CN107203201A - 基于can总线的电梯监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于CAN总线的电梯监控方法，包括：CAN总线通信电路，包括至少一个CAN控制器和CAN收发器；主控制器，其连接所述CAN总线通信电路，能够监测所述电梯的工作状态；信号采集模块，其能够进行数据采集和实现与所述CAN总线通信电路之间的通信功能；报警模块，其连接所述主控制器，能够对所述电梯的工作状态异常进行报警。
Description
技术领域
本发明涉及电梯监控方法，具体涉及基于CAN总线的电梯监控方法。
背景技术
目前电梯监控系统多数只能针对几个特定的电梯型号，对故障率较高的早期电梯兼容不好，造成只能覆盖一部分的情况。
现有的国产电梯监控系统界面一般都比较简陋，许多是直接使用组态软件制作的，而组态软件并不适合做用户交互界面良好的应用程序。
目前国内大部分电梯监控系统是不带有数据库的，只是提供了基础的实时监控功能以及报警功能，这样的系统可扩展能力就比较差了，难以在其上进行更高层次的对电梯的情况进行分析，电梯监控系统即使带有数据库的，也仅仅是研发了一些简单的功能，如历史记录查询、故障情况分布等。
发明内容
本发明设计开发了基于CAN总线的电梯监控方法，本发明的发明目的之一是采用现场总线作为通信载体实现电梯监控系统，减少传送误差，对数据进行实时存储与监控。
本发明的发明目的之二是采用BP神经网络算法完成电梯监控系统的主动式报警，减少因电梯引发的事故。
本发明提供的技术方案为：
基于CAN总线的电梯监控方法，包括：
CAN总线通信电路，包括至少一个CAN控制器和CAN收发器；
主控制器，其连接所述CAN总线通信电路，能够监测所述电梯的工作状态；
信号采集模块，其能够进行数据采集和实现与所述CAN总线通信电路之间的通信功能；
报警模块，其连接所述主控制器，能够对所述电梯的工作状态异常进行报警。
优选的是，所述信号采集模块中设置拨码开关，所述信号采集模块通过对所述拨码开关进行读取后将数据和所述信号采集模块采集的数据与所述CAN总线通信电路之间的通信功能。
优选的是，还包括：后台功能模块，其用于监听所述CAN总线通信电路的传输数据。
优选的是，所述后台功能模块包括：
主动式报警模块，其用于判断电梯是否具有故障风险；
主界面模块，其用于刷新电梯的工作状态；
报警监控模块，其用于判断电梯工作是否异常。
优选的是，所述信号采集模块中设置定时器。
优选的是，所述CAN收发器为CTM1050T芯片。
优选的是，所述报警模块为GSM报警模块。
优选的是，其特征在于，采用BP神经网络对电梯进行预警，包括如下步骤：
步骤一、按照采样周期，采集数据包括电梯载重、轿厢开关门噪声、曳引机三项电流、曳引机三项电压、垂直振动加速度、水平振动加速度、垂直方向加速度、垂直方向减速度、电梯主机电动机温度、紧急制动器线圈温度以及机房温度；
步骤二、将上述信号进行处理，所述电梯载重、轿厢开关门噪声、曳引机三项电流、曳引机三项电压、垂直振动加速度、水平振动加速度、垂直方向加速度以及垂直方向减速度通过S型隶属函数进行数据处理，所述电梯主机电动机温度、紧急制动器线圈温度以及机房温度通过高斯型隶属函数进行数据处理，确定三层BP神经网络的输入层节点；
步骤三、所述输入层向量映射到隐藏层，所述隐藏层向量Y＝{Y1,Y2,……,Yh}；h为隐藏层节点个数；
步骤四、得到输出层节点T＝{T1,T2,T3,T4,T5,T6}；其中，T1为电梯曳引机故障系数，T2为回路故障系数，T3为门机故障系数，T4为电梯控制器故障系数，T5为三相电源输入单元故障系数，T6为变频器故障系数。
优选的是，在所述步骤三中，所述隐藏层节点个数h满足，其中，n′i为输入层节点数，n′0为输出层节点数，c为1～10之间的数。
优选的是，所述隐藏层激活函数为双曲正切函数，所述输出层激活函数为非线性对数S型函数。
本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：
1、本发明现场总线作为通信载体实现由计算机管理的电梯监控系统，可以将不同产品或者不同厂家的产品通过现场总线连接在一起，现场总线使用数字信号进行传输，一般带有仲裁与错误检测等能力，可以有效的减少传送误差；
2、本发明对电梯信号采集系统采集到的信号进行存储与监控，完成对电梯的实时监控，可以高效的完成故障报警功能，完成历史数据分析功能；
3、本发明采用BP神经网络的数据挖掘算法，用于完成电梯监控系统的主动式报警功能，采用数据挖掘来分析某些事物潜在的发展趋势和隐患，可以大大减少因电梯引发的事故。
附图说明
图1为本发明所述的电梯监控系统框架图。
图2为本发明所述的电梯监控系统底层信号图。
图3为本发明所述的电梯监控系统的后台功能模块图。
图4为本发明所述的CAN总线网络拓扑结构图。
图5为本发明所述的电梯监控系统信号截图示意图。
图6为本发明所述的信号获取器模块构成图。
图7为本发明所述的CAN总线部分电路图。
图8为本发明所述的界面图。
图9为本发明所述的参数界面图。
图10为本发明所述的三层神经网络的结构图。
图11为本发明所述的BP神经网络传播算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，电梯监控系统框架图。本发明采用现场总线作为通信载体实现由计算机管理的电梯监控系统，电梯作为被监控的主体，控制中心运行在计算机中，借助计算机的运算能力对电梯运行情况监控，当判断电梯情况异常时，可以通过一定的手段通知管理人员或者是电梯维护人员对异常进行处理。电梯信号获取器获取到信息后，需要将其打包，封装成一个数据包，通过CAN总线收发模块发送到CAN总线网络中。在计算机上，存在着一个接入到CAN总线网络中的CAN总线模块，该模块会收集数据包，并通过串口发送至计算机中。
如图2所示，系统底层信号获取器构成。电梯监控系统的底层服务是指CAN网络及以下的所有服务。它为系统上层提供电梯的运行数据，主要的实现部分为信号获取器，本发明设计的电梯监控系统主要是针对老旧电梯的，因为它们的型号不一，支持的功能也不一样，输入输出口的设计也不一样，为了解决这个问题，本设计在信号获取器上加了一个可以用于配置电梯型号的拨码开关，信号获取器可以通过对拨码开关进行读取，而后与采集数据一起上传，由上层的计算机后台服务去确定每一个引脚的含义。
如图3所示，后台功能模块框图，后台功能模块入口为串口监听，它负责监听CAN总线网络上传来的数据。数据上传后，配置表管理器会从读取配置，并赋予上传的数据具体意义，由数据整理模块整理完毕后，会交由数据存储模块存储进数据库。
数据整理模块同时会将数据交给数据分发模块，数据分发模块会将数据交给需要该数据的模块，一共有三个，分别是主动式报警模块、主界面以及报警监控。主动式报警模块后台会根据电梯的历史数据判断电梯是否有故障的风险；主界面用于刷新电梯的工作状态；报警监控模块会根据报警管理器的参数判定电梯工作是否异常，如果异常，则根据报警管理器提供的联系方式生成报警信息，并调用GSM驱动发出警报，GSM用于驱动一个GSM报警器，报警器支持TTS技术，能够将文字转换成语音在电话时播放。
主界面可以创建三个后台子模块，分别是用户权限管理器，用于处理用户管理方面的后台逻辑；数据查询结果生成器，用于为数据查询提供数据支持；报警管理器，用于管理用户设置的各项阈值以及管理人员联系方式。
如图4所示，多CAN总线网络拓扑结构，一个计算机可以接受多个CAN总线网络的数据，每个CAN总线网络都是一个星型网络，这种网络拓扑方式能在一定程度上提升CAN总线网络的稳定性以及避免网络拥堵的情况出现。
如图5所示，电梯监控系统信号截取示意图，本发明的电梯监控系统是基于现有的电梯系统之上的系统，所以先抽象出大部分电梯的运行方式，并在此基础之上，寻找一个合适的插入点，将电梯监控系统插入到正常的电梯系统之中，实现对电梯的运行情况的监控。
如图6所示，信号获取器模块构成图，信号采集器的功能是对外界输入的信号进行采集，采集的信号可能是模拟信号也可能是数字信号，信号采集器对不同的输入口进行不同的处理。使用一个拨码开关确定配置，之后将采集到的信息以及配置编号送入到信号转换器中。
信号采集器内部存在着一个定时器，用作定时循环扫描每一个输入口，当扫描完一遍后，会再次定时，等待下一次扫描。除此之外，还有一个拨码开关管理器，这个管理器的主要功能是确定采集到的信息究竟是哪种类别的信息，在系统中维护有一张表，划分出了使用不同的配置项，扫描信息加上配置项才可以得到信息的具体意义。
数据转换器只有一个功能就是完成将信息转变成标准格式数据包的操作。数据包的格式设计如表1所示；
表1数据包的格式设计
配置编号是用于告知服务器本信号获取器配置的，数据说明是用于节省A/D转换通道采集到的数据的占用空间的。
CAN总线接口模块是为单片机提供对外通信的模块，该模块仅仅负责初始化CAN总线控制器、接收数据转换器发送来的数据包，并将其发送到地址为0x00的CAN总线节点上。CAN总线接口模块内部由两个部分组成：第一部分是：CAN总线维护。该部分负责对CAN总线进行维护，在启动之初进行对CAN总线控制器的初始化工作，包括各个寄存器的设定、发送缓冲区的填写。在被要求发送数据时，根据预先设计的模板填写相关信息并完成发送。第二部分是：CAN总线数据拆分器。由于本设计中使用的CAN总线使用的数据帧每一帧可传送的有效字节大小为8Byte，所以在处理大的数据包时，需要将数据包拆开发送，数据拆分器会将数据包按照大小拆分为若干个数据帧，然后对每一个数据帧进行编号，将携带了编号的数据包送入CAN总线维护模块发送出去。
在本发明中，CAN总线收发器使用的CTM1050T芯片，在该芯片里集成了所有CAN总线收发器件，而总的大小不超过3cm2，符合ISO 11898标准，CAN总线控制器使用的芯片型号为是SJA1000T。本发明中使用的是PeliCAN模式，在此模式下，SJA1000T能支持所有的CAN2.0B规范。
如图7所示，CAN总线部分电路图，CTM1050T由SJA1000T进行控制，仅使用RX与TX两个引脚，分别接入SJA1000T的TX0和RX0，并且需要在CANH于CANL之间接入一个阻值约为120欧姆的终端电阻，但是该电阻在整个CAN总线网络中，仅仅需要一个就可以，不是所有的节点都需要终端电阻，所以终端电阻会直接接在总线上。SJA100T0与单片机进行连接，其中AD0至AD7作为数据线，ALE/AS，CS,RD,WR作为控制线，除此之外，SJA需要接一个晶振作为信号源，并且提供了一个中断口用于方便单片机控制SJA1000T的工作状态。
单片机采用的是STC单片机系列中的STC15F2K60S2,该单片机支持八个A/D通道，最大工作频率能达到33MHz,支持掉电唤醒以及硬件看门狗。在硬件电路里该单片机的作用为信号采集与控制CAN总线控制器在电路中P1是A/D转换通道，由于待检测电压都高于5V，所以使用了阻排进行分压，转换成低于5V的模拟电压，阻排的太小根据信号获取器要获取的信息不同而不同，获取电梯的输入输出信号时，使用5K就可以，获取高电压时，就需要使用100k左右的阻排分压。在数字开关量方面使用了CD4067，CD4067为16通道模拟开关，虽然有干扰，但是对数字量不影响，在输出口同样使用了电阻进行分压。由于单个单片机不能监控一台电梯的所有信号，所以需要加一个拨码开关确定配置，不同的配置表示采集不同的内容。网络AD是作为数据总线接入到CAN总线网络部分的，其他的为控制CAN总线网络部分的。
本发明中的信号获取器使用了双电源切换电路，在有12V供电的情况下，使用12V电源，同时切断电池供电，当12V电源缺失的情况下，可以将电源切换到备用电池供电，这样的设计是为了能够在掉电的情况下，传送出电源丢失信号给计算机，通知管理人员查看。
本发明中信号获取器的软件设计主要是基于单片机STC15F2K60S2，软件要实现定时循环扫描各个输入口的输入信息，根据拨码开关确定输入口信息的意义，生成标准数据包，并且可以操作CAN总线控制器，包括初始化CAN总线控制器和发送数据。信号获取器的软件设计分为了四个部分，分别是CAN总线收发、定时扫描、标准数据包生成以及硬件看门狗。
本设计的CAN总线控制器使用的SJA1000T，因此CAN总线的收发部分主要的工作内容就是操作SJA1000T。对SJA1000T的操作本质上就是对其各个寄存器的操作。CAN总线驱动代码指的是定义的SJA1000T头文件中定义的SJA1000T寄存器地址以及一个名为SJA1000T_Write()的函数。
本设计的定时扫描程序分为两个部分。首先是定时循环部分，其次是扫描部分。定时循环部分在系统启动后开始运行，定时扫描程序使用的TIMER0作为定时器，定时时间为20ms，采集频率为50HZ，与市电220v同频率。程序首先修改TH0寄存器和TL0寄存器，设定循环计数，而后打开总中断，程序退出，之后定时器到时间后，就会进入到中断中，中断函数里会设置一个全局变量，将其设置为Ture，而后清理中断标识，在此进入循环。扫描部分是定时扫描程序的核心，该部分代码入口标识在interrupt 1的中断函数里进行设置，代码位于主线程中。当扫描部分检测到允许扫描标识为True时，启动扫描，并在最后将扫描标识重新更改为False。扫描函数首先逐个扫描八个A/D转换通道，并根据分压电路的阻值，计算出原有的电压，最终形成一个数组保留。之后再控制CD4067逐个扫描数字量，也存入一个数组，最后将配置与数组一起发给数据包生成器，完成全部的扫描过程。
本设计的数据包生成器在设计中是负责读取拨码开关位置，进而确定配置的。从硬件设计中得知，信号获取器使用了两个I/O口，最多只能使用四个配置，在单片机的存储器中，存储了四张表，表明了四种不同的配置。定时扫描程序会将扫描生成的数组送至数据包生成器，数据包生成器需要将数组生成一个标准格式的数据包，发送至CAN总线模块。其中数据包中的数据说明是描述A/D转换通道数据的，它使用了一个字节进行描述，当前通道存在输入为1，无输入为0。A/D扫描数组加上两个字节的数字信号扫描数组共同组成了数据内容。
本发明系统稳定性维护程序设计构成：
1、使用单片机支持硬件看门狗功能，看门狗的功能是在系统启动看门狗之后，看门狗开始计时，在限定的时间内，也就是看门狗定时器溢出之前，系统必须执行“喂狗”操作，也就是清空看门狗定时器，让其重新开始计数，如果到时间系统仍然没有“喂狗”，则看门狗认为系统程序已经跑飞，会直接复位单片机，让系统重新开始工作，用以避免系统陷入死循环或者是程序错乱。本设计中因为考虑到CAN总线收发的原因，所以看门狗溢出时间约为1s，在每次系统完成扫描，通过CAN总线发出数据后，代码控制权会交还给主循环程序，由主循环程序进行“喂狗”的工作，避免溢出。如果本CAN总线节点出现错误，则系统会陷入到CAN总线发送代码中，也就是会触发看门狗执行复位操作，复位整个信号采集器；
2、使用双电源进行供电，如果主供电电源掉电，则会启动电池电源，在启用电池电源时，系统会重新启动，启动后的系统会依照既定程序开始采集数据，但是由于主电源已经断电，所以采集到的信号全部都是0，在此种情况下，系统将会通过CAN总线发送一个掉电警报。计算中监控软件收到这个数据包后，就可以根据数据包中地址直接触发电梯掉电警报。掉电错误检测代码与看门狗一样位于系统主循环中，写在数据包生成器之后，发送给CAN总线收发程序之前。
本设计选用MySQL的主要原因是电梯监控系统是一个实时的系统，MySQL的数据存储速度是比较快的，所以适合用来做电梯监控系统的数据库。数据库中设计了三个部分的数据表，分别用来进行用户管理、电梯管理、报警参数管理，用户管理只使用了一张用户管理表，如表2所示；
表2用户管理表
| 序号 | 名称 | 数据类型 | 含义 |
| 1 | UserName | text | 用户名 |
| 2 | Password | text | 用户密码(MD5加密) |
| 3 | Auth | integer | 用户权限 |
| 4 | LastLogin | datetime | 上次登录时间 |
电梯管理是用来管理电梯的表的结合，包括了电梯列表、配置表以及电梯数据表，电梯管理表如表3所示；
表3电梯管理表
| 序号 | 名称 | 数据类型 | 含义 |
| 1 | LiftID | integer | 电梯主键 |
| 2 | Desc | text | 电梯的描述信息 |
| 3 | Floor | integer | 电梯层数 |
| 4 | Position | text | 电梯所在地 |
配置表是描述电梯配置的，一个电梯可能有多个配置，因为一个电梯上可能附带有多个信号获取器，一个电梯上的不同信号获取器是不可能使用一个配置的，配置表如表4所示；
表4配置表
电梯数据表用来存储信号获取器上传的数据的，如表5所示；
表5电梯数据表
| 序号 | 名称 | 数据类型 | 含义 |
| 1 | DataID | integer | 数据表主键 |
| 2 | SettingID | integer | 外键，指向配置表 |
| 3 | CollectTime | DataTime | 记录采集日期 |
| 4 | LiftID | integer | 外键，指向电梯表 |
| 5 | AD0 | integer | 模拟信号通道0数据 |
| 6 | …… | …… | …… |
| 7 | AD7 | integer | 模拟信号通道0数据 |
| 8 | Dig0 | integer | 数字通道0数据 |
| 9 | …… | …… | …… |
| 10 | Dig15 | integer | 数字通道1数据 |
报警管理表用来存储报警配置信息的，使用了两张数据表，分别是报警联系方式表以及报警参数表，报警联系方式表如表6所示；
表6报警联系方式表
报警参数用来允许用户设置某一个电梯的参数报警阈值，当电梯上传的数据不在报警参数范围内时，就会触发报警，参数可以由用户直接设置，报警参数表如表7所示；
表7报警参数表
| 序号 | 名称 | 数据类型 | 含义 |
| 1 | AlertSettingID | integer | 报警参数表主键 |
| 2 | LiftID | integer | 外键，指向电梯编号 |
| 3 | SettingID | text | 外键，指向配置表 |
| 4 | AD0 | text | 模拟信号通道0数据范围 |
| 5 | …… | …… | …… |
| 6 | AD7 | text | 模拟信号通道7数据范围 |
| 7 | Dig0 | text | 数字通道0数据范围 |
| 8 | …… | …… | …… |
| 9 | Dig15 | text | 数字通道15数据范围 |
本设计中数据管理服务模块用于接收信号获取器上传的数据，并读取数据库中的配置表赋予数据含义，之后存储于数据库中的电梯数据表，最后将数据抛出给需要的模块。根据其功能，数据管理服务模块需要串口驱动模块、数据处理模块。其中串口驱动模块负责完成对CAN总线网络的接入，写入特定的缓冲区供上层程序使用；数据处理模块中分为两部分，第一部分完成对数据的含义赋予，生成一个数据的实例类，并存储数据，第二部分是将数据交给需要使用的模块。两个部分可以认为是独立存在的，串口驱动类定义如下：
其中ComDrive是构造函数，需要传入到使用的串口号，以及传输速度，默认使用数据位8位，停止位1，无校验的方式。类的拥有者可以使用OpenCom以及CloseCom函数操作串口的开关。当上传数据时，会触发ReceiveData函数，该函数判断一下数据的合法性，如果验证通过，会检查事件ReceiveDataHandle是否有被设置过，如果设置过，则通过事件通知事件的注册者，如果没有调用过SetReceiveDataHandle，则数据会被丢弃。
数据经由ComDrive后，数据管理服务会根据数据中的配置ID和数据生成数据实例类。
本设计中。主界面程序有前台界面以及后台功能之分。前台界面用来呈现电梯运行状态、参数以及提供各种功能的入口点，后台功能负责为前台界面提供支持。
如图8，前台界面分为两个区域，分别是菜单功能区、电梯运行情况指示区，双击电梯则出现电梯详细的运行参数展示。其中上面菜单栏是各个功能的入口，包括用来完成一些设置的系统设置、查询电梯历史运行数据的历史记录查询、管理用户信息的用户管理以及设置报警相关信息的报警设置。下方提供了两个按钮，当电梯过多时，可以使用这两个按钮进行翻页。对于层数超过9层的电梯，则会多加两个控制按钮，查看不同层数。单击电梯的话，高楼层的情况下，会定位到当前电梯的位置，低楼层无反应。双击电梯的话，会进入到该电梯的详细参数界面上。
如图9所示，在详细参数界面上，会给出所选电梯的详细参数，一般包括呼叫状态、运行状态、门状态、限位开关状态、变频器状态等等，如果该电梯存在一些独特的参数，也可以显示，但是需要预先在数据库中进行配置后该界面才可以自动的生成显示条目。
主界面后台功能主要是负责完成对界面的刷新，它在完成界面的初始化后，注册了系统的数据管理服务事件通知，当电梯运行状态改变时，自然后台功能会得到通知，进而刷新界面，达到实时展示的目的。除此之外，后台功能还负责各个按钮和控件的动作处理，主界面是一个循环，是否有数据上传取决于数据管理服务模块是否通知，在没有数据通知的时候，主界面将控制权交换给操作系统，当数据管理服务模块通知有新的数据上传时，主界面收回控制权，开始继续执行，根据获取到的数据实例中的内容，更新电梯的状态，并修改界面，最后将控制权再次交给操作系统，允许用户操作。
当用户在主界面选择用户管理时，提供了如下的三个按钮，对应不同的用户管理模块部分，分别是增加用户、删除用户、修改用户密码，用户管理同样分为前台界面和后台实现，前台界面包括了三个界面，每个功能提供一个界面。后台实现是数据检查、密码加密以及对数据库的操作。
增加用户会提供一个允许用户增加一个用户的界面，用户需要输入一个用户名以及输入密码，点击确定按钮后，如果检查通过，则会在数据库中增加一个用户，如果不通过会提示失败的原因，除了添加用户外，还有删除用户功能，删除用户参考的是Windows的账号管理功能，只能删除其他权限低于自己的用户，而不能删除自己的账号，删除用户界面提供了一个列表，列出了所有可以删除的账号，选择后点击删除就会删除选定的账号，修改用户密码界面提供了一个允许用户修改自己的密码的功能，与增加用户不同的是，修改用户密码中，用户名是不可以修改的，在界面中呈现的是不可修改的状态，用户管理模块的后台功能是连接数据库以及提供用户信息加密，由一个用户管理类实现。
本设计信息检查模块的功能是检查电梯的运行情况是否正常。电梯的信号多是数字量，并不是设置阈值可以解决的，所以需要由信息检查模块判断电梯是否在正常工作，检查内容包括门开关异常、楼层停靠异常、异常运行、电压电流值。当数据由数据管理服务模块送至信息检查模块时，信息检查模块会遍历上述的四个情况，只要发生了异常，就会产生异常信息，发出警报。
本设计中GSM报警模块提供了报警支持，用户可以通过设置界面设置报警号码，当信息检查模块抛出警报试，就由GSM报警模块按照报警号码进行报警也可以通过外部调用直接产生一个警报。GSM报警器使用的是一款名称为FB200-B的报警器，该报警器使用RS232通讯协议，可以直接与计算机进行通信，只需要使用发送TTS语音的ATL指令和发送短信的ATM指令即可。
本发明可以查询任意一部电梯的历史记录，其中主要是可以查看历史的报警记录，可以查看曲线图、列表两种图形。
本发明采用由SQLServer提供的数据库、数据仓库以及服务器，数据挖掘引擎及以上需要自己设计实现。本设计中没有可视化用户接口，直接使用的后台输出。
本发明采用神经网络的数据挖掘算法，首先进行的数据清洗工作，电梯信号获取器是不断的进行数据上传工作的，为减少模型的负担，数据必须清洗掉，这个过程在数据放入数据仓库前进行，先检查本次采集数据与上一次采集数据的差异，如果无差异则直接丢弃，存在差异则放入数据仓库中。其次是数据的预处理工作，对于本文设计的电梯监控系统，需要完成的是比例变换以及数值数据转换工作。由于神经网络模型接收范围在[-1.0,0]和[0.0，1.0]之间，而电梯监控数据的范围远远超过了这个限制，所以需要进行比例变换，电梯监控系统中使用神经网络模型进行预测的是电压以及电流，电压范围是0-311V，电流范围则根据电路不同而不同，这些都需要将其映射到神经网络模型可以接受的范围内。除此之外还需要数据数值转换，电梯监控系统中使用了配置表这种形式描述电梯数据含义，而神经网络是不接受非数字数据处理的，所以需要将数据库中的数据展开，建立哈希函数，为每一个采集数据生成唯一的标识数字。
本发明采用的神经网络算法包括如下步骤：
步骤一、建立BP神将网络模型。
BP网络一般是由输入层、隐层以及输出层构成，隐层可以具有多个，不同层之间采用一对多的互连方式进行连接，同一层的节点之间无连接，本设计使用的三层的BP神经网络，三层的网络深度已经可以解决一般的函数拟合问题。反向传播算法采用梯度法修正权值，要求输出函数可微，采用Sigmoid函数作为输出函数，图10为三层BP神经网络的结构图。
Xi表示输入层某一节点信号；Yh表示隐含某一节点的输出信号；Tj表示目标信号；ωih表示输入层节点i的隐含层节点h的连接权值；ωhj表示隐含层节点h的输出层节点j的连接权值；Δ表示目标信号和输出信号之间的误差；N1表示输入层节点数；N2表示隐含层节点数；N3表示输出层节点数。
隐含层节点的输出为：yh＝f(neth)；
输出层节点的输出为：zj＝f(netj)；
误差函数为：
定义局部梯度为：
考虑权值ωih对误差的影响：
权值修正应使误差尽快地减少，修正量为：ωih(t+1)＝ωih(t)+Δωih(t)；
对于Sigmoid函数：
为加快网络的收敛速度，在权值修正量中加上前一次的权值修正量，Δωih(t)＝-η·δh·yh+α·Δωih(t-1)
其中，θh为输入层和隐含层间的偏移量；Υj为隐含层和输出层间的偏移量；η为学习步长；α为惯性项系数；图11为BP神经网络传播算法流程图；对于网络节点数目，目前没有明确的理论关系表明节点数与结果之间的联系，通过训练样本与测试样本的实验效果，本文最后以下列公式作为确定隐含层的节点数：其中，n′为隐藏层节点数，n′i为输入层节点数，n′0为输出层节点数，c为1～10之间的数。
本发明中，输入信号为11个，包括：
(1)电梯载重、(2)轿厢开关门噪声、(3)曳引机三项电流、(4)曳引机三项电压、(5)垂直振动加速度、(6)水平振动加速度、(7)垂直方向加速度、(8)垂直方向减速度、(9)主机电动机温度、(10)紧急制动器线圈温度、(11)机房温度；以上信号作为神经网络的输入向量,其中(1)-(8)等8个信号采用S型隶属函数；(9)、(10)、(11)等3个信号采用高斯型隶属函数形成“偏低”，“正常”，“偏高”等三个语言变量；因此，输入层节点数为3×3+8＝17个；
通过分析电梯的故障原因和查阅相关文献可得到电梯的常见6个输出故障信号：(1)电梯曳引机故障、(2)回路故障、(3)门机故障、(4)电梯控制器故障、(5)三相电源输入单元故障、(6)变频器故障；
由上文提到的公式：
可知，隐含层节点数为6-20之间，当隐含层层数为20层时系统最优化，因此隐含层节点数为20；因此，网络层为3层。输入层节点数为17，该层的11个电梯故障信息作为输入信号；输出层节点数为6，该层代表了从输入层得到的故障信息经过调整权系数后的故障处理后有6个输出故障信号；隐含层节点数为20，该层应用BP神经网络算法对样本进行最优化训练。训练之前，初始偏移量和权值取(-5,5)间的数，对这十个数进行优化，得出优化解，即偏移量固定为0.5，然后进行网络训练。本设计为了提高输入向量的精确度，降低误差，并限定输出向量的范围为[-1，1]，隐含层激活函数选为双曲正切函数，输出层的激活函数选为非线性对数S型函数；如表8所示，给定了一组训练样本、训练过程中各节点的值。
表8训练样本、训练过程中各节点的值
为了提高算法的学习速度，采用对应Levenberg Marquardt算法的trainlm函数进行测算，该算法的权值根据dX＝-(jXT*jX+I*mu)-1*E进行修正的，其中jX为误差对权值微分的Jacobian矩阵，E为误差向量，mu为调整量。训练误差为10-4。
假设有P对训练样本，则第p对训练样本训练误差：用均方差作为总输出误差：
其中，n表示输出层节点数，表示第p组样本输出层的第t个节点实际输出，p＝1,2,3,…,p，t＝1,2,3,…,n，表示第p组样本输出层的第t个节点期望输出,p＝1,2,3,…,p，t＝1,2,3,…,n，(Ef)2表示全部样本输出误差；如表9所示，为训练样本表；
表9训练样本表
为了提高训练的准确性，在数据训练时对数据进行预处理，如下：
数据预处理
数据处理之后，用训练函数traingdm触发。如果训练次数超过epochs，则性能函数低于goal,梯度值低于mingrad，或训练时间超过time训练就会结束。程序代码如下：
训练结果表明，该算法对网络进行训练非常快，迭代次数明显减少，收敛速度加快，通过样本训练和仿真，采用BP神经网络的数据挖掘算法，用于完成电梯监控系统的主动式报警功能，对于分析某些事物潜在的发展趋势和隐患，减少因电梯引发的事故的效果显著；经处理后，数据如表3所示。
表3训练样本、训练过程中各节点的值
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.基于CAN总线的电梯监控方法，其特征在于，包括：
CAN总线通信电路，包括至少一个CAN控制器和CAN收发器；
主控制器，其连接所述CAN总线通信电路，能够监测所述电梯的工作状态；
信号采集模块，其能够进行数据采集和实现与所述CAN总线通信电路之间的通信功能；
报警模块，其连接所述主控制器，能够对所述电梯的工作状态异常进行报警。
2.如权利要求1所述的基于CAN总线的电梯监控方法，其特征在于，所述信号采集模块中设置拨码开关，所述信号采集模块通过对所述拨码开关进行读取后将数据和所述信号采集模块采集的数据与所述CAN总线通信电路之间的通信功能。
3.如权利要求1或2所述的基于CAN总线的电梯监控方法，其特征在于，还包括：后台功能模块，其用于监听所述CAN总线通信电路的传输数据。
4.如权利要求3所述的基于CAN总线的电梯监控方法，其特征在于，所述后台功能模块包括：
主动式报警模块，其用于判断电梯是否具有故障风险；
主界面模块，其用于刷新电梯的工作状态；
报警监控模块，其用于判断电梯工作是否异常。
5.如权利要求4所述的基于CAN总线的电梯监控方法，其特征在于，所述信号采集模块中设置定时器。
6.如权利要求5所述的基于CAN总线的电梯监控方法，其特征在于，所述CAN收发器为CTM1050T芯片。
7.如权利要求6所述的基于CAN总线的电梯监控方法，其特征在于，所述报警模块为GSM报警模块。
8.如权利要求1、2、4-7中任一项所述的基于CAN总线的电梯监控方法，其特征在于，采用BP神经网络对电梯进行预警，包括如下步骤：
步骤一、按照采样周期，采集数据包括电梯载重、轿厢开关门噪声、曳引机三项电流、曳引机三项电压、垂直振动加速度、水平振动加速度、垂直方向加速度、垂直方向减速度、电梯主机电动机温度、紧急制动器线圈温度以及机房温度；
步骤二、将上述信号进行处理，所述电梯载重、轿厢开关门噪声、曳引机三项电流、曳引机三项电压、垂直振动加速度、水平振动加速度、垂直方向加速度以及垂直方向减速度通过S型隶属函数进行数据处理，所述电梯主机电动机温度、紧急制动器线圈温度以及机房温度通过高斯型隶属函数进行数据处理，确定三层BP神经网络的输入层节点；
步骤三、所述输入层向量映射到隐藏层，所述隐藏层向量Y＝{Y1,Y2,…,Yh}；h为隐藏层节点个数；
步骤四、得到输出层节点T＝{T1,T2,T3,T4,T5,T6}；其中，T1为电梯曳引机故障系数，T2为回路故障系数，T3为门机故障系数，T4为电梯控制器故障系数，T5为三相电源输入单元故障系数，T6为变频器故障系数。
9.如权利要求8所述的基于CAN总线的电梯监控方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述隐藏层节点个数h满足，其中，n′i为输入层节点数，n′0为输出层节点数，c为1～10之间的数。
10.如权利要求9所述的基于CAN总线的电梯监控方法，其特征在于，所述隐藏层激活函数为双曲正切函数，所述输出层激活函数为非线性对数S型函数。
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