1 概述

　　全功能網(wǎng)關基于4G LTE高速無線網(wǎng)絡制式，采用全網(wǎng)通通訊模塊，完美兼容國內(nèi)各家移動運營商網(wǎng)絡，打通電梯轎廂到機房到Internet的數(shù)據(jù)鏈路，實現(xiàn)遠程監(jiān)視、故障報警、困人報警、一鍵救援、視頻監(jiān)控、語音對講、安撫視頻和轎廂多媒體顯示屏遠程管理等功能。配合電梯物聯(lián)網(wǎng)遠程平臺大數(shù)據(jù)分析功能實現(xiàn)故障預警和電梯健康度診斷功能。全功能網(wǎng)關集電梯數(shù)據(jù)以及電梯周邊設備數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡傳輸功能于一體。相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器加數(shù)據(jù)傳輸單元方案更加適合電梯行業(yè)的應用，控制柜內(nèi)安裝方便，占用空間少，且成本低。

　　全功能網(wǎng)關借助以太網(wǎng)網(wǎng)口接口打通電梯轎廂與機房數(shù)據(jù)鏈路，借助安裝在轎廂內(nèi)部的多媒體LCD屏，為乘客帶來更加智能與便捷的人機交互享受;遠程平臺隨時調(diào)取轎廂的視頻監(jiān)控，困人發(fā)生時電梯會在第一時間自動播放語音安撫視頻，并同時呼叫維保人員，通過視頻通話方式了解現(xiàn)場情況，使乘客獲得情緒安撫。隨著新梯需求放緩，部分行業(yè)巨頭對電梯周邊衍生市場日益關注，轎廂內(nèi)加裝觸控式LCD屏，不僅可以救援、安撫，空閑時間還可播放廣告。

　　2 系統(tǒng)設計

　　2.1 硬件設計

　　本全功能網(wǎng)關內(nèi)置鋰電池與充放電管理模塊，無需增加額外笨重的后備電源，支持掉電檢測，滿足國家標準GB/T-24476相關要求;支持遠程程序更新，能最大程序降低運維成本;自帶4G全網(wǎng)通模組，支持移動、聯(lián)通、電信以及海外運營商服務，提高網(wǎng)關的通用性，支持e-SIM，無需考慮SIM卡卡槽的松動以及IP等級不高的問題;支持終端與主板協(xié)議以及終端與平臺協(xié)議定制化;全功能網(wǎng)關提供1路網(wǎng)口，支持DHCP以太網(wǎng)接入;具備藍牙調(diào)試功能，支持手機等移動設備對終端進行網(wǎng)絡參數(shù)配置;全功能網(wǎng)關提供1路CAN通信接口，1路RS485接口，1路RS232接口，2路干觸點輸入;網(wǎng)關提供豐富的運行狀態(tài)指示，可指示網(wǎng)絡信號質(zhì)量、服務器連接與交互、與主板數(shù)據(jù)交互、路由接口等運行狀態(tài);支持標準導軌式安裝，可方便安裝在電梯控制柜的導軌上;支持電梯運行數(shù)據(jù)采集并可為音視頻設備提供上網(wǎng)接口;網(wǎng)關具備完成的配套線束，現(xiàn)場無需額外接線，即插即用;支持DC 9-28V寬電壓范圍供電，硬件組成如圖1所示。

　　全功能網(wǎng)關支持TDD-LTE、FDD-LTE、WCDMA、GSM、GPRS、EDGE網(wǎng)絡制式。對于LTE網(wǎng)絡，支持non-CA Cat 4 FDD 和TDD，支持1.4/3/5/10/15/20MHz 射頻帶寬，下行支持MIMO。對于LTE-FDD，最大下行速率150Mbps，最大上行速率50Mbps。對于LTE-TDD，最大下行速率130Mbps，最大上行速率30Mbps。對于EDGE網(wǎng)絡，支持EDGE 多時隙等級12，支持GMSK 和8-PSK 的調(diào)制編碼方式，下行編碼格式支持CS 1-4 和MCS 1-9，上行編碼格式支持CS 1-4 和MCS 1-9，最大下行速率236.8Kbps，最大上行速率236.8Kbps。對于GPRS網(wǎng)絡，支持GPRS 多時隙等級12，編碼格式支持CS-1/CS-2/CS-3/CS-4，最大下行速率85.6Kbps，最大上行速率85.6Kbps。網(wǎng)關天線接口采用50?SMA陰頭。供電電壓范圍+9~30VDC。通信中平均功耗200mA@+12VDC，空閑時平均功耗為100mA@+12VDC。

　　2.2 軟件實現(xiàn)

　　2.2.1 數(shù)據(jù)收發(fā)控制機制

　　如上圖2，電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺需與電梯進行數(shù)據(jù)交互，如獲取電梯的運行狀態(tài)、獲取已登記信號狀態(tài)及獲取對電梯的控制權等，這些操作都需打通電梯與電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺之間的通信鏈路，常規(guī)的做法是在電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺與電梯之間建立通訊鏈路，電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺把交互數(shù)據(jù)通過無線傳輸單元發(fā)送給協(xié)議轉(zhuǎn)換板，最終送達電梯。實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，由于無線傳輸自身容易受干擾的特點，電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺與電梯之間的通信數(shù)據(jù)包容易出現(xiàn)丟包、錯包、數(shù)據(jù)不均勻等情況，特別是出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞情況，若仍一直按堵塞之前的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率發(fā)送的話，只會進一步嚴重加劇數(shù)據(jù)異常的發(fā)生。

　　本全功能網(wǎng)關通過在收發(fā)兩端建立數(shù)據(jù)隊列，將收到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在接收隊列中，防止因斷包導致校驗失敗而丟棄，防止因堵塞造成數(shù)據(jù)蜂窩式到達時處理不當導致數(shù)據(jù)丟失等問題，實際接收處理時，通過在接收隊列中提取合法數(shù)據(jù)包進行處理;在發(fā)送時，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一存放至發(fā)送隊列，由發(fā)送單元周期性從發(fā)送隊列中提取合法數(shù)據(jù)包執(zhí)行發(fā)送。另外，本全功能網(wǎng)關通過檢測數(shù)據(jù)包擁堵情況，自動調(diào)整發(fā)送單元合法數(shù)據(jù)包發(fā)送頻率，從而有效解決以上問題，數(shù)據(jù)隊列處理流程如圖3所示。

　　隊列操作步驟：

　　(1) 初始化隊列：初始化隊列地址ADDR1、初始化隊列頭指針ADDR2、初始化隊列尾指針ADDR3、初始化隊列大小SIZE。

　　(2) 數(shù)據(jù)進隊列

　?、? 將當前需插入的字節(jié)放到隊列中ADDR2位置，然后ADDR2加1，若檢測到ADDR2等于ADDR3，則表示隊列已滿，則將ADDR2置為0，從隊列頭開始重新插入;

　　② 若要插入N個字節(jié)，則重復執(zhí)行1)步驟。

　　(3)從隊列中提取數(shù)據(jù)

　　① 若隊列中無數(shù)據(jù)，則將ADDR2置為0，ADDR3也置為0，返回無數(shù)據(jù)可提取;

　?、?保存ADDR3，記為ADDR3_B，將ADDR3加1，若ADDR3等于SIZE，則將ADDR3置為0;

　?、?返回隊列中ADDR3_B位置的內(nèi)容;

　?、?若需提取M個字節(jié)，則重復執(zhí)行① ② ③。

　　(4) 有效數(shù)據(jù)處理

　　將提取的數(shù)據(jù)進行校驗，若合法，則進行處理;反之，丟棄該數(shù)據(jù)包。

　　發(fā)送頻率自適應機制：

　　全功能網(wǎng)關超時重發(fā)時間默認為T1，即重發(fā)次數(shù)為C，重發(fā)次數(shù)閥值為S;當全功能網(wǎng)關每發(fā)一個數(shù)據(jù)包，超時計數(shù)器就累加，接收到返回數(shù)據(jù)則超時計數(shù)器清零，當超時計數(shù)器累加值達到T1，則自動重發(fā);若重發(fā)階段，仍滿足需重發(fā)的條件，則C加1，若不滿足重發(fā)的條件，則C清零;若C >= S，則判斷為堵塞發(fā)生，需調(diào)整超時重發(fā)時間為C*T1。

　　2.2.2 單網(wǎng)口實現(xiàn)局域和廣域連接

　　多媒體LCD屏上包含了樓層信息、電梯運行信息、日期和時間、實時天氣預報、滾動公告新聞信息、圖片視頻多媒體信息等內(nèi)容。屏上集成呼救按鈕，電梯發(fā)生困人故障后乘客可以一鍵和遠程物聯(lián)網(wǎng)平臺取得聯(lián)系，接通視頻通話。LCD上播放的圖片、文字和視頻等素材，可以在遠端服務器遠程下發(fā)，通過遠端服務器還可以完成對LCD顯示屏UI界面的修改。轎頂黑匣子還支持遠程升級功能。全功能網(wǎng)關在通過運營商無線網(wǎng)絡上網(wǎng)時，LCD屏幕可通過全功能網(wǎng)關的一路網(wǎng)口連接UDP連接，電梯實時狀態(tài)的更新、顯示狀態(tài)的聯(lián)網(wǎng)實時更新等。當全功能網(wǎng)關通過現(xiàn)場提供的寬帶上網(wǎng)時，一路網(wǎng)口既要實現(xiàn)連接外網(wǎng)同時需與LCD建立UDP局域網(wǎng)通訊，本系統(tǒng)提供2種解決方案，系統(tǒng)連接示意圖分別如圖4和圖5所示。

　　增加路由器方案：

　　(1)全功能網(wǎng)關網(wǎng)口采用固定IP或DHCP，固定IP優(yōu)先，轎頂黑匣子采用固定IP或DHCP，固定IP優(yōu)先;

　　(2)新加路由器的LAN網(wǎng)絡按出廠規(guī)定的IP網(wǎng)段設置，即按轎頂黑匣子和全功能網(wǎng)關網(wǎng)口的默認網(wǎng)段設置;

　　(3)新加路由器的WAN口開啟DHCP功能。

　　交換機方案：

　　(1)首先在驕內(nèi)LCD顯示終端上查詢現(xiàn)場寬帶的IP地址網(wǎng)段;

　　(2)掃描現(xiàn)有局域網(wǎng)中哪些IP地址已經(jīng)被占用;

　　(3)修改轎頂黑匣子和全功能網(wǎng)關的IP地址為當前網(wǎng)段中尚未被占用的IP地址。

　　2.2.3 智能困人邏輯檢測機制

　　全功能網(wǎng)關提供一種電梯困人的檢測機制，解決現(xiàn)有技術中的無法實現(xiàn)既不增加現(xiàn)有電梯的電氣設備，又能自動檢測發(fā)現(xiàn)電梯困人的問題，檢測算法實時運行在全功能網(wǎng)關中，執(zhí)行邊緣計算，充分利用與電梯控制系統(tǒng)直接連接的優(yōu)勢，實時獲取電梯的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等，通過簡潔準確的困人檢測機制并加入報警過濾機制，實現(xiàn)電梯困人的智能化判斷，整個困人邏輯判斷流程圖如圖6所示。

　　變量定義說明：

　　內(nèi)召信號保持 =(主門內(nèi)召 或 副門內(nèi)召);

　　條件1= ((內(nèi)召信號保持 且 電梯正常運行)或 條件1)且 轎門鎖信號有效;

　　條件2= ((內(nèi)召信號保持 且 電梯正常運行)或 條件2)且 非門區(qū);

　　條件3 =(電梯停止運行)且 非檢修狀態(tài)下;

　　轎內(nèi)復核信號 =(((前門開門 或 副門開門 或 前門關門 或 副門關門 或 主門內(nèi)指令或副門內(nèi)召)且 條件3 且 (條件1或 條件2))或(轎內(nèi)復核信號 且 (條件1 或 條件2)))

　　困人故障= 一分鐘計時標志位 且 (轎內(nèi)復核信號) 且 (非消防員狀態(tài))。

　　檢測邏輯：

　　情況一：轎門鎖檢測

　　(1)困人第一前提是電梯可以正常運行，并且有內(nèi)召登記;符合進入下一條件，不符合直接跳出困人檢測;

　　(2)第二個條件判斷電梯是否在非檢修狀態(tài)下出現(xiàn)停止運行。符合進入一下條件，不符合直接跳出困人檢測;

　　(3)第三個條件判斷：停梯后轎門鎖一分鐘內(nèi)轎內(nèi)鎖一直閉合。符合進入一下條件，不符合直接跳出困人檢測;

　　(4)第四個條件判斷：一分鐘后再次檢測到內(nèi)指令或開關門信號，轎門仍然閉合狀態(tài)，則輸出困人，否則退出困人檢測;

　　(5)任一步驟，出現(xiàn)門鎖斷開，則退出困人檢測，回到步驟1重新判斷。

　　情況二：非門區(qū)檢測

　　(1)困人第一前提是電梯可以正常運行，并且有內(nèi)召登記;符合進入下一條件，不符合直接跳出困人檢測;

　　(2)第二個條件判斷電梯是否在非檢修狀態(tài)下出現(xiàn)停止運行。符合進入下一條件，不符合直接跳出困人檢測;

　　(3)第三個條件判斷：電梯停在非門區(qū)超過一分鐘。符合進入下一條件，不符合直接跳出困人檢測;

　　(4)第四個條件判斷：一分鐘后再次檢測到內(nèi)指令或開關門信號，電梯仍處于非門區(qū)不運行，則輸出困人，否則退出困人檢測。

　　2.2.4 藍牙調(diào)試

　　電梯物聯(lián)網(wǎng)終端現(xiàn)場調(diào)試時，需要確認終端與電梯的連接情況，同時也需要確認終端與遠程服務器是否連接成功。目前的做法大多數(shù)是聯(lián)系管理人員在服務器后臺通過錄入ID，建立檔案，確認電梯的狀態(tài)是否正確等步驟完成調(diào)試過程，整個環(huán)節(jié)調(diào)試效率比較低，特別是當終端連接服務器異常時，調(diào)試人員無法獲取詳細的診斷數(shù)據(jù)，只能通過更換、對比等低效率方法進行排查。本全功能網(wǎng)關設計一種通過藍牙進行調(diào)試的方法，連接示意圖如圖7所示。調(diào)試人員在現(xiàn)場通過調(diào)試App即可查看物聯(lián)網(wǎng)終端與電梯主控板的詳細連接信息，同時診斷出與服務器交互的實時狀況，調(diào)試人員可明確知曉當前終端的工作狀況。本全功能網(wǎng)關提供可視化的診斷報告，可用于現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)終端安裝調(diào)試的驗收依據(jù)，同時也能以結(jié)論性的報告展示給調(diào)試員最終的結(jié)論。

　　2.2.5 遠程升級

　　每臺全功能網(wǎng)關出廠時都配置了唯一ID，OTA程序就是通過ID來區(qū)分每一臺機器的代碼，可以做到針對每一臺機器進行代碼優(yōu)化。通過在網(wǎng)頁上發(fā)送升級命令，設備程序收到正確指令后，退出程序運行，進入OTA升級程序。OTA 完成后會對整個程序進行CRC32校驗，在升級的過程中，比如網(wǎng)絡異常，比如中途斷電。不管由于何種原因的異常導致CRC32校驗失敗，OTA會重新連接升級服務器進行重新升級。直到升級成功，程序會退出升級模式進入新的設備應用程序。

　　2.2.6 五方通話警鈴報警信號檢測

　　市面上對講機絕大多數(shù)為珠海德凌總線制對講機，4線制占絕大多數(shù)，珠海德凌的NBT系列兩線制對講機(不是走電源線的兩線)，可以檢測的振鈴信號。實際測試珠海德凌NBT兩線制 NBT12(1-1)A在不同工況下警鈴信號的輸出電平為：

　　(1)R和L接線，掛機狀態(tài) 4.07V

　　(2)振鈴 0.148V

　　(3)通話 9.641V 模擬聲音波形

　　德菱NKT四線制 NKT12(1-1)A不同工況下警鈴信號的輸出電平為：

　　(1)掛機 11.4V

　　(2)振鈴 0V

　　(3)通話 10.8V 模擬聲音波形

　　全功能網(wǎng)關與四線制五方對講系統(tǒng)對接時， IO1+ 接R， IO1-接GND。全功能網(wǎng)關與兩線制五方對講系統(tǒng)對接時， IO1+ 接R，IO1-接L?？紤]到警鈴按鈕存在誤動作或者搗亂動作的可能，全功能網(wǎng)關增加報警過濾功能，當全功能網(wǎng)關檢測到電梯在門區(qū)且開門到位動作、廳門鎖及總門鎖斷開的情況下或者電梯在走梯的過程中時，全功能終端自動過濾當前報警信號。

　　3 結(jié)束語

　　電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關是實現(xiàn)智慧電梯、電梯按需維保等的硬件基礎，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。本文設計一款全功能網(wǎng)關，硬件接口豐富，支持電梯行業(yè)常用的現(xiàn)場總線，支持4G全網(wǎng)通，支持以太網(wǎng)接入，支持掉電檢測。軟件功能上，不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)的電梯數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡傳輸，而且加入了智能化困人邊緣計算算法、數(shù)據(jù)收發(fā)自適應算法、五方通話警鈴自動檢測機制、藍牙智能化調(diào)試以及遠程升級等功能，既能滿足標準的要求，同時也能符合電梯行業(yè)大多數(shù)整梯廠和配件廠的需求。