廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院 信息與統(tǒng)計(jì)學(xué)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(yīng)用之一，將智能技術(shù)應(yīng)用于電梯行業(yè)，實(shí)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(guó)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(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究，展開電梯物聯(lián)網(wǎng)試點(diǎn)，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(guó)出臺(tái)了多項(xiàng)信息網(wǎng)絡(luò)新型基礎(chǔ)設(shè)施投資政策；此后多個(gè)地方政府的工作報(bào)告都開始將5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等作為2020年的重點(diǎn)投資方向，國(guó)內(nèi)企業(yè)也積極響應(yīng)。但是，目前電梯物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國(guó)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(shí)；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(jìn)行電梯物聯(lián)網(wǎng)的研究與開發(fā)，如深圳市愛豐達(dá)盛科技有限公司物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)Libi-DataTM對(duì)SDT數(shù)據(jù)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的入庫(kù)、存儲(chǔ)和分析處理，對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且在平臺(tái)上部署基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的大數(shù)據(jù)分析引擎，自動(dòng)建立電梯運(yùn)行一梯一標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯運(yùn)行故障進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，提升電梯的安全性。而本文設(shè)計(jì)實(shí)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(yùn)行數(shù)據(jù)和維修保護(hù)管理；為企業(yè)提供電梯的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而能夠進(jìn)行預(yù)防性檢修，提高電梯的可靠性、安全性。同時(shí)，設(shè)計(jì)本物聯(lián)網(wǎng)盒子支持以前安裝電梯的信息升級(jí)改造，對(duì)尚未支持物聯(lián)網(wǎng)的電梯通過安裝項(xiàng)目設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)盒子以后就可以實(shí)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(shí)際需求，同時(shí)結(jié)合技術(shù)的可行性和可操作性的設(shè)計(jì)原則，以解決問題為主要目標(biāo)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于電梯的遠(yuǎn)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(shè)備感應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸以及業(yè)務(wù)應(yīng)用，根據(jù)典型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)備感應(yīng)層的實(shí)現(xiàn)，由廣東華凱電梯有限公司提供的實(shí)驗(yàn)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(shè)備通訊，實(shí)時(shí)采集電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層是通過具有SIM卡的4G互聯(lián)網(wǎng)單元實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)收集站收集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)作為接收方的感應(yīng)層和服務(wù)應(yīng)用層之間的中間集線器，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)收集通信服務(wù)器，這是確保網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層對(duì)采集到的電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，通過對(duì)故障數(shù)據(jù)的分析和處理，及時(shí)發(fā)送報(bào)警信息至客戶端，使電梯管理員可快速確認(rèn)信息并立即對(duì)電梯故障進(jìn)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(shè)備感應(yīng)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(shè)計(jì)，可應(yīng)用與電梯實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集。該物聯(lián)網(wǎng)盒子由兩個(gè)部分組成：STM32單片機(jī)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)收集電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)，掌握電梯運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)（運(yùn)行狀態(tài)、載重狀態(tài)，當(dāng)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(dāng)電梯發(fā)生故障時(shí)，通過分析和判斷錯(cuò)誤代碼，它包括可以實(shí)時(shí)收集的各種電梯故障信息：電梯電流檢測(cè)故障、電梯速度異常、運(yùn)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?。

電梯數(shù)據(jù)傳輸采用modbus協(xié)議，開放性高、可擴(kuò)充性強(qiáng)，以“主-從”的方式大大地提高了電梯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的通信與傳輸，產(chǎn)品可以簡(jiǎn)單可靠的接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)集中監(jiān)控、分散控制功能。STM32單片機(jī)具有低成本，低功耗等特點(diǎn)，常用于設(shè)計(jì)高性能、低功耗的嵌入式應(yīng)用。數(shù)據(jù)傳輸過程將STM32單片機(jī)作為modbus主機(jī)，電梯控制器為從機(jī)；主機(jī)發(fā)送命令到modbus從機(jī)，從機(jī)響應(yīng)返回?cái)?shù)據(jù)后，STM32與后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行通訊鏈接，將采集到的數(shù)據(jù)推送至后臺(tái)服務(wù)器，后臺(tái)服務(wù)器解析并存儲(chǔ)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(gè)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(shè)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\(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)時(shí)運(yùn)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(shí)現(xiàn)轎頂人體傳感器的采集與傳送，轎頂信息與電梯機(jī)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(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息和乘客信息，采集的電梯實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)包括直梯的位置信號(hào)、運(yùn)行方向、開關(guān)門狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、速度異常信號(hào)、安全回路斷路信號(hào)、關(guān)門故障信號(hào)、啟動(dòng)失敗信號(hào)、開門故障信號(hào)、內(nèi)招指令信號(hào)和承重信號(hào)、運(yùn)行時(shí)間和次數(shù)、供電中斷信號(hào)、轎廂內(nèi)乘客感應(yīng)信號(hào)、上下限位開關(guān)動(dòng)作信號(hào)、檢修信號(hào)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(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)電梯內(nèi)出現(xiàn)有可能將要發(fā)生的故障信號(hào)時(shí)可在第一時(shí)間向電梯維護(hù)和物業(yè)搶修人員發(fā)送含有電梯當(dāng)前詳細(xì)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(yùn)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(shí)現(xiàn)電梯安全運(yùn)行。

同時(shí)，該物聯(lián)網(wǎng)盒子可為電梯故障預(yù)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(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，智能化預(yù)測(cè)電梯故障發(fā)生的時(shí)間，提前做出警報(bào)；電梯企業(yè)能夠提前通知相關(guān)維保人員進(jìn)行檢修，減少故障事件以及損失。系統(tǒng)24小時(shí)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(bào)警信息，解決了故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)的問題。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)具有電梯維?？记诠δ?。當(dāng)維保人員將電梯系統(tǒng)置于維修狀態(tài)時(shí)，盒子能夠?yàn)閿?shù)據(jù)采集子系統(tǒng)將該狀態(tài)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器平臺(tái)而提供數(shù)據(jù)，明確維保時(shí)間、狀況等數(shù)據(jù)。

（二）設(shè)備通信

設(shè)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(hào)的傳輸中，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部獨(dú)有的I/O電路可自動(dòng)控制數(shù)據(jù)流方向，并帶有零延時(shí)自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換，能夠?qū)味说腢SB信號(hào)轉(zhuǎn)換為平衡差分的RS-485信號(hào)發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)盒子，提供每線浪涌保護(hù)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(wù)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(shí)時(shí)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，同時(shí)引入了諸如消息隊(duì)列和druid數(shù)據(jù)庫(kù)連接池之類的技術(shù)，監(jiān)控臺(tái)系統(tǒng)并確保系統(tǒng)性能。在良好而可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，數(shù)據(jù)采集終端與數(shù)據(jù)采集通信服務(wù)器之間的通信通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(yùn)行。

四、結(jié)論

基于STM32的支持4G/5G網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)采集電梯狀態(tài)數(shù)據(jù)以及通過擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)電梯燈光、通風(fēng)、空調(diào)、聲音、媒體廣告控制等功能；同時(shí)該物聯(lián)網(wǎng)盒子可以為電梯企業(yè)提供電梯運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障報(bào)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(dòng)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(yùn)行數(shù)據(jù)和電梯的維保管理，為企業(yè)提供電梯的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。企業(yè)獲取數(shù)據(jù)可以通過預(yù)測(cè)算法和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行電梯故障的預(yù)測(cè)，從而能夠進(jìn)行預(yù)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(shí)可以迅速地發(fā)出報(bào)警求助，讓救援時(shí)間大幅度縮短。同時(shí)，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)盒子支持以前安裝電梯的信息升級(jí)改造，以前尚未支持物聯(lián)網(wǎng)的電梯通過安裝項(xiàng)目設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)盒子以后就可以實(shí)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。