概述7
2.1系统总体概述7
2.2系统硬件组成7
2.2.1电梯PLC控制器7
2.2.2电梯运行信息数据采集器7
2.2.3安装在轿箱顶部的各种传感器8
2.2.4远程监控端8
2.3系统功能8
第三章电梯远程监控系统软件设计9
3.1系统软件总体功能9
3.2系统软件总体结构9
3.3系统子程序流程10
3.2.1系统初始化子程序10
3.2.2网络连接程序11
3.2.3数据结构介绍14
3.2.4数据库操作程序14
3.2.5数据校验程序18
3.2.6基于云计算的安全问题解决对策25
3.2.7数据处理和显示26
第四章系统调试31
4.1系统调试方案设计31
4.1.1模拟网络连接方案设计31
4.1.2模拟数据校验方案设计32
4.1.3模拟数据接收显示方案设计32
4.1.4实际数据接收显示方案设计33
4.2系统调试与结果33
4.2.1虚拟网络连接调试结果33
4.2.2模拟数据校验调试结果34
4.2.3模拟数据接收显示调试结果35
4.2.4实际数据接收显示调试结果36
4.3系统调试中遇到的问题和解决方案37
结语39
参考文献40
致谢42
附录1：
VI层次结构43
第一章绪论
1.1概述
高层建筑的大量涌现，带动了电梯行业的飞速发展，电梯也日益深入到人们的日常生活当中，作为重要的交通工具得到了广泛的应用。
电梯属于特种设备，结构复杂，安全运行可靠性要求高[1]。
保证电梯安全可靠运行，是电梯用户关心的焦点。
国家也出台了一系列强制规，针对电梯生产、安装、运行、维修、改造、保养等过程进行监管[2]。
随着计算机技术和通讯技术的发展以及互联网应用的普及，通过专用网络进行数据传输在各个领域的应用已日益广泛，电梯的远程监控技术便是其中一例[3]。
电梯远程监控系统（RemoteElevatorMonitoringSystem，REMS），是指某个区域（一幢大楼，一群大楼，一个小区，一个城市等）中安装多部电梯后，对这些电梯进行集中远程监控，并对这些电梯的数据资料进行管理、维护、统计、分析、故障诊断及救援。
其目的是对在用电梯进行远程维护，远程故障诊断及处理，故障的早期诊断与早期排除，以及对电梯的运行性能及故障情况进行统计与分析，并在分析的基础之上选择合理的运行方案[4]。
总之安全可靠、运行稳定、界面友好、管理便捷已经日益成为如今电梯监控系统发展的主流方向。
目前国对电梯的维护与管理主要采用的是定期上门保养，发生故障时召修的传统方式，但这种方式越来越不适应时代的发展要求。
由于电梯数量巨大，分布广泛，运行资料库缺乏，遇到故障时只能手动报警，查找分析故障原因，恢复运行的时间久，有些积累、渐进性的问题没有被发现而没有得到及时有效的处理，积累到最后会产生较严重的后果。
传统的定期检查方法已经明显不符合电梯快速发展的要求。
不能及时地提供对电梯日常运行的记录和监测资料，增加了分析与排除故障的难度，大大延长了维修的时间。
电梯的远程监控技术正是基于以上原因而出现的，电梯远程监控技术是随着计算机控制技术和网络通信技术的发展而产生的电梯控制领域的前沿技术。
电梯远程监控则能够很好的解决这些问题。
电梯远程监控系统充分融合了计算机技术、通信技术、智能控制技术的各项优势，可实现基于网络技术的电梯远程监控及故障诊断。
通过远程监控，使得现场利用数据采集器采集到的数据通过以太网进行远程传输，使位于远程的计算机获得电梯的运行状态参数，能够实时监测电梯的状态，采集电梯运行参数，实现故障的早期预告和排除[5]。
对电梯发生的故障及时进行处理，甚至可以根据电梯运行的状态预测可能出现的故障，提前发出警告，并将其排除在发生之前，变被动维护为主动，保证电梯的正常运行[6]。
远程监控可以克服地理位置等因素对电梯管理的影响，节约管理资源，提高维修效率，降低电梯故障发生率和维保费用。
远程电梯监控使得电梯的运行更加人性化，成为安全舒适的交通工具。
1.2以太网数据传输技术的介绍和应用
以太网出现于1975年，于1990年正式成为ISO/IEC8802.3国际标准。
在这期间，以太网从最初的10Mbps以太网，发展到100Mbps快速以太网和交换式以太网，直到发展到千兆以太网和光纤以太网。
开始以太网只有10Mbps的吞吐量，使用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD，CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）的访问控制方法，这种早期的10Mbps以太网称之为标准以太网。
以太网可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等多种传输介质进行连接，并且在IEEE802.3标准中，为不同的传输介质制定了不同的物理层标准，在这些标准中前面的数字表示传输速度，单位是“Mbps”，最后的一个数字表示单段网线长度，基准单位是100m。
随着网络的发展，传统的标准以太网技术已难以满足日益增长的网络数据流量的速度需求。
快速以太网与原来在100Mbps带宽下工作的FDDI相比它具有许多的优点，最主要体现在快速以太网技术可以有效的保障用户在布线基础实施上的投资，它支持3、4、5类双绞线以及光纤的连接，能有效地利用现有的设施。
快速以太网的不足其实也是以太网技术的不足，那就是快速以太网仍是基于CSMA/CD技术，当网络负载较重时，会造成效率的降低，当然这可以使用交换技术来弥补。
千兆以太网技术作为最新的高速以太网技术，给用户带来了提高核心网络的有效解决方案，这种解决方案的最大优点是继承了传统以太技术价格便宜的优点。
千兆技术仍然是以太技术，它采用了与10M以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。
由于该技术不改变传统以太网的桌面应用、操作系统，因此可与10M或100M的以太网很好地配合工作。
升级到千兆以太网不必改变网络应用程序、网管部件和网络操作系统，能够最大程度地保护投资。
此外，IEEE标准将支持最大距离为550米的多模光纤、最大距离为70千米的单模光纤和最大距离为100米的同轴电缆。
千兆以太网填补了802.3以太网和快速以太网标准的不足。
万兆以太网规包含在IEEE802.3标准的补充标准IEEE802.3ae中，它扩展了IEEE802.3协议和MAC规，使其支持10Gbps的传输速率。
开放的以太网是20多年来发展最成功的网络技术，并导致了一场信息技术的革命[7]。
以太网是现有局域网采用的最通用的通信协议标准。
该标准定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法[8]。
以太网是建立在CSMA/CD机制上的广播型网络，以太网中节点都可以看到在网络中发送的所有信息。
当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行：
1）监听信道上是否有信号在传输。
如果有信号在传输，表明信道处于忙状态，就继续监听，直到信道空闲为止；
2）若没有监听到任何信号，就传输数据；
3）传输的时候继续监听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重新执行步骤1）。
当冲突发生时，涉及冲突的计算机会发送返回到监听信道状态。
每台计算机一次只允许发送一个包，一个拥塞序列，以警告所有的节点；
4）若未发现冲突则发送成功，所有计算机在试图再一次发送数据之前，必须在最近一次发送后等待9.6微秒（以10Mbps运行为例）。
冲突的产生是限制以太网性能的重要因素，早期的以太网设备如集线器是物理层设备，不能隔绝冲突扩散，限制了网络性能的提高。
而交换机作为一种能隔绝冲突的二层网络设备，极大的提高了以太网的性能。
正逐渐替代集线器成为主流的以太网设备。
通过在交换机上划分VLAN和采用三层的网络设备－路由器解决了冲突的产生和控制网络中广播流量的问题。
以太网支持的传输介质为粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等，其最大的优点是简单、经济、易被人们所掌握，所以深受广大用户欢迎[9]。
以太网星型的拓扑结构管理方便、容易扩展，需要专用的网络设备作为网络的核心节点、需要更多的网线、对核心设备的可靠性要求高。
采用专用的网络设备，如集线器或交换机，作为核心节点，通过双绞线将局域网中的各台主机连接到核心节点上，这就形成了星型结构。
星型网络虽然需要的线缆比总线型多，但布线和连接器比总线型的要便宜。
此外，星型拓扑可以通过级联的方式很方便的将网络扩展到很大的规模，因此得到了广泛的应用，被绝大部分的以太网所采用。
以太网是构建电梯远程监控的理想平台。
快速以太网极大提高了10Base－T以太网的传输速率，使得10Base－T以太网现有的应用程序和网络管理工具能够在快速以太网上使用[10]。
千兆位以太网是一种新型高速局域网，由于千兆以太网采用了与传统以太网、快速以太网完全兼容的技术规，因此千兆以太网除了继承传统以太局域网的优点外，还具有升级平滑、实施容易、性价比高和易管理等优点。
网络技术的成熟为电梯远程监控系统创造了很好的平台，数据可以很方便、快捷、安全的进行传输。
在保证数据完整性和安全性方面，提供了很好的平台，可以很方便的实现系统的数据传输通信功能。
1.3虚拟仪器介绍
虚拟仪器（virtualinstrument）是基于计算机的仪器，计算机与仪器之间的密切结合是现在仪器发展的一个重要的方向。
所谓的虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计、定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统[11]。
常用的虚拟仪器的构成方案如图1-1所示。
虚拟仪器的主要特点是可以尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差别主要是软件；可以充分发挥计算机的能力，具有强大的数据处理能力，因而能够做出具有强大功能的仪器；同时用户还可以根据自己的需要定义和设计各种相应的仪器。
图1-1常用的虚拟仪器的构成方案
LabVIEW（laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench）是一种图形化的编程语言和开发环境，被广泛的应用于研究实验室、学术界和工业界。
LabVIEW是一个功能强大的软件，为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境[12]。
LabVIEW尽可能利用工程技术人员所熟悉的术语、图标和概念，是一种面向终端用户的开发工具，可以增强工程人员构建自己的科学和工程系统的能力，可为仪器编程和数据采集系统提供便捷途径。
LabVIEW是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器[13]。
本系统使用的软件平台为LabVIEW。
LabVIEW软件具有强大的功能，置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数，提供的通信方式有TCP、浏览器、RDA、和DataSocket四种方式。
TCP/IP协议是网络中使用的基于软件的通信协议，包括传输控制协议TCP和网际协议IP，可使不同环境下不同节点之间彼此进行通信，是连入Internet的所有计算机在网络上进行各种信息交换和传输所必须采用的协议[14]。
而TCP/IP协议可以被LabVIEW软件直接应用的是传输层，LabVIEW提供了与TCP和IP协议相应的功能函数。
这样用户可直接调用TCP模块中已发布的TCPVI及相关的子VI来完成流程的编写，而无需过多考虑网络的底层实现。
利用其网络通信工具包可以方便的进行网络数据通信，图形化的编程语言大大减小了系统开发的难度[15]。
1.4基于以太网的电梯远程监控系统应用前景
电梯远程监控系统是集地理信息、计算机控制和远程通讯技术于一体，通过安装在电梯现场数据采集器和信息网络系统将分布在各处的电梯运行状况和故障信息及时传递到监控中心的监视终端或管理层网络终端，具有数据实时存储、在线分析、在线干预与监控以及数据报告自动生成功能的软硬件系统[16]，电梯远程监控系统是提高电梯安全运行服务质量的重要工具。
计算机技术及超大规模集成电路的发展，传感器的广泛应用，可以方便的对电梯的运行状态数据进行测量和采集，使用灵活方便[17]。
电梯远程监控系统本质是一个分布式监测系统，即以分布在各电梯控制柜处的数据采集模块完成被监测电梯数据的采集、处理、发送，以安装于维护中心的中央管理计算机完成电梯运行状态的监测及故障诊断。
运用数据库技术将各个采集点采集到的数据进行存储和管理，建立起电梯运行状态数据库系统，促进电梯系统的规化、系统化管理。
随着对电梯运行的安全性要求越来越高，集视频监控、报警对讲、运行数据传输为一体的电梯远程监控系统正在逐步发展完善，电梯远程监控系统将具有广阔的发展前景。
1.5本文的主要工作
本检测系统具体完成硬件上功能有：
1）工业现场采集到的电梯运行状态的数据通过以太网进行远程传输。
软件上实现功能有：
1）远程计算机利用Labview2010编写远程监控界面，并将接收到的电梯状态的数据直观的显示出来。
2）制定网络数据的校验协议，保证数据传输的正确性。
3）远程服务器端能通过网络成功的发送数据。
4）利用数据库实现数据的管理和查询。
本设计基于以太网将数据采集器采集到的电梯的运行状态信息进行远程传输，在接收端通过数据校验保证数据的正确性，然后将收到的状态信息在监控界面上进行显示。
本文完成了利用TCP/IP协议进行网络数据的接收和发送，并通过CRC校验对接收到的数据进行校验。
通过数据库的相关操作，方便了对电梯信息和数据采集器信息的管理和查询。
利用LabVIEW编写的远程界面能够将接收到的电梯信息直观的显示出来。
第二章电梯远程监控系统硬件概述
2.1系统总体概述
电梯远程监控系统数据采集器是采用传感器以及采用与电梯控制器通讯来采集电梯的运行数据，通过ARM处理器进行非常态数据分析，经由以太网传输，实现电梯远程监控、故障报警、困人救援、日常管理、质量评估、隐患防等功能的综合性电梯管理平台。
系统硬件结构示意图如图2-1所示。
图2-1系统硬件结构示意图
2.2系统硬件组成
2.2.1电梯PLC控制器
电梯PLC控制器中含有控制电梯运行程序，用于控制电梯的日常运行。
2.2.2电梯运行信息数据采集器
电梯运行信息数据采集器（以下简称：
数据采集器）：
用于采集安装在电梯轿箱顶部各种传感器的信号电梯控制器的数据信息，分析电梯的当前运行状态。
2.2.3安装在轿箱顶部的各种传感器
安装在轿箱顶部的各种传感器，包括上平层感应器、下平层感应器、门开关感应器、红外人体感应器、基站感应器、上极限感应器、下极限感应器，用于采集电梯的信号。
2.2.4远程监控端
用于实现电梯的远程监控界面的显示，进行数据的处理和查询，实现系统的功能。
2.3系统功能
电梯PLC控制器用来控制电梯的运行，通过利用安装在轿箱顶部的各种传感器和与电梯控制器通讯来采集电梯运行的相关信号，数据采集器能够支持单台电梯和群组电梯的数据采集，适用于各种类型电梯，支持多任务处理，可对255台电梯编码并同时进行数据采集和处理。
具有在线和脱机两种工作模式，自动切换实时传输和本地存储两种功能。
具有自诊断功能，可判断采集器自身和所使用故障传感器的故障信息，实现智能数据管理，可存储故障信息多至500条。
输入接口支持RS485、RS232、CAN总线。
输出接口支持RJ45有线以太网和GPRS、Wi-Fi无线网络。
可使用USB接口外接电脑进行参数设置并直观显示电梯信息。
通过以太网将采集到的信号进行传输，传送到远程监控端进行数据的监控和处理，从而实现系统的功能。
第三章电梯远程监控系统软件设计
3.1系统软件总体功能
该系统通过软件编程要实现远程计算机上显示监控界面，并将接收到的电梯状态的数据直观的显示出来。
为了保证能够正确显示电梯的运行状态，首先要实现远程端能够通过网络正确地接收数据，并要编写网络数据的校验协议，保证数据传输的正确性。
同时利用数据库进行数据的管理和查询，从而实现系统的整体功能。
3.2系统软件总体结构
系统软件总体结构如图3-1所示，整个程序是利用LabVIEW进行编程，软件程序采用模块化设计更容易理解和调试。
整个程序除主程序外还有5部分：
系统初始化子程序、网络连接程序、数据库操作程序、数据校验程序、数据处理和显示子程序。
图3-1软件结构图
主程序流程图如图3-2所示。
按照所需要实现的软件功能设计主程序的流程图。
系统运行后首先对系统进行初始化，然后进入主函数，然后进入循环，对数据库进行操作，选择需要监控的电梯，进行网络连接，然后接收通过网络发送来的所选电梯的运行状态信息，通过CRC校验来检查数据的正确性，然后将接收到的信息进行处理，在远程监控界面上进行显示。
图3-2主程序流程图
3.3系统子程序流程
3.2.1系统初始化子程序
系统初始化子程序流程图如图3-3所示。
系统上电运行后，首先要对系统的一些相关的参数进行设置，然后进行网络连接的设置，对远程监控界面有一个初始化的赋值显示，然后进行系统的正常运行。
图3-3系统初始化子程序流程图
3.2.2网络连接程序
TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol），传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。
TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型。
OSI（OpenSystemInterconnect）是传统的开放式系统互连参考模型，是一种通信协议的7层抽象的参考模型，其中每一层执行某一特定任务。
该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。
这7层是：
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
而TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构：
网络接口层、网络层、传输层、应用层，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。
应用层是应用程序间沟通的层，如简单电子传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、网络远程访问协议（Telnet）等；在传输层中，它提供了节点间的数据传送服务，如传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。
网络层负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机但不检查是否被正确接收，如网际协议（IP）。
网络接口层：
对实际的网络媒体进行管理，定义如何使用实际网络（如Ethernet、SerialLine等）来传送数据。
网际协议IP是TCP/IP的心脏，也是网络层中最重要的协议。
IP层接收由更低层发来的数据包，并把该数据包发送到更高层TCP或UDP层；相反，IP层也把从TCP或UDP层接收来的数据包传送到更低层。
IP数据包是不可靠的，因为IP并没有做任何事情来确认数据包是按顺序发送的或者没有被破坏。
IP数据包中含有发送它的主机的地址和接收它的主机的地址。
TCP是为数不多的运输协议，有其自己的拥塞控制和恢复机制。
由于TCP被设计为运行在一个无连接网络层，在TCP层每个连接的端点之间实现拥塞控制[18]。
TCP将它的信息送到更高层的应用程序，例如Telnet的服务程序和客户程序。
应用程序轮流将信息送回TCP层，TCP层便将它们向下传送到IP层，设备驱动程序和物理介质，最后到接收方。
TCP/IP协议从各层次提供了保证传输可靠性的机制，其中传输层的TCP协议使用了肯定确认机制ACK和“滑动窗口”算法[19]，能够较好地保证信息高效、准确、可靠地传输。
TCP/IP协议已经成为全世界公认的网络数据传输交换协议[20]。
协议结构上，TCP/IP体系利用基于无连接传输的IP协议，具体表现为IP地址，来区分网络中不同的数据站点。
同时提供了两种传输方式：
传输控制协议TCP为典型的传输大量数据或需要接受数据许可的应用程序提供面向连和可靠的通信；用户数据协议UDP提供无连接的通信，典型的即时传输少量数据的应用程序使用UDP[21]。
根据IP协议容和TCP的报文格式，数据传输需要确定各主机的IP地址及通信的源端口号、目标端口号，也即通常所称的套接字Socket，从而实现端口对端口基础上的面向连接的数据通信[22]。
LabVIEW不但提供了高效、易用的网络开发工具，也提供了TCP、IP、UDP、ActiveX等功能模块板进行网络连接和进程通讯，编程时摆脱了传统语言中烦琐的底层命令函数，只需从功能模板中选用有关的函数图标连线而成。
在用TCP节点进行通信时，需要在服务器框图程序中指定网络通信端口（Port），客户机也要指定相同的端口才能与服务器之间进行正确的通信。
端口值由用户任意指定，只要服务器与客户机的端口保持一致即可。
在一次通信连接建立后，就不能更改端口的值了。
如需要改变端口值,则必须首先断开连接才能重新设置端口值[23]。
在数据传输中，TCP/IP网络通过提供通用网络服务，使得具体网络技术对用户或应用程序透明，从而将具体通信问题从网络细节中解放出来，使网络应用更加灵活方便[24]。
接收端网络连接流程图如图3-4所示。
图3-4接收端网络连接流程图
本远程监控系统使用客户机/服务器模型即一组进程（客户机）向一组进程（服务器）请求服务[25]，采用的信号来自于电梯运行现场的电梯运行状态的各项参数，经数据采集器通过TCP/IP协议经由通讯电缆将信号传送给服务器。
接收端读取数据的程序框图如图3-5所示。
图3-5接收端读取数据程序框图
服务器端使用监听TelnetListen.vi，客户端使用打开连接TelnetOpenConnection.vi。
都是服务器处于监听状态，监听客户机是否发出请求，服务器可以是发送信息，也可以是接收信息，客户机也可以是发送端，也可以是接收端，但都是由客户端使用打开连接TelnetOpenConnection.vi，如图3-6所示，服务器使用监听TelnetListen.vi，如图3-7所示，因此编程时要注意。
图3-6TelnetOpenConnection.vi图3-7TelnetListen.vi
远程监控的计算机处于Server模式，服务器端程序中，首先利用节点函数TelnetListen.vi监听网络中的指定端口是否有连接请求。
延时时间设置为-1，是说明等待的时间间隔是随机的，没有设定要在固定的时间间隔监听到连接就要提示错误。
利用节点函数TelnetRead.vi接收客户端发送来的数据，利用StringSubset将代表不同信息的字符串提取出来进行不同的分析和处理。
有一点需要注意的是，客户机端框图程序中首先要指定服务器的名称才能与服务器之间建立连接。
服务器的名称是指计算机名。
若服务器和客户机程序在同一台计算机上同时运行，客户机框图程序中输入的服务器的名称可以是localhost，也可以是这台计算机的计算机名，或者以一个空字符串代替[26]。
数据采集器处于Client模式，客户端程序中，利用TelnetOpenConnection.vi打开与服务器之间的连接。
建立TCP连接后，利用节点函数TelnetWrite.vi把需传输的数据（电梯的楼层、上行、下行、电梯门的开关等）通过网络发送出去。
数据采集器发送端的程序框图如图3-8所示。
图3-8发送数据的程序框图
3.2.3数据结构介绍
为了便于
升级会员 