基于WEN技術的電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設計

　　1引言

　　隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，城市現(xiàn)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(qū)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(shù)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(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，沒有被監(jiān)管的電梯經(jīng)常會出現(xiàn)長時間困人等現(xiàn)象，因而對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，以各個單位、各個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。但是如果按照一個城區(qū)來建立電梯綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，由于電梯位置分布比較分散，存在如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。

　　經(jīng)過調(diào)查對比，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術的電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還存在以下問題：

　　1、系統(tǒng)搭建成本較高，現(xiàn)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(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)地級的主控制設備有一一對應的關系，無法方便移植，二次開發(fā)成本加大，無法適應現(xiàn)場設備頻繁性增加以及設備種類更換，因此系統(tǒng)通用性、可擴展性有待改善。

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

　　4、系統(tǒng)監(jiān)控范圍有限，一般局限于一個小區(qū)或者一個區(qū)域，多區(qū)域電梯遠程集中監(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區(qū)域的監(jiān)控計算機數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡匯總到監(jiān)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(tǒng)僅局限于電梯監(jiān)控功能，并沒有與電梯相關企業(yè)實現(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)。

　　因此設計開發(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)勢在必行。

　　2電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)原理

　　基于WEN技術的電梯物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)集中和傳輸方面，首先通過結點采集電梯運行參數(shù)，通過WEN技術組成網(wǎng)狀網(wǎng)，采集的信息匯總到網(wǎng)關，網(wǎng)關數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS或者3G投遞到物聯(lián)網(wǎng)服務器上，如圖1所示，一個現(xiàn)場組建一個WEN個域網(wǎng)，借助WEN網(wǎng)絡的自恢復和路由功能，提高現(xiàn)地級網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。所有的現(xiàn)地級個域網(wǎng)數(shù)據(jù)都通過GPRS或者3G網(wǎng)絡傳輸至物聯(lián)網(wǎng)服務器，實現(xiàn)分散控制和集中管理，電梯相關企業(yè)可以通過Internet憑相應權限訪問物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)，可監(jiān)視電梯運行狀態(tài)，當電梯故障時采用人性化的設計走急修流程。數(shù)據(jù)共享功能實現(xiàn)電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與電梯供應商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)的點對點的傳輸模式，實現(xiàn)了點對面?zhèn)鬏敚蟠蠊?jié)省了組網(wǎng)成本，而且系統(tǒng)擴展方便，新加入的設備能自動入網(wǎng)，節(jié)省二次開發(fā)成本。

　　圖1電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結構圖

　　3電梯物聯(lián)網(wǎng)傳感層設計

　　3.1硬件設計

　　電梯物聯(lián)網(wǎng)中，傳感層設備分為結點、中繼器、網(wǎng)關、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：

　　結點和網(wǎng)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(shù)據(jù)交互，如圖2所示。

　　圖2網(wǎng)關硬件原理框圖

　　3.2軟件設計

　　系統(tǒng)對實時性要求不高，屬于非占先任務調(diào)度，因此采用輪詢式任務調(diào)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(tǒng)一的事件處理函數(shù)完成。

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

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

　　3.3關鍵技術

　　物聯(lián)網(wǎng)傳感層個域網(wǎng)數(shù)據(jù)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(wǎng)關中，用于本個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理，網(wǎng)關周期性發(fā)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(wǎng)絡參數(shù)數(shù)據(jù)包，并以收到的網(wǎng)關網(wǎng)絡地址為目標地址將封裝完成的數(shù)據(jù)包以點對點的形式投遞到網(wǎng)關。網(wǎng)關請求網(wǎng)絡參數(shù)設計為帶起始地址的分組形式，根源在于考慮到個域網(wǎng)結點數(shù)較多的情況下，如果網(wǎng)關廣播請求，所有的結點都返回的話，很有可能造成個域網(wǎng)無線信道阻塞情況，物聯(lián)網(wǎng)平臺請求的電梯基本狀態(tài)等數(shù)據(jù)與結點返回廣播請求數(shù)據(jù)這兩個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，會使單通道的數(shù)據(jù)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(jīng)標識算法得到一個雙字節(jié)的中繼器標識符;網(wǎng)關在一個廣播周期的最后一次會從中繼器管理數(shù)組中找到上一次發(fā)送的非零標識的下一個非零標識，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(shù)器，若不是自身標識則無線復位計數(shù)器減1。

　　(1)廣播數(shù)據(jù)傳輸方式

　　單點對本網(wǎng)絡中所有結點的數(shù)據(jù)傳輸，當然必須在發(fā)送指定的射頻距離之內(nèi)。網(wǎng)關數(shù)據(jù)經(jīng)WEN網(wǎng)絡傳輸?shù)揭鸭尤刖W(wǎng)絡的所有結點，目標網(wǎng)絡地址為0xfffc(不包含休眠結點),中間可以經(jīng)過路由轉(zhuǎn)發(fā)。

　　(2)單播數(shù)據(jù)傳輸方式

　　即點對點，數(shù)據(jù)投遞時指定目標結點的網(wǎng)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(nèi))，結點通信時首先觸發(fā)路由偵測，如果點對點通信被確認，單次嘗試次數(shù)需經(jīng)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(shù)據(jù)傳輸可以經(jīng)過路由轉(zhuǎn)發(fā)，此功能可以通過程序指定。

　　網(wǎng)關請求電梯基本狀態(tài)指令、網(wǎng)關請求結點重啟指令、結點返回基本狀態(tài)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(fā)送。

　　WEN是異步協(xié)議，任何結點都能同時收發(fā)數(shù)據(jù)。WEN本質(zhì)決定了數(shù)據(jù)包傳輸過程中的延時是很難預測的，因此系統(tǒng)設計時候需考慮每一級的數(shù)據(jù)包延時大概在10ms左右，當遇到數(shù)據(jù)傳輸再次嘗試或者路由偵測情況下，數(shù)據(jù)包延時將會更長，比如路由偵測需通過廣播方式在整個網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)浇Y點B需經(jīng)過4級跳躍，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)，如果需要確認的話就得需要80ms的時間A結點才能收到B結點返回的數(shù)據(jù)。

　　圖4WEN數(shù)據(jù)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(wǎng)信道比較干凈的話，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信道特別嘈雜的情況下，數(shù)據(jù)包的長度勢必會造成重新嘗試次數(shù)，也就是增大延時時間。

　　因此保證信號穩(wěn)定的好方法就是盡量縮短數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量情況下，增大數(shù)據(jù)包長度是縮短傳輸次數(shù)的號方法，但是多數(shù)情況下需要考慮將數(shù)據(jù)包長度盡量縮短。

　　電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺上定義的協(xié)議充分考慮了數(shù)據(jù)包長度對網(wǎng)絡延時的影響，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)包長度盡量控制在15個字節(jié)以內(nèi)。

　　4物聯(lián)網(wǎng)平臺

　　傳感層個域網(wǎng)的數(shù)據(jù)匯總到網(wǎng)關之后，需要經(jīng)過DTU將數(shù)據(jù)傳送到物聯(lián)網(wǎng)服務器上，物聯(lián)網(wǎng)平臺的設計采用B/S架構，每一個個域網(wǎng)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(lián)網(wǎng)平臺上以這些DTU為單元管理現(xiàn)場對應的一個電梯區(qū)域。

　　物聯(lián)網(wǎng)平臺提供電梯監(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，如圖5所示，客戶端使用者根據(jù)自身的權限訪問指定的功能模塊。入網(wǎng)的電梯的詳細數(shù)據(jù)都會在平臺上被記錄，包括一些基本參數(shù)，比如控制內(nèi)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(tǒng)計的一些參數(shù)，比如某一廠家的設備的故障率，年檢提醒等。后臺數(shù)據(jù)庫部分開放給整體廠、采購商，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。購買方(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)中的電梯采購功能，直接在平臺內(nèi)下訂單，向整梯企業(yè)訂購電梯。他們不僅可以實現(xiàn)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(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)計功能，聯(lián)網(wǎng)電梯中所有電梯的運行數(shù)據(jù)都存儲到后臺數(shù)據(jù)庫中，包括通過電梯控制器上傳的運行次數(shù)、故障號，在電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上通過軟件統(tǒng)計的故障次數(shù)、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(wǎng)絡中的電梯歷史運行數(shù)據(jù)，為其提供選擇依據(jù)。下單和訂購功能的實現(xiàn)采用數(shù)據(jù)庫技術，在數(shù)據(jù)庫中配置觸發(fā)器，將采購信息觸發(fā)至電梯設備供應商采購平臺上，并可將訂單執(zhí)行狀態(tài)信息反觸發(fā)至數(shù)據(jù)庫中。借助SQLServer數(shù)據(jù)庫的C/S架構，可實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺與電梯設備供應商ERP系統(tǒng)的無縫交互。

　　圖5物聯(lián)網(wǎng)平臺

　　5結束語

　　WEN以低功耗、低成本和低復雜度等優(yōu)勢，又采取了IEEE802.15.4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點，同時增加了邏輯網(wǎng)絡和網(wǎng)絡安全等保障，使得WEN無線技術數(shù)據(jù)采集、無線工業(yè)控制、汽車自動化、遠程網(wǎng)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(lián)網(wǎng)上，借助WEN優(yōu)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(lián)網(wǎng)，憑借其低成本、實用性強和穩(wěn)定性等優(yōu)勢，在全國各地都有工地安裝使用，物聯(lián)網(wǎng)平臺的推出為維保單位、物業(yè)以及政府機構對電梯的監(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。