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(yàn)。按需維保的提出一方面為了規(guī)范電梯維保市場(chǎng)，同時(shí)也能給電梯制造企業(yè)和電梯維保企業(yè)減輕人員負(fù)擔(dān)。電梯物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)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(tái)的數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)電梯的智能化管理。國(guó)內(nèi)電梯保有量已經(jīng)超過(guò)700萬(wàn)臺(tái)，依靠傳統(tǒng)的人工管理方式已經(jīng)明顯不滿(mǎn)足實(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)等傳輸至大數(shù)據(jù)平臺(tái)，進(jìn)行終端側(cè)的邊緣計(jì)算和平臺(tái)端的大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)事后故障困人報(bào)警和事前預(yù)警功能，實(shí)現(xiàn)電梯的智能化。

2 電梯物聯(lián)網(wǎng)終端無(wú)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(wú)線傳輸方式，考慮到2G退網(wǎng)為大勢(shì)所趨，本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端選擇LTE（Long Term Revolution，長(zhǎng)期演進(jìn)）。3GPP在制定LTE標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，考慮到LTE能為不同用戶(hù)提供不同等級(jí)的服務(wù)質(zhì)量（QoS,Quality of Service），同時(shí)對(duì)LTE做了分類(lèi)，所謂的Cat.X中的Cat即為種類(lèi)的意思，每個(gè)種類(lèi)的LTE所規(guī)定的上下行峰值速率對(duì)應(yīng)有不同的速率。Cat.1、eMTC和NB-IoT都是3GPP制定的用于M2M場(chǎng)景的物聯(lián)網(wǎng)傳輸方案。相比Cat.4，四者之前的對(duì)比如表1所示。

表1 四種終端類(lèi)別的技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

考慮到電梯物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率的實(shí)際情況，特別是滿(mǎn)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(mǎn)足要求，如Cat.4、Cat.1、eMTC滿(mǎn)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(chē)等場(chǎng)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(shí)間內(nèi)形成規(guī)模效應(yīng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)

本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計(jì)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(dá)到72MHz，LTECat.1采用國(guó)產(chǎn)的模組，基于ASR平臺(tái)開(kāi)發(fā)。LTE模組與主MCU之間通過(guò)UART進(jìn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(shí)。電池單元保證終端在主電失電的情況下能無(wú)縫切換供電，切換過(guò)程中電壓跌落只有0.3V左右，保證LTE模組不會(huì)因?yàn)殡娫辞袚Q而失電重啟。

輸出指示單元用于方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，可指示LTE網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度、與電梯主板連接是否成功、與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接是否成功及與遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)交互情況。存儲(chǔ)單元采用鐵電，用于存儲(chǔ)終端參數(shù)和掉電需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，如電梯困人數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程升級(jí)標(biāo)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(yùn)行數(shù)據(jù)，RS232接口同時(shí)也支持上位機(jī)參數(shù)設(shè)置，電腦端通過(guò)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(biāo)識(shí)、遠(yuǎn)程升級(jí)服務(wù)器地址、遠(yuǎn)程升級(jí)服務(wù)器端口、APN名稱(chēng)、APN用戶(hù)名及APN密碼）。IO接口采集電梯轎廂內(nèi)警鈴信號(hào)，目前電梯系統(tǒng)的五方對(duì)講系統(tǒng)與電梯控制系統(tǒng)絕大多是獨(dú)立的，電梯控制系統(tǒng)無(wú)法獲取警鈴信號(hào)，本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端提供IO接口連接五方對(duì)講的對(duì)講信號(hào)，即IO輸入（IO+和IO-）分別連接四線制五方對(duì)講信號(hào)的R和GND，連接二線制五方對(duì)講信號(hào)的R和L信號(hào)，通過(guò)捕獲警鈴觸發(fā)后的電平信號(hào)判斷警鈴是否動(dòng)作。

藍(lán)牙模塊與主MCU采用UART通訊，通過(guò)藍(lán)牙模塊建立手機(jī)端調(diào)試App與主MCU之間的連接通道，通過(guò)手機(jī)App查詢(xún)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(shí)現(xiàn)

3.2.1軟件框架設(shè)計(jì)

主MCU運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，程序上電啟動(dòng)進(jìn)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(shí)鐘、IIC、看門(mén)狗等資源。之后執(zhí)行參數(shù)讀取、電梯主板類(lèi)型判斷、LTE模塊開(kāi)機(jī)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(dòng)操作系統(tǒng)等操作。本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端創(chuàng)建5個(gè)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(fù)責(zé)連接遠(yuǎn)程服務(wù)器、接收和處理遠(yuǎn)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(hù)。電梯事件管理線程負(fù)責(zé)判斷和處理電梯事件信號(hào)，如電梯故障事件、電梯困人事件，并負(fù)責(zé)將事件通知到遠(yuǎn)程服務(wù)器。電梯主板數(shù)據(jù)采集線程負(fù)責(zé)建立與電梯主板的協(xié)議交互，通過(guò)應(yīng)答機(jī)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(fù)責(zé)處理物聯(lián)網(wǎng)終端采集到的原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行提取和封裝，更新和存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的內(nèi)存單元，供數(shù)據(jù)共享。線程管理線程負(fù)責(zé)管理其他線程，通過(guò)超時(shí)判斷機(jī)制判斷各個(gè)線程是否正常工作和是否已退出運(yùn)行，當(dāng)檢測(cè)到線程異常退出時(shí)，通過(guò)線程管理線程重新啟動(dòng)該線程。

3.2.2藍(lán)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(guò)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(hào)強(qiáng)度等無(wú)法知道，不方便現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試人員準(zhǔn)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(wèn)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(chǎng)問(wèn)題。本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計(jì)了藍(lán)牙手機(jī)端App，提供電梯狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備狀態(tài)查詢(xún)、參數(shù)設(shè)置菜單，如圖2所示。

圖2 藍(lán)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(gè)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(mén)鎖狀態(tài)查詢(xún)、電梯當(dāng)前樓層和運(yùn)行方向查詢(xún)、電梯運(yùn)行狀態(tài)查詢(xún)以及電梯的上下召喚和驕內(nèi)指令查詢(xún)，調(diào)試人員可清晰判斷當(dāng)前的監(jiān)視狀態(tài)與電梯實(shí)際運(yùn)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(xún)、服務(wù)器地址查詢(xún)、服務(wù)器端口查詢(xún)、設(shè)備心跳時(shí)間間隔查詢(xún)、設(shè)備APN查詢(xún)、SIM卡狀態(tài)、LTE信號(hào)強(qiáng)度等的查詢(xún)。與服務(wù)器的連接數(shù)據(jù)可通過(guò)此菜單方便查詢(xún)。

參數(shù)設(shè)置菜單提供現(xiàn)場(chǎng)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(guò)高級(jí)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(yuǎn)程升級(jí)

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端遠(yuǎn)程升級(jí)功能降低人員現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題的修復(fù)，電梯物聯(lián)網(wǎng)終端軟件升級(jí)概率較大，由于電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的特殊性，普通人員無(wú)法接近安裝在電梯機(jī)房中的物聯(lián)網(wǎng)終端，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)程序升級(jí)難度加大。本電梯物聯(lián)網(wǎng)終端基于此考慮設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程升級(jí)機(jī)制。

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端OTA（Over The Air）升級(jí)整個(gè)過(guò)程包括程序文件下載、程序文件存儲(chǔ)、程序文件校驗(yàn)、程序更新4個(gè)過(guò)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(hào)一致，軟件版本號(hào)大于當(dāng)前軟件版本號(hào)），進(jìn)行下載，目前不帶操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)終端不支持?jǐn)帱c(diǎn)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?jǐn)帱c(diǎn)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(chǔ)：下載過(guò)程中進(jìn)行分片存儲(chǔ)到flash中緩存區(qū)域。

（3）程序文件校驗(yàn)：下載完成后，對(duì)程序文件進(jìn)行MD5值校驗(yàn)，確認(rèn)文件傳輸正確。

（4）程序更新：MD5校驗(yàn)通過(guò)后，執(zhí)行CPU程序更新，考慮到冗余，設(shè)計(jì)有主、備兩個(gè)區(qū)域，替換進(jìn)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(dòng)，大大降低OTA導(dǎo)致終端異常的風(fēng)險(xiǎn)。

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端要實(shí)現(xiàn)OTA功能，需要有兩段程序，一個(gè)是引導(dǎo)程序（也可以稱(chēng)為Boot Loader），另一個(gè)是應(yīng)用程序。通過(guò)USB、串口、CAN等通訊方式向主MCU發(fā)送要升級(jí)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(xiě)到應(yīng)用程序的地址即實(shí)現(xiàn)將終端應(yīng)用程序的升級(jí)。

3.3.4遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端支持遠(yuǎn)程設(shè)置服務(wù)器IP地址或域名、端口、APN、APN用戶(hù)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(rèn)的服務(wù)器地址和端口為某一固定管理平臺(tái)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)需要修改終端的連接服務(wù)器時(shí)，只需在統(tǒng)一管理平臺(tái)服務(wù)器上遠(yuǎn)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(duì)新服務(wù)器參數(shù)進(jìn)行合法性檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)通過(guò)后，更新當(dāng)前服務(wù)器參數(shù)，并存儲(chǔ)，存儲(chǔ)成功后，復(fù)位主MCU，執(zhí)行新的服務(wù)器連接。

3.3.5遠(yuǎn)程控制

電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和手機(jī)App的某些應(yīng)用場(chǎng)景需支持遠(yuǎn)程登記廳外召喚和驕內(nèi)指令，如無(wú)接觸乘梯場(chǎng)景，乘客需通過(guò)手機(jī)App或小程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電梯的無(wú)接觸登記，或者需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)電梯進(jìn)行鎖定和解鎖。本物聯(lián)網(wǎng)終端提供遠(yuǎn)程控制功能，遠(yuǎn)程的控制指令需通過(guò)手機(jī)驗(yàn)證碼驗(yàn)證后才可下發(fā)控制命令，且控制命令協(xié)議采用對(duì)稱(chēng)加密算法加密，保證控制功能的安全性。

為了保證遠(yuǎn)程控制功能能發(fā)揮作用，降低通過(guò)移除電梯物聯(lián)網(wǎng)終端而使遠(yuǎn)程控制功能失效的風(fēng)險(xiǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙向綁定機(jī)制，當(dāng)電梯物聯(lián)網(wǎng)終端檢測(cè)到與電梯主板失聯(lián)時(shí)，通過(guò)消息機(jī)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(cè)到電梯物聯(lián)網(wǎng)終端失聯(lián)時(shí)，電梯主板將不定時(shí)產(chǎn)生隨機(jī)故障代碼，但不限制電梯運(yùn)行，外呼和驕內(nèi)顯示等人機(jī)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(guò)高級(jí)密碼登陸電梯主板進(jìn)行關(guān)閉。通過(guò)該雙向確認(rèn)機(jī)制確保遠(yuǎn)程控制功能能最大程序發(fā)揮作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

電梯物聯(lián)網(wǎng)終端是實(shí)現(xiàn)智慧電梯和電梯按需維保的硬件基礎(chǔ)，國(guó)家已經(jīng)計(jì)劃針對(duì)電梯物聯(lián)網(wǎng)終端制定專(zhuān)門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)，取消之前的將電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)摻和在電梯物聯(lián)網(wǎng)總標(biāo)準(zhǔn)中的做法，可見(jiàn)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(shí)際情況，設(shè)計(jì)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(jì)多種實(shí)用的調(diào)試和應(yīng)用功能，同時(shí)給出電梯物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計(jì)的硬件組成，對(duì)電梯行業(yè)電梯物聯(lián)網(wǎng)終端的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有了一定的參考價(jià)值。