基于WEN技術(shù)的電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1引言

　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市現(xiàn)代化建設(shè)不斷推進(jìn)，高層住宅在各大城市越來(lái)越普及。在這些小區(qū)中，電梯作為垂直運(yùn)輸工具，成為人們工作和生活不可缺少的一部分。在電梯數(shù)量越來(lái)越大的情況下，人們對(duì)電梯的智能控制和管理也提出了更高的要求。一般來(lái)講，新建的大型商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)都建立了各自的電梯控制中心，但這些被監(jiān)管的電梯只占了使用電梯的很小一部分，沒(méi)有被監(jiān)管的電梯經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間困人等現(xiàn)象，因而對(duì)電梯全面而有效的監(jiān)控是電梯人性化使用的必然要求。如果按照傳統(tǒng)方式，以各個(gè)單位、各個(gè)大樓為單位建立各自的電梯控制系統(tǒng)，這將造成人力、物力的極大浪費(fèi)。但是如果按照一個(gè)城區(qū)來(lái)建立電梯綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，由于電梯位置分布比較分散，存在如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題。

　　經(jīng)過(guò)調(diào)查對(duì)比，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)的電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還存在以下問(wèn)題：

　　1、系統(tǒng)搭建成本較高，現(xiàn)地級(jí)感知結(jié)點(diǎn)較昂貴，如每個(gè)電梯主控制器配置安裝一個(gè)GPRS模塊，成本較高;

　　2、監(jiān)控管理系統(tǒng)移植功能較弱，系統(tǒng)的管理系統(tǒng)與現(xiàn)地級(jí)的主控制設(shè)備有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，無(wú)法方便移植，二次開(kāi)發(fā)成本加大，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備頻繁性增加以及設(shè)備種類更換，因此系統(tǒng)通用性、可擴(kuò)展性有待改善。

　　3、不能夠?qū)崿F(xiàn)所有設(shè)施跨平臺(tái)、跨系統(tǒng)“物與物數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換”，并實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)、按照功能需求的設(shè)備設(shè)施管理和控制。

　　4、系統(tǒng)監(jiān)控范圍有限，一般局限于一個(gè)小區(qū)或者一個(gè)區(qū)域，多區(qū)域電梯遠(yuǎn)程集中監(jiān)控管理系統(tǒng)目前尚未出現(xiàn)，即使是多區(qū)域監(jiān)控，采用的方法一般是將各個(gè)區(qū)域的監(jiān)控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)匯總到監(jiān)控中心，這種方法需要額外配置計(jì)算機(jī)及通訊設(shè)施，成本較高。

　　5、系統(tǒng)僅局限于電梯監(jiān)控功能，并沒(méi)有與電梯相關(guān)企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，不是真正意義上的電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

　　因此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套成本低、組網(wǎng)方便靈活、人性化的真正意義上的電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)勢(shì)在必行。

　　2電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)原理

　　基于WEN技術(shù)的電梯物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)集中和傳輸方面，首先通過(guò)結(jié)點(diǎn)采集電梯運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)WEN技術(shù)組成網(wǎng)狀網(wǎng)，采集的信息匯總到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)GPRS或者3G投遞到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上，如圖1所示，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)組建一個(gè)WEN個(gè)域網(wǎng)，借助WEN網(wǎng)絡(luò)的自恢復(fù)和路由功能，提高現(xiàn)地級(jí)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。所有的現(xiàn)地級(jí)個(gè)域網(wǎng)數(shù)據(jù)都通過(guò)GPRS或者3G網(wǎng)絡(luò)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理，電梯相關(guān)企業(yè)可以通過(guò)Internet憑相應(yīng)權(quán)限訪問(wèn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)，可監(jiān)視電梯運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)電梯故障時(shí)采用人性化的設(shè)計(jì)走急修流程。數(shù)據(jù)共享功能實(shí)現(xiàn)電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與電梯供應(yīng)商ERP系統(tǒng)、物流公司ERP系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)共享。電梯物聯(lián)網(wǎng)解決方案革新了傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸模式，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)面?zhèn)鬏敚蟠蠊?jié)省了組網(wǎng)成本，而且系統(tǒng)擴(kuò)展方便，新加入的設(shè)備能自動(dòng)入網(wǎng)，節(jié)省二次開(kāi)發(fā)成本。

　　圖1電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　3電梯物聯(lián)網(wǎng)傳感層設(shè)計(jì)

　　3.1硬件設(shè)計(jì)

　　電梯物聯(lián)網(wǎng)中，傳感層設(shè)備分為結(jié)點(diǎn)、中繼器、網(wǎng)關(guān)、調(diào)試器及協(xié)議轉(zhuǎn)換器，其中協(xié)議轉(zhuǎn)換器用于連接其他廠家的主控制器。功能列表1如下：

　　結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)都采用雙CPU模式，主CPU和射頻CPU，兩者獨(dú)立工作，并通過(guò)UART進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如圖2所示。

　　圖2網(wǎng)關(guān)硬件原理框圖

　　3.2軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，屬于非占先任務(wù)調(diào)度，因此采用輪詢式任務(wù)調(diào)度方式，一個(gè)任務(wù)可由多個(gè)事件構(gòu)成，同一任務(wù)的所有事件處理由一個(gè)統(tǒng)一的事件處理函數(shù)完成。

　　任務(wù)事件調(diào)度機(jī)制：有兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)組，事件標(biāo)志數(shù)組與任務(wù)函數(shù)數(shù)組，事件標(biāo)志數(shù)組存放的是同一個(gè)任務(wù)中各個(gè)事件的執(zhí)行標(biāo)志，數(shù)組成員的每一位代表該任務(wù)對(duì)應(yīng)事件的執(zhí)行標(biāo)志;每個(gè)任務(wù)在本次循環(huán)中是否要被運(yùn)行，取決于運(yùn)行的任務(wù)值，若非0則有執(zhí)行的機(jī)會(huì)，執(zhí)行的先后順序取決于任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。任務(wù)函數(shù)數(shù)組存放了對(duì)應(yīng)每個(gè)任務(wù)的入口地址，只有在事件標(biāo)志數(shù)組中記錄的需要運(yùn)行的任務(wù)，在本次循環(huán)中才會(huì)被調(diào)用到。

　　對(duì)于同一個(gè)任務(wù)可能有多種事件發(fā)生，那么需要執(zhí)行不同的事件處理，為了方便，對(duì)于每個(gè)任務(wù)的事件處理函數(shù)都統(tǒng)一在一個(gè)事件處理函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，然后根據(jù)任務(wù)號(hào)和該任務(wù)的具體事件號(hào)調(diào)用某個(gè)任務(wù)的事件處理函數(shù)，進(jìn)入了該任務(wù)的事件處理函數(shù)之后，再根據(jù)events來(lái)判別是該任務(wù)的某一種事件發(fā)生，進(jìn)而進(jìn)入相應(yīng)的事件處理函數(shù)，最后將處理完的事件的標(biāo)志位清零。主循環(huán)會(huì)從任務(wù)列表的開(kāi)始查詢每一個(gè)任務(wù)的事件標(biāo)志，保證優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)的事件被優(yōu)先處理，處理過(guò)程如下圖3。

　　3.3關(guān)鍵技術(shù)

　　物聯(lián)網(wǎng)傳感層個(gè)域網(wǎng)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸方式主要用到了單播和廣播兩種方式，廣播方式主要用在網(wǎng)關(guān)中，用于本個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理，網(wǎng)關(guān)周期性發(fā)送廣播指令，并指定起始地址，結(jié)點(diǎn)收到廣播指令之后對(duì)比指定地址和自身地址，若自身地址小于<=指定地址+5，則結(jié)點(diǎn)封裝自身的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)數(shù)據(jù)包，并以收到的網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)地址為目標(biāo)地址將封裝完成的數(shù)據(jù)包以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的形式投遞到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)為帶起始地址的分組形式，根源在于考慮到個(gè)域網(wǎng)結(jié)點(diǎn)數(shù)較多的情況下，如果網(wǎng)關(guān)廣播請(qǐng)求，所有的結(jié)點(diǎn)都返回的話，很有可能造成個(gè)域網(wǎng)無(wú)線信道阻塞情況，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)請(qǐng)求的電梯基本狀態(tài)等數(shù)據(jù)與結(jié)點(diǎn)返回廣播請(qǐng)求數(shù)據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)包存在同時(shí)返回的可能，再加上所有結(jié)點(diǎn)幾乎同時(shí)返回廣播請(qǐng)求數(shù)據(jù)，會(huì)使單通道的數(shù)據(jù)信道上阻塞比較嚴(yán)重，最終造成丟包情況。

　　中繼器安裝由于不需要設(shè)置結(jié)點(diǎn)號(hào)，因此需要尋找一種能唯一標(biāo)識(shí)中繼器的指標(biāo)，采用唯一的第一物理地址經(jīng)標(biāo)識(shí)算法得到一個(gè)雙字節(jié)的中繼器標(biāo)識(shí)符;網(wǎng)關(guān)在一個(gè)廣播周期的最后一次會(huì)從中繼器管理數(shù)組中找到上一次發(fā)送的非零標(biāo)識(shí)的下一個(gè)非零標(biāo)識(shí)，經(jīng)廣播投遞到中繼器。中繼器收到此命令并提取數(shù)據(jù)包中攜帶的標(biāo)識(shí)值與自身標(biāo)識(shí)做比較，如果是自身標(biāo)識(shí)則置位無(wú)線復(fù)位計(jì)數(shù)器，若不是自身標(biāo)識(shí)則無(wú)線復(fù)位計(jì)數(shù)器減1。

　　(1)廣播數(shù)據(jù)傳輸方式

　　單點(diǎn)對(duì)本網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)然必須在發(fā)送指定的射頻距離之內(nèi)。網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)WEN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭鸭尤刖W(wǎng)絡(luò)的所有結(jié)點(diǎn)，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址為0xfffc(不包含休眠結(jié)點(diǎn)),中間可以經(jīng)過(guò)路由轉(zhuǎn)發(fā)。

　　(2)單播數(shù)據(jù)傳輸方式

　　即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，數(shù)據(jù)投遞時(shí)指定目標(biāo)結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，除非是鄰居結(jié)點(diǎn)(結(jié)點(diǎn)之間的射頻距離在設(shè)定的射頻半徑之內(nèi))，結(jié)點(diǎn)通信時(shí)首先觸發(fā)路由偵測(cè)，如果點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信被確認(rèn)，單次嘗試次數(shù)需經(jīng)過(guò)三次握手，這此過(guò)程中有可能初始化新的路由偵測(cè)如果之前的路由斷開(kāi)，單播數(shù)據(jù)傳輸可以經(jīng)過(guò)路由轉(zhuǎn)發(fā)，此功能可以通過(guò)程序指定。

　　網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求電梯基本狀態(tài)指令、網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求結(jié)點(diǎn)重啟指令、結(jié)點(diǎn)返回基本狀態(tài)請(qǐng)求指令、結(jié)點(diǎn)故障主動(dòng)上報(bào)指令、電梯困人指令等都以單播的形式發(fā)送。

　　WEN是異步協(xié)議，任何結(jié)點(diǎn)都能同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。WEN本質(zhì)決定了數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中的延時(shí)是很難預(yù)測(cè)的，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)候需考慮每一級(jí)的數(shù)據(jù)包延時(shí)大概在10ms左右，當(dāng)遇到數(shù)據(jù)傳輸再次嘗試或者路由偵測(cè)情況下，數(shù)據(jù)包延時(shí)將會(huì)更長(zhǎng)，比如路由偵測(cè)需通過(guò)廣播方式在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸，而響應(yīng)結(jié)點(diǎn)需等待偵測(cè)結(jié)果的返回。如圖4，結(jié)點(diǎn)A數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇Y(jié)點(diǎn)B需經(jīng)過(guò)4級(jí)跳躍，A發(fā)完數(shù)據(jù)包之后至少等待40ms之后才能收到數(shù)據(jù)，如果需要確認(rèn)的話就得需要80ms的時(shí)間A結(jié)點(diǎn)才能收到B結(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)。

　　圖4WEN數(shù)據(jù)包延時(shí)圖

　　因此應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)需兼容一定范圍的延時(shí)，如果個(gè)域網(wǎng)信道比較干凈的話，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度對(duì)延時(shí)不會(huì)有較大的影響，因?yàn)殡S機(jī)的等待時(shí)間能使傳輸時(shí)間延時(shí)變的不明顯，但是當(dāng)數(shù)據(jù)信道特別嘈雜的情況下，數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度勢(shì)必會(huì)造成重新嘗試次數(shù)，也就是增大延時(shí)時(shí)間。

　　因此保證信號(hào)穩(wěn)定的好方法就是盡量縮短數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，此方法不僅能縮短通訊延時(shí)，同時(shí)能減少帶寬占用率，當(dāng)然在大數(shù)據(jù)量情況下，增大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度是縮短傳輸次數(shù)的號(hào)方法，但是多數(shù)情況下需要考慮將數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度盡量縮短。

　　電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上定義的協(xié)議充分考慮了數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的影響，因此定義的發(fā)送和接收協(xié)議都比較短，協(xié)議中數(shù)據(jù)塊部分用轉(zhuǎn)義方式取代ASCII碼方式，使數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度盡量控制在15個(gè)字節(jié)以內(nèi)。

　　4物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

　　傳感層個(gè)域網(wǎng)的數(shù)據(jù)匯總到網(wǎng)關(guān)之后，需要經(jīng)過(guò)DTU將數(shù)據(jù)傳送到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)采用B/S架構(gòu)，每一個(gè)個(gè)域網(wǎng)配置一個(gè)DTU，每個(gè)DTU都有特定的身份標(biāo)識(shí)，所有的DTU都指定連接到指定域名的服務(wù)器上，成為一個(gè)TCP連接。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上以這些DTU為單元管理現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的一個(gè)電梯區(qū)域。

　　物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供電梯監(jiān)控、故障處理、故障分析、電梯檔案、電梯維保、電梯急修等菜單選項(xiàng)，如圖5所示，客戶端使用者根據(jù)自身的權(quán)限訪問(wèn)指定的功能模塊。入網(wǎng)的電梯的詳細(xì)數(shù)據(jù)都會(huì)在平臺(tái)上被記錄，包括一些基本參數(shù)，比如控制內(nèi)的設(shè)備的型號(hào)、曳引機(jī)、門機(jī)等設(shè)備的出廠日期、廠家名字、安裝日期等，還包括平臺(tái)統(tǒng)計(jì)的一些參數(shù)，比如某一廠家的設(shè)備的故障率，年檢提醒等。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)部分開(kāi)放給整體廠、采購(gòu)商，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。購(gòu)買方(如電梯銷售公司或物業(yè)公司的用戶)可以利用電梯物聯(lián)網(wǎng)中的電梯采購(gòu)功能，直接在平臺(tái)內(nèi)下訂單，向整梯企業(yè)訂購(gòu)電梯。他們不僅可以實(shí)現(xiàn)電梯整梯和電梯配件的在線下單和訂購(gòu)，同時(shí)可以查詢電梯整梯和配件的生產(chǎn)以及發(fā)貨狀態(tài)。電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)配置電梯效能智能分析統(tǒng)計(jì)功能，聯(lián)網(wǎng)電梯中所有電梯的運(yùn)行數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，包括通過(guò)電梯控制器上傳的運(yùn)行次數(shù)、故障號(hào)，在電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上通過(guò)軟件統(tǒng)計(jì)的故障次數(shù)、故障率以及故障描述等。在管理平臺(tái)上開(kāi)放查詢功能，訂購(gòu)商可以查詢網(wǎng)絡(luò)中的電梯歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，為其提供選擇依據(jù)。下單和訂購(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中配置觸發(fā)器，將采購(gòu)信息觸發(fā)至電梯設(shè)備供應(yīng)商采購(gòu)平臺(tái)上，并可將訂單執(zhí)行狀態(tài)信息反觸發(fā)至數(shù)據(jù)庫(kù)中。借助SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)的C/S架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與電梯設(shè)備供應(yīng)商ERP系統(tǒng)的無(wú)縫交互。

　　圖5物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　WEN以低功耗、低成本和低復(fù)雜度等優(yōu)勢(shì)，又采取了IEEE802.15.4強(qiáng)有力的無(wú)線物理層所規(guī)定的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，同時(shí)增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全等保障，使得WEN無(wú)線技術(shù)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線工業(yè)控制、汽車自動(dòng)化、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制、家庭和樓宇自動(dòng)化等場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用，本文將將WEN技術(shù)運(yùn)用在電梯物聯(lián)網(wǎng)上，借助WEN優(yōu)勢(shì)，充分考慮電梯使用、運(yùn)行的具體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了基于WEN技術(shù)的電梯物聯(lián)網(wǎng)，憑借其低成本、實(shí)用性強(qiáng)和穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，在全國(guó)各地都有工地安裝使用，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的推出為維保單位、物業(yè)以及政府機(jī)構(gòu)對(duì)電梯的監(jiān)控提供了方便的手段，提高了電梯使用的安全性和規(guī)范性。