廣西財經(jīng)學院 信息與統(tǒng)計學院 蘭建華，朱韻溦，廖云翔，龐富，覃小淇

電梯物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用之一，將智能技術(shù)應用于電梯行業(yè)，實現(xiàn)了用信息技術(shù)將電梯與生產(chǎn)廠家、用戶等數(shù)據(jù)信息的交互。近年來，全國各地頒布了許多電梯物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)政策，投入資金擴大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究，展開電梯物聯(lián)網(wǎng)試點，電梯物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在萬物互聯(lián)中呈現(xiàn)出欣欣向榮的景象。2020年3月，我國出臺了多項信息網(wǎng)絡新型基礎設施投資政策；此后多個地方政府的工作報告都開始將5G網(wǎng)絡建設等作為2020年的重點投資方向，國內(nèi)企業(yè)也積極響應。但是，目前電梯物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國內(nèi)還屬于新興事物，電梯物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展仍有諸多問題急需解決。例如，電梯用戶地域分布不集中，管理成本高；電梯故障發(fā)現(xiàn)以及處理不及時；維保人員無法滿足電梯故障處理以及定期維保。目前已有許多企業(yè)開始進行電梯物聯(lián)網(wǎng)的研究與開發(fā)，如深圳市愛豐達盛科技有限公司物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺Libi-DataTM對SDT數(shù)據(jù)終端進行數(shù)據(jù)的入庫、存儲和分析處理，對電梯運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并且在平臺上部署基于機器學習算法的大數(shù)據(jù)分析引擎，自動建立電梯運行一梯一標準，在此基礎上實現(xiàn)對電梯運行故障進行大數(shù)據(jù)分析預測，及時發(fā)現(xiàn)問題，提升電梯的安全性。而本文設計實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)盒子正是為用戶提供電梯物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，為電梯企業(yè)和維保工作人員提供電梯的運行數(shù)據(jù)和維修保護管理；為企業(yè)提供電梯的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而能夠進行預防性檢修，提高電梯的可靠性、安全性。同時，設計本物聯(lián)網(wǎng)盒子支持以前安裝電梯的信息升級改造，對尚未支持物聯(lián)網(wǎng)的電梯通過安裝項目設計的物聯(lián)網(wǎng)盒子以后就可以實現(xiàn)電梯接入4G/5G物聯(lián)網(wǎng)。

一、電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)是電梯物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)企業(yè)的實際需求，同時結(jié)合技術(shù)的可行性和可操作性的設計原則，以解決問題為主要目標，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于電梯的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)，使企業(yè)更容易監(jiān)控電梯。其主要包含三大主要模塊：設備感應、網(wǎng)絡傳輸以及業(yè)務應用，根據(jù)典型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集終端是設備感應層的實現(xiàn)，由廣東華凱電梯有限公司提供的實驗環(huán)境和技術(shù)支持，數(shù)據(jù)采集站安裝在電梯控制柜內(nèi)，可與電梯控制設備通訊，實時采集電梯運行數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡傳輸層是通過具有SIM卡的4G互聯(lián)網(wǎng)單元實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)收集站收集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡作為接收方的感應層和服務應用層之間的中間集線器，通過網(wǎng)絡發(fā)送到數(shù)據(jù)收集通信服務器，這是確保網(wǎng)絡環(huán)境穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

業(yè)務應用層對采集到的電梯運行數(shù)據(jù)進行展示，通過對故障數(shù)據(jù)的分析和處理，及時發(fā)送報警信息至客戶端，使電梯管理員可快速確認信息并立即對電梯故障進行處理。

二、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)為設備感應的主要功能結(jié)構(gòu)，基于STM32的電梯4G/5G物聯(lián)網(wǎng)盒子的設計，可應用與電梯實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集。該物聯(lián)網(wǎng)盒子由兩個部分組成：STM32單片機開發(fā)板與4G/5G模塊；數(shù)據(jù)采集終端還包含數(shù)據(jù)傳輸串口USB轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器。

數(shù)據(jù)采集終端可以實時采集各種電梯數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)源。電梯控制器通過物聯(lián)網(wǎng)盒子實時收集電梯運行數(shù)據(jù)，掌握電梯運行狀態(tài)數(shù)據(jù)（運行狀態(tài)、載重狀態(tài)，當前所處樓層、門的打開和關(guān)閉狀態(tài)、橋內(nèi)和廳外的呼梯信息等）。當電梯發(fā)生故障時，通過分析和判斷錯誤代碼，它包括可以實時收集的各種電梯故障信息：電梯電流檢測故障、電梯速度異常、運行中門鎖斷開、上下減速開關(guān)斷開、開關(guān)門故障、換層?？抗收系取?/p>

電梯數(shù)據(jù)傳輸采用modbus協(xié)議，開放性高、可擴充性強，以“主-從”的方式大大地提高了電梯監(jiān)控數(shù)據(jù)的通信與傳輸，產(chǎn)品可以簡單可靠的接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)系統(tǒng)的實時集中監(jiān)控、分散控制功能。STM32單片機具有低成本，低功耗等特點，常用于設計高性能、低功耗的嵌入式應用。數(shù)據(jù)傳輸過程將STM32單片機作為modbus主機，電梯控制器為從機；主機發(fā)送命令到modbus從機，從機響應返回數(shù)據(jù)后，STM32與后臺服務器進行通訊鏈接，將采集到的數(shù)據(jù)推送至后臺服務器，后臺服務器解析并存儲數(shù)據(jù)，最后由電梯系統(tǒng)的微信小程序或App來展示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集傳輸流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集傳輸流程圖

三、數(shù)據(jù)采集模塊功能

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由兩個主要部件組成：基于STM32的電梯4G/5G物聯(lián)網(wǎng)盒子與通信設備。

（一）基于STM32的電梯4G/5G物聯(lián)網(wǎng)盒子

基于STM32的電梯4G/5G物聯(lián)網(wǎng)盒子能夠?qū)﹄娞葸\行數(shù)據(jù)進行采集，可讀取電梯控制器數(shù)據(jù)端口以及人體傳感器輸出的電梯實時運行數(shù)據(jù)，獲取故障信息和轎廂乘客信息。轎頂信息采集實現(xiàn)轎頂人體傳感器的采集與傳送，轎頂信息與電梯機房傳輸采用有線或無線的傳輸模式。從電梯控制器（轉(zhuǎn)接板）數(shù)據(jù)接口、電梯轎廂頂上安裝的紅外傳感器采集電梯的實時運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息和乘客信息，采集的電梯實時運行數(shù)據(jù)包括直梯的位置信號、運行方向、開關(guān)門狀態(tài)、運行狀態(tài)、速度異常信號、安全回路斷路信號、關(guān)門故障信號、啟動失敗信號、開門故障信號、內(nèi)招指令信號和承重信號、運行時間和次數(shù)、供電中斷信號、轎廂內(nèi)乘客感應信號、上下限位開關(guān)動作信號、檢修信號以及非操縱逆轉(zhuǎn)等。[1]

為電梯監(jiān)控提供數(shù)據(jù)。盒子通過電梯無線中繼模塊，采集電梯運行系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測電梯當前的運行狀態(tài)，當電梯內(nèi)出現(xiàn)有可能將要發(fā)生的故障信號時可在第一時間向電梯維護和物業(yè)搶修人員發(fā)送含有電梯當前詳細信息(包括電梯所在小區(qū)及具體位置、故障名稱、電梯所在層及運行方向、電梯內(nèi)是否有人。保證檢修員快速發(fā)現(xiàn)問題并排除故障，實現(xiàn)電梯安全運行。

同時，該物聯(lián)網(wǎng)盒子可為電梯故障預警功能提供數(shù)據(jù)。將盒子收集到的電梯歷史故障數(shù)據(jù)通過算法進行學習訓練，智能化預測電梯故障發(fā)生的時間，提前做出警報；電梯企業(yè)能夠提前通知相關(guān)維保人員進行檢修，減少故障事件以及損失。系統(tǒng)24小時不間斷地分析電梯數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)電梯出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，立即發(fā)送報警信息，解決了故障發(fā)現(xiàn)不及時的問題。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)具有電梯維?？记诠δ?。當維保人員將電梯系統(tǒng)置于維修狀態(tài)時，盒子能夠為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)將該狀態(tài)上傳至遠程服務器平臺而提供數(shù)據(jù)，明確維保時間、狀況等數(shù)據(jù)。

（二）設備通信

設備通信采用串口USB轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器，傳輸電路芯片使用ADM2582E，支持半雙工/全雙工通信模式。在數(shù)據(jù)信號的傳輸中，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部獨有的I/O電路可自動控制數(shù)據(jù)流方向，并帶有零延時自動收發(fā)轉(zhuǎn)換，能夠?qū)味说腢SB信號轉(zhuǎn)換為平衡差分的RS-485信號發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)盒子，提供每線浪涌保護功率，以及各種原因在線路上產(chǎn)生的浪涌電壓并且極小的極間電容保證RS-485接口的高速傳輸，RS-485端通過RJ-45及DB9公頭的連接器連接。[2]

數(shù)據(jù)收集和通信服務器使用不阻塞的異步輸入/輸出通信技術(shù)，提高了系統(tǒng)的并發(fā)處理能力，防止系統(tǒng)因I/O阻塞問題而無法實時儲存數(shù)據(jù)，同時引入了諸如消息隊列和druid數(shù)據(jù)庫連接池之類的技術(shù)，監(jiān)控臺系統(tǒng)并確保系統(tǒng)性能。在良好而可靠的網(wǎng)絡環(huán)境下，數(shù)據(jù)采集終端與數(shù)據(jù)采集通信服務器之間的通信通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，更好地保證電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運行。

四、結(jié)論

基于STM32的支持4G/5G網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)盒子作為電梯數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的主要核心部件，該盒子可為用戶提供電梯物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。利用STM32實時采集電梯狀態(tài)數(shù)據(jù)以及通過擴展實現(xiàn)電梯燈光、通風、空調(diào)、聲音、媒體廣告控制等功能；同時該物聯(lián)網(wǎng)盒子可以為電梯企業(yè)提供電梯運行狀態(tài)實時監(jiān)控、故障報警、維修管理等功能，本盒子開發(fā)配套有云端Web管理系統(tǒng)以及移動端管理和查看程序（微信小程序和App）。為電梯企業(yè)和維保人員提供運行數(shù)據(jù)和電梯的維保管理，為企業(yè)提供電梯的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。企業(yè)獲取數(shù)據(jù)可以通過預測算法和機器學習進行電梯故障的預測，從而能夠進行預防性維修，提高電梯的可靠性、安全性，在其他人因故障被困在電梯時可以迅速地發(fā)出報警求助，讓救援時間大幅度縮短。同時，設計物聯(lián)網(wǎng)盒子支持以前安裝電梯的信息升級改造，以前尚未支持物聯(lián)網(wǎng)的電梯通過安裝項目設計的物聯(lián)網(wǎng)盒子以后就可以實現(xiàn)電梯接入4/5g物聯(lián)網(wǎng)，不僅降低了電梯物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)成本，還大大地提高了電梯數(shù)據(jù)監(jiān)控效率。