基于WEN技術的電梯物聯網系統的設計

　　1引言

　　隨著國民經濟的發展，城市現代化建設不斷推進，高層住宅在各大城市越來越普及。在這些小區中，電梯作為垂直運輸工具，成為人們工作和生活不可缺少的一部分。在電梯數量越來越大的情況下，人們對電梯的智能控制和管理也提出了更高的要求。一般來講，新建的大型商業區、住宅區都建立了各自的電梯控制中心，但這些被監管的電梯只占了使用電梯的很小一部分，沒有被監管的電梯經常會出現長時間困人等現象，因而對電梯全面而有效的監控是電梯人性化使用的必然要求。如果按照傳統方式，以各個單位、各個大樓為單位建立各自的電梯控制系統，這將造成人力、物力的極大浪費。但是如果按照一個城區來建立電梯綜合監控管理系統，由于電梯位置分布比較分散，存在如何實現數據匯總和數據傳輸的問題。

　　經過調查對比，發現現有技術的電梯物聯網系統還存在以下問題：

　　1、系統搭建成本較高，現地級感知結點較昂貴，如每個電梯主控制器配置安裝一個GPRS模塊，成本較高;

　　2、監控管理系統移植功能較弱，系統的管理系統與現地級的主控制設備有一一對應的關系，無法方便移植，二次開發成本加大，無法適應現場設備頻繁性增加以及設備種類更換，因此系統通用性、可擴展性有待改善。

　　3、不能夠實現所有設施跨平臺、跨系統“物與物數據實時交換”，并實現跨系統、按照功能需求的設備設施管理和控制。

　　4、系統監控范圍有限，一般局限于一個小區或者一個區域，多區域電梯遠程集中監控管理系統目前尚未出現，即使是多區域監控，采用的方法一般是將各個區域的監控計算機數據經網絡匯總到監控中心，這種方法需要額外配置計算機及通訊設施，成本較高。

　　5、系統僅局限于電梯監控功能，并沒有與電梯相關企業實現數據共享，不是真正意義上的電梯物聯網系統。

　　因此設計開發一套成本低、組網方便靈活、人性化的真正意義上的電梯物聯網系統勢在必行。

　　2電梯物聯網系統原理

　　基于WEN技術的電梯物聯網在數據集中和傳輸方面，首先通過結點采集電梯運行參數，通過WEN技術組成網狀網，采集的信息匯總到網關，網關數據經過GPRS或者3G投遞到物聯網服務器上，如圖1所示，一個現場組建一個WEN個域網，借助WEN網絡的自恢復和路由功能，提高現地級網絡的穩定性。所有的現地級個域網數據都通過GPRS或者3G網絡傳輸至物聯網服務器，實現分散控制和集中管理，電梯相關企業可以通過Internet憑相應權限訪問物聯網平臺數據，可監視電梯運行狀態，當電梯故障時采用人性化的設計走急修流程。數據共享功能實現電梯物聯網系統與電梯供應商ERP系統、物流公司ERP系統等的數據共享。電梯物聯網解決方案革新了傳統的點對點的傳輸模式，實現了點對面傳輸，大大節省了組網成本，而且系統擴展方便，新加入的設備能自動入網，節省二次開發成本。

　　圖1電梯物聯網系統結構圖

　　3電梯物聯網傳感層設計

　　3.1硬件設計

　　電梯物聯網中，傳感層設備分為結點、中繼器、網關、調試器及協議轉換器，其中協議轉換器用于連接其他廠家的主控制器。功能列表1如下：

　　結點和網關都采用雙CPU模式，主CPU和射頻CPU，兩者獨立工作，并通過UART進行數據交互，如圖2所示。

　　圖2網關硬件原理框圖

　　3.2軟件設計

　　系統對實時性要求不高，屬于非占先任務調度，因此采用輪詢式任務調度方式，一個任務可由多個事件構成，同一任務的所有事件處理由一個統一的事件處理函數完成。

　　任務事件調度機制：有兩個關鍵數組，事件標志數組與任務函數數組，事件標志數組存放的是同一個任務中各個事件的執行標志，數組成員的每一位代表該任務對應事件的執行標志;每個任務在本次循環中是否要被運行，取決于運行的任務值，若非0則有執行的機會，執行的先后順序取決于任務的優先級。任務函數數組存放了對應每個任務的入口地址，只有在事件標志數組中記錄的需要運行的任務，在本次循環中才會被調用到。

　　對于同一個任務可能有多種事件發生，那么需要執行不同的事件處理，為了方便，對于每個任務的事件處理函數都統一在一個事件處理函數中實現，然后根據任務號和該任務的具體事件號調用某個任務的事件處理函數，進入了該任務的事件處理函數之后，再根據events來判別是該任務的某一種事件發生，進而進入相應的事件處理函數，最后將處理完的事件的標志位清零。主循環會從任務列表的開始查詢每一個任務的事件標志，保證優先級高的任務的事件被優先處理，處理過程如下圖3。

　　3.3關鍵技術

　　物聯網傳感層個域網數據無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關中，用于本個域網網絡管理，網關周期性發送廣播指令，并指定起始地址，結點收到廣播指令之后對比指定地址和自身地址，若自身地址小于<=指定地址+5，則結點封裝自身的網絡參數數據包，并以收到的網關網絡地址為目標地址將封裝完成的數據包以點對點的形式投遞到網關。網關請求網絡參數設計為帶起始地址的分組形式，根源在于考慮到個域網結點數較多的情況下，如果網關廣播請求，所有的結點都返回的話，很有可能造成個域網無線信道阻塞情況，物聯網平臺請求的電梯基本狀態等數據與結點返回廣播請求數據這兩個數據包存在同時返回的可能，再加上所有結點幾乎同時返回廣播請求數據，會使單通道的數據信道上阻塞比較嚴重，最終造成丟包情況。

　　中繼器安裝由于不需要設置結點號，因此需要尋找一種能唯一標識中繼器的指標，采用唯一的第一物理地址經標識算法得到一個雙字節的中繼器標識符;網關在一個廣播周期的最后一次會從中繼器管理數組中找到上一次發送的非零標識的下一個非零標識，經廣播投遞到中繼器。中繼器收到此命令并提取數據包中攜帶的標識值與自身標識做比較，如果是自身標識則置位無線復位計數器，若不是自身標識則無線復位計數器減1。

　　(1)廣播數據傳輸方式

　　單點對本網絡中所有結點的數據傳輸，當然必須在發送指定的射頻距離之內。網關數據經WEN網絡傳輸到已加入網絡的所有結點，目標網絡地址為0xfffc(不包含休眠結點),中間可以經過路由轉發。

　　(2)單播數據傳輸方式

　　即點對點，數據投遞時指定目標結點的網絡地址，除非是鄰居結點(結點之間的射頻距離在設定的射頻半徑之內)，結點通信時首先觸發路由偵測，如果點對點通信被確認，單次嘗試次數需經過三次握手，這此過程中有可能初始化新的路由偵測如果之前的路由斷開，單播數據傳輸可以經過路由轉發，此功能可以通過程序指定。

　　網關請求電梯基本狀態指令、網關請求結點重啟指令、結點返回基本狀態請求指令、結點故障主動上報指令、電梯困人指令等都以單播的形式發送。

　　WEN是異步協議，任何結點都能同時收發數據。WEN本質決定了數據包傳輸過程中的延時是很難預測的，因此系統設計時候需考慮每一級的數據包延時大概在10ms左右，當遇到數據傳輸再次嘗試或者路由偵測情況下，數據包延時將會更長，比如路由偵測需通過廣播方式在整個網絡中傳輸，而響應結點需等待偵測結果的返回。如圖4，結點A數據傳輸到結點B需經過4級跳躍，A發完數據包之后至少等待40ms之后才能收到數據，如果需要確認的話就得需要80ms的時間A結點才能收到B結點返回的數據。

　　圖4WEN數據包延時圖

　　因此應用程序的設計需兼容一定范圍的延時，如果個域網信道比較干凈的話，數據包長度對延時不會有較大的影響，因為隨機的等待時間能使傳輸時間延時變的不明顯，但是當數據信道特別嘈雜的情況下，數據包的長度勢必會造成重新嘗試次數，也就是增大延時時間。

　　因此保證信號穩定的好方法就是盡量縮短數據包長度，此方法不僅能縮短通訊延時，同時能減少帶寬占用率，當然在大數據量情況下，增大數據包長度是縮短傳輸次數的號方法，但是多數情況下需要考慮將數據包長度盡量縮短。

　　電梯物聯網平臺上定義的協議充分考慮了數據包長度對網絡延時的影響，因此定義的發送和接收協議都比較短，協議中數據塊部分用轉義方式取代ASCII碼方式，使數據包長度盡量控制在15個字節以內。

　　4物聯網平臺

　　傳感層個域網的數據匯總到網關之后，需要經過DTU將數據傳送到物聯網服務器上，物聯網平臺的設計采用B/S架構，每一個個域網配置一個DTU，每個DTU都有特定的身份標識，所有的DTU都指定連接到指定域名的服務器上，成為一個TCP連接。物聯網平臺上以這些DTU為單元管理現場對應的一個電梯區域。

　　物聯網平臺提供電梯監控、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，如圖5所示，客戶端使用者根據自身的權限訪問指定的功能模塊。入網的電梯的詳細數據都會在平臺上被記錄，包括一些基本參數，比如控制內的設備的型號、曳引機、門機等設備的出廠日期、廠家名字、安裝日期等，還包括平臺統計的一些參數，比如某一廠家的設備的故障率，年檢提醒等。后臺數據庫部分開放給整體廠、采購商，實現數據共享。購買方(如電梯銷售公司或物業公司的用戶)可以利用電梯物聯網中的電梯采購功能，直接在平臺內下訂單，向整梯企業訂購電梯。他們不僅可以實現電梯整梯和電梯配件的在線下單和訂購，同時可以查詢電梯整梯和配件的生產以及發貨狀態。電梯物聯網系統配置電梯效能智能分析統計功能，聯網電梯中所有電梯的運行數據都存儲到后臺數據庫中，包括通過電梯控制器上傳的運行次數、故障號，在電梯物聯網系統上通過軟件統計的故障次數、故障率以及故障描述等。在管理平臺上開放查詢功能，訂購商可以查詢網絡中的電梯歷史運行數據，為其提供選擇依據。下單和訂購功能的實現采用數據庫技術，在數據庫中配置觸發器，將采購信息觸發至電梯設備供應商采購平臺上，并可將訂單執行狀態信息反觸發至數據庫中。借助SQLServer數據庫的C/S架構，可實現物聯網平臺與電梯設備供應商ERP系統的無縫交互。

　　圖5物聯網平臺

　　5結束語

　　WEN以低功耗、低成本和低復雜度等優勢，又采取了IEEE802.15.4強有力的無線物理層所規定的全部優點，同時增加了邏輯網絡和網絡安全等保障，使得WEN無線技術數據采集、無線工業控制、汽車自動化、遠程網絡控制、家庭和樓宇自動化等場合得到了廣泛的應用，本文將將WEN技術運用在電梯物聯網上，借助WEN優勢，充分考慮電梯使用、運行的具體特點，設計出了基于WEN技術的電梯物聯網，憑借其低成本、實用性強和穩定性等優勢，在全國各地都有工地安裝使用，物聯網平臺的推出為維保單位、物業以及政府機構對電梯的監控提供了方便的手段，提高了電梯使用的安全性和規范性。