1 引言

智慧電梯和按需維保已經(jīng)成為電梯的發(fā)展方向，智能電梯旨在為電梯使用者提供更加安全、舒適及智能的乘梯體驗。按需維保的提出一方面為了規(guī)范電梯維保市場，同時也能給電梯制造企業(yè)和電梯維保企業(yè)減輕人員負擔(dān)。電梯物聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)智慧電梯和按需維保的基礎(chǔ)，需借助電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸及物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)電梯的智能化管理。國內(nèi)電梯保有量已經(jīng)超過700萬臺，依靠傳統(tǒng)的人工管理方式已經(jīng)明顯不滿足實際要求，依托電梯物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用物聯(lián)網(wǎng)終端，將電梯的實時數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)等傳輸至大數(shù)據(jù)平臺，進行終端側(cè)的邊緣計算和平臺端的大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)事后故障困人報警和事前預(yù)警功能，實現(xiàn)電梯的智能化。

2 電梯物聯(lián)網(wǎng)終端無線技術(shù)選擇

本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端選擇蜂窩技術(shù)作為電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的無線傳輸方式，考慮到2G退網(wǎng)為大勢所趨，本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端選擇LTE（Long Term Revolution，長期演進）。3GPP在制定LTE標準時，考慮到LTE能為不同用戶提供不同等級的服務(wù)質(zhì)量（QoS,Quality of Service），同時對LTE做了分類，所謂的Cat.X中的Cat即為種類的意思，每個種類的LTE所規(guī)定的上下行峰值速率對應(yīng)有不同的速率。Cat.1、eMTC和NB-IoT都是3GPP制定的用于M2M場景的物聯(lián)網(wǎng)傳輸方案。相比Cat.4，四者之前的對比如表1所示。

表1 四種終端類別的技術(shù)參數(shù)對比表

考慮到電梯物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率的實際情況，特別是滿足中高速電梯狀態(tài)監(jiān)視的要求，LTE中的中低速和高速應(yīng)用能滿足要求，如Cat.4、Cat.1、eMTC滿足電梯物聯(lián)網(wǎng)傳輸速率要求，而NB-IoT適用于窄帶業(yè)務(wù)，如抄表、路燈控制、環(huán)境數(shù)據(jù)采集及智能停車等場景；從模組成本考慮，Cat.4的模組成本高于Cat.1和eMTC；從復(fù)用現(xiàn)有LTE基站的可行度和改造成本角度考慮，Cat.1的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)復(fù)雜度明顯低于eMTC。綜合考慮以上因此，本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端選擇Cat.1。Cat.1基于現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)，完全復(fù)用現(xiàn)有LTE資源，不需要增加額外投資。

而且，Cat.1芯片及模組的成熟度更高，成本非常便宜，能夠在短時間內(nèi)形成規(guī)模效應(yīng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1硬件設(shè)計

本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計的電梯物聯(lián)網(wǎng)終端采用雙MCU結(jié)構(gòu)，而非SoC（System On a Chip，片上系統(tǒng)）。主MCU采用主流的ARM，最高頻率達到72MHz，LTECat.1采用國產(chǎn)的模組，基于ASR平臺開發(fā)。LTE模組與主MCU之間通過UART進行通訊。電源管理模塊包含電池管理單元，依據(jù)電梯物聯(lián)網(wǎng)國家標準GB/T24476第5.2.6條規(guī)定，電梯物聯(lián)網(wǎng)終端在系統(tǒng)斷電的情況下，仍需工作至少1小時。電池單元保證終端在主電失電的情況下能無縫切換供電，切換過程中電壓跌落只有0.3V左右，保證LTE模組不會因為電源切換而失電重啟。

輸出指示單元用于方便現(xiàn)場調(diào)試，可指示LTE網(wǎng)絡(luò)信號強度、與電梯主板連接是否成功、與遠程服務(wù)器連接是否成功及與遠程服務(wù)器數(shù)據(jù)交互情況。存儲單元采用鐵電，用于存儲終端參數(shù)和掉電需存儲的數(shù)據(jù)，如電梯困人數(shù)據(jù)和遠程升級標志等數(shù)據(jù)。

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端提供RS232、RS485、CANBUS接口用于與電梯主板交互，獲取電梯運行數(shù)據(jù)，RS232接口同時也支持上位機參數(shù)設(shè)置，電腦端通過此接口可設(shè)置服務(wù)器相關(guān)參數(shù)（如服務(wù)器地址、服務(wù)器端口、設(shè)備唯一標識、遠程升級服務(wù)器地址、遠程升級服務(wù)器端口、APN名稱、APN用戶名及APN密碼）。IO接口采集電梯轎廂內(nèi)警鈴信號，目前電梯系統(tǒng)的五方對講系統(tǒng)與電梯控制系統(tǒng)絕大多是獨立的，電梯控制系統(tǒng)無法獲取警鈴信號，本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端提供IO接口連接五方對講的對講信號，即IO輸入（IO+和IO-）分別連接四線制五方對講信號的R和GND，連接二線制五方對講信號的R和L信號，通過捕獲警鈴觸發(fā)后的電平信號判斷警鈴是否動作。

藍牙模塊與主MCU采用UART通訊，通過藍牙模塊建立手機端調(diào)試App與主MCU之間的連接通道，通過手機App查詢和設(shè)置主MCU相關(guān)的參數(shù)，如圖1所示。

圖1電梯物聯(lián)網(wǎng)終端硬件組成示意圖

3.2軟件實現(xiàn)

3.2.1軟件框架設(shè)計

主MCU運行實時操作系統(tǒng)，程序上電啟動進入main函數(shù)之后，關(guān)閉總中斷，初始化外設(shè)資源，包括IO、UART、CANBUS、時鐘、IIC、看門狗等資源。之后執(zhí)行參數(shù)讀取、電梯主板類型判斷、LTE模塊開機等操作，然后執(zhí)行初始化操作系統(tǒng)、創(chuàng)建操作系統(tǒng)任務(wù)及啟動操作系統(tǒng)等操作。本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端創(chuàng)建5個線程，分別是網(wǎng)絡(luò)管理線程、電梯事件管理線程、電梯主板數(shù)據(jù)采集線程、電梯主板數(shù)據(jù)分析線程及線程管理線程。網(wǎng)絡(luò)管理線程負責(zé)連接遠程服務(wù)器、接收和處理遠程服務(wù)器數(shù)據(jù)及服務(wù)器與物聯(lián)網(wǎng)終端心跳維護。電梯事件管理線程負責(zé)判斷和處理電梯事件信號，如電梯故障事件、電梯困人事件，并負責(zé)將事件通知到遠程服務(wù)器。電梯主板數(shù)據(jù)采集線程負責(zé)建立與電梯主板的協(xié)議交互，通過應(yīng)答機制，電梯物聯(lián)網(wǎng)終端周期性發(fā)送不同的監(jiān)視和控制協(xié)議，電梯物聯(lián)網(wǎng)終端異步接收電梯主板返回的數(shù)據(jù)。電梯主板數(shù)據(jù)分析線程負責(zé)處理物聯(lián)網(wǎng)終端采集到的原始數(shù)據(jù)，并進行提取和封裝，更新和存儲到對應(yīng)的內(nèi)存單元，供數(shù)據(jù)共享。線程管理線程負責(zé)管理其他線程，通過超時判斷機制判斷各個線程是否正常工作和是否已退出運行，當(dāng)檢測到線程異常退出時，通過線程管理線程重新啟動該線程。

3.2.2藍牙調(diào)試

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端一般只提供LED狀態(tài)指示，通過LED判斷終端與電梯主板、終端與服務(wù)器的連接結(jié)果，但終端與電梯交互的數(shù)據(jù)是否正確、LTE信號強度等無法知道，不方便現(xiàn)場安裝調(diào)試人員準確獲取電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的工作狀態(tài)。特別是當(dāng)調(diào)試出現(xiàn)問題的情況下，調(diào)試人員更需要量化的數(shù)據(jù)用于排查現(xiàn)場問題。本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計了藍牙手機端App，提供電梯狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備狀態(tài)查詢、參數(shù)設(shè)置菜單，如圖2所示。

圖2 藍牙App主界面

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端調(diào)試工作中最關(guān)鍵的兩個環(huán)節(jié)為電梯當(dāng)前狀態(tài)的正確獲取和電梯物聯(lián)網(wǎng)終端與服務(wù)器的成功連接的判斷。電梯狀態(tài)菜單提供電梯門鎖狀態(tài)查詢、電梯當(dāng)前樓層和運行方向查詢、電梯運行狀態(tài)查詢以及電梯的上下召喚和驕內(nèi)指令查詢，調(diào)試人員可清晰判斷當(dāng)前的監(jiān)視狀態(tài)與電梯實際運行狀態(tài)是否保持一致。

設(shè)備狀態(tài)菜單提供設(shè)備ID查詢、服務(wù)器地址查詢、服務(wù)器端口查詢、設(shè)備心跳時間間隔查詢、設(shè)備APN查詢、SIM卡狀態(tài)、LTE信號強度等的查詢。與服務(wù)器的連接數(shù)據(jù)可通過此菜單方便查詢。

參數(shù)設(shè)置菜單提供現(xiàn)場調(diào)試人員配置服務(wù)器地址、服務(wù)器端口和APN等參數(shù)，此功能需要通過高級權(quán)限才可執(zhí)行，防止誤操作和惡意操作導(dǎo)致電梯物聯(lián)網(wǎng)終端失聯(lián)。

3.2.3遠程升級

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端遠程升級功能降低人員現(xiàn)場更新程序的麻煩，由于新需求和新功能的更新或者程序功能問題的修復(fù)，電梯物聯(lián)網(wǎng)終端軟件升級概率較大，由于電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的特殊性，普通人員無法接近安裝在電梯機房中的物聯(lián)網(wǎng)終端，導(dǎo)致現(xiàn)場程序升級難度加大。本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端基于此考慮設(shè)計了遠程升級機制。

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端OTA（Over The Air）升級整個過程包括程序文件下載、程序文件存儲、程序文件校驗、程序更新4個過程。

（1）程序文件下載：獲取下載鏈接并判斷是否需要下載（硬件版本號一致，軟件版本號大于當(dāng)前軟件版本號），進行下載，目前不帶操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)終端不支持斷點續(xù)傳，下載失敗后不再下載，以消息形式通知結(jié)果；帶操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)終端支持斷點續(xù)傳，由操作系統(tǒng)自帶的協(xié)議完成續(xù)傳。

（2）程序文件存儲：下載過程中進行分片存儲到flash中緩存區(qū)域。

（3）程序文件校驗：下載完成后，對程序文件進行MD5值校驗，確認文件傳輸正確。

（4）程序更新：MD5校驗通過后，執(zhí)行CPU程序更新，考慮到冗余，設(shè)計有主、備兩個區(qū)域，替換進行更新，防止當(dāng)更新失敗，程序仍然可以從另一區(qū)域正常啟動，大大降低OTA導(dǎo)致終端異常的風(fēng)險。

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端要實現(xiàn)OTA功能，需要有兩段程序，一個是引導(dǎo)程序（也可以稱為Boot Loader），另一個是應(yīng)用程序。通過USB、串口、CAN等通訊方式向主MCU發(fā)送要升級的程序文件數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)協(xié)議可自定義），引導(dǎo)程序中將接收到的數(shù)據(jù)寫到應(yīng)用程序的地址即實現(xiàn)將終端應(yīng)用程序的升級。

3.3.4遠程參數(shù)設(shè)置

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端支持遠程設(shè)置服務(wù)器IP地址或域名、端口、APN、APN用戶名、APN密碼等參數(shù)。為方便管理，電梯物聯(lián)網(wǎng)終端出廠默認的服務(wù)器地址和端口為某一固定管理平臺。當(dāng)現(xiàn)場需要修改終端的連接服務(wù)器時，只需在統(tǒng)一管理平臺服務(wù)器上遠程發(fā)送設(shè)置指令，電梯物聯(lián)網(wǎng)終端接收到設(shè)置指令后，先備份原先保存的服務(wù)器參數(shù)，然后對新服務(wù)器參數(shù)進行合法性檢測。當(dāng)檢測通過后，更新當(dāng)前服務(wù)器參數(shù)，并存儲，存儲成功后，復(fù)位主MCU，執(zhí)行新的服務(wù)器連接。

3.3.5遠程控制

電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺和手機App的某些應(yīng)用場景需支持遠程登記廳外召喚和驕內(nèi)指令，如無接觸乘梯場景，乘客需通過手機App或小程序?qū)崿F(xiàn)對電梯的無接觸登記，或者需要實現(xiàn)遠程對電梯進行鎖定和解鎖。本物聯(lián)網(wǎng)終端提供遠程控制功能，遠程的控制指令需通過手機驗證碼驗證后才可下發(fā)控制命令，且控制命令協(xié)議采用對稱加密算法加密，保證控制功能的安全性。

為了保證遠程控制功能能發(fā)揮作用，降低通過移除電梯物聯(lián)網(wǎng)終端而使遠程控制功能失效的風(fēng)險，本系統(tǒng)設(shè)計雙向綁定機制，當(dāng)電梯物聯(lián)網(wǎng)終端檢測到與電梯主板失聯(lián)時，通過消息機制通知相應(yīng)的維保人員或電梯管理人員。當(dāng)電梯主板檢測到電梯物聯(lián)網(wǎng)終端失聯(lián)時，電梯主板將不定時產(chǎn)生隨機故障代碼，但不限制電梯運行，外呼和驕內(nèi)顯示等人機交互設(shè)備上也不定期出現(xiàn)故障提示。該不定期故障產(chǎn)生事件可通過高級密碼登陸電梯主板進行關(guān)閉。通過該雙向確認機制確保遠程控制功能能最大程序發(fā)揮作用。

4 結(jié)束語

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端是實現(xiàn)智慧電梯和電梯按需維保的硬件基礎(chǔ)，國家已經(jīng)計劃針對電梯物聯(lián)網(wǎng)終端制定專門的標準，取消之前的將電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的設(shè)計標準摻和在電梯物聯(lián)網(wǎng)總標準中的做法，可見電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的重要性。本文結(jié)合通信技術(shù)的發(fā)展實際情況，設(shè)計一款符合電梯行業(yè)使用的電梯物聯(lián)網(wǎng)終端，并結(jié)合行業(yè)應(yīng)用，設(shè)計多種實用的調(diào)試和應(yīng)用功能，同時給出電梯物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計的硬件組成，對電梯行業(yè)電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的設(shè)計和開發(fā)具有了一定的參考價值。