基于WEN技术的电梯物联网系统的设计

　　1引言

　　随着国民经济的发展，城市现代化建设不断推进，高层住宅在各大城市越来越普及。在这些小区中，电梯作为垂直运输工具，成为人们工作和生活不可缺少的一部分。在电梯数量越来越大的情况下，人们对电梯的智能控制和管理也提出了更高的要求。一般来讲，新建的大型商业区、住宅区都建立了各自的电梯控制中心，但这些被监管的电梯只占了使用电梯的很小一部分，没有被监管的电梯经常会出现长时间困人等现象，因而对电梯全面而有效的监控是电梯人性化使用的必然要求。如果按照传统方式，以各个单位、各个大楼为单位建立各自的电梯控制系统，这将造成人力、物力的极大浪费。但是如果按照一个城区来建立电梯综合监控管理系统，由于电梯位置分布比较分散，存在如何实现数据汇总和数据传输的问题。

　　经过调查对比，发现现有技术的电梯物联网系统还存在以下问题：

　　1、系统搭建成本较高，现地级感知结点较昂贵，如每个电梯主控制器配置安装一个GPRS模块，成本较高;

　　2、监控管理系统移植功能较弱，系统的管理系统与现地级的主控制设备有一一对应的关系，无法方便移植，二次开发成本加大，无法适应现场设备频繁性增加以及设备种类更换，因此系统通用性、可扩展性有待改善。

　　3、不能够实现所有设施跨平台、跨系统“物与物数据实时交换”，并实现跨系统、按照功能需求的设备设施管理和控制。

　　4、系统监控范围有限，一般局限于一个小区或者一个区域，多区域电梯远程集中监控管理系统目前尚未出现，即使是多区域监控，采用的方法一般是将各个区域的监控计算机数据经网络汇总到监控中心，这种方法需要额外配置计算机及通讯设施，成本较高。

　　5、系统仅局限于电梯监控功能，并没有与电梯相关企业实现数据共享，不是真正意义上的电梯物联网系统。

　　因此设计开发一套成本低、组网方便灵活、人性化的真正意义上的电梯物联网系统势在必行。

　　2电梯物联网系统原理

　　基于WEN技术的电梯物联网在数据集中和传输方面，首先通过结点采集电梯运行参数，通过WEN技术组成网状网，采集的信息汇总到网关，网关数据经过GPRS或者3G投递到物联网服务器上，如图1所示，一个现场组建一个WEN个域网，借助WEN网络的自恢复和路由功能，提高现地级网络的稳定性。所有的现地级个域网数据都通过GPRS或者3G网络传输至物联网服务器，实现分散控制和集中管理，电梯相关企业可以通过Internet凭相应权限访问物联网平台数据，可监视电梯运行状态，当电梯故障时采用人性化的设计走急修流程。数据共享功能实现电梯物联网系统与电梯供应商ERP系统、物流公司ERP系统等的数据共享。电梯物联网解决方案革新了传统的点对点的传输模式，实现了点对面传输，大大节省了组网成本，而且系统扩展方便，新加入的设备能自动入网，节省二次开发成本。

　　图1电梯物联网系统结构图

　　3电梯物联网传感层设计

　　3.1硬件设计

　　电梯物联网中，传感层设备分为结点、中继器、网关、调试器及协议转换器，其中协议转换器用于连接其他厂家的主控制器。功能列表1如下：

　　结点和网关都采用双CPU模式，主CPU和射频CPU，两者独立工作，并通过UART进行数据交互，如图2所示。

　　图2网关硬件原理框图

　　3.2软件设计

　　系统对实时性要求不高，属于非占先任务调度，因此采用轮询式任务调度方式，一个任务可由多个事件构成，同一任务的所有事件处理由一个统一的事件处理函数完成。

　　任务事件调度机制：有两个关键数组，事件标志数组与任务函数数组，事件标志数组存放的是同一个任务中各个事件的执行标志，数组成员的每一位代表该任务对应事件的执行标志;每个任务在本次循环中是否要被运行，取决于运行的任务值，若非0则有执行的机会，执行的先后顺序取决于任务的优先级。任务函数数组存放了对应每个任务的入口地址，只有在事件标志数组中记录的需要运行的任务，在本次循环中才会被调用到。

　　对于同一个任务可能有多种事件发生，那么需要执行不同的事件处理，为了方便，对于每个任务的事件处理函数都统一在一个事件处理函数中实现，然后根据任务号和该任务的具体事件号调用某个任务的事件处理函数，进入了该任务的事件处理函数之后，再根据events来判别是该任务的某一种事件发生，进而进入相应的事件处理函数，最后将处理完的事件的标志位清零。主循环会从任务列表的开始查询每一个任务的事件标志，保证优先级高的任务的事件被优先处理，处理过程如下图3。

　　3.3关键技术

　　物联网传感层个域网数据无线传输方式主要用到了单播和广播两种方式，广播方式主要用在网关中，用于本个域网网络管理，网关周期性发送广播指令，并指定起始地址，结点收到广播指令之后对比指定地址和自身地址，若自身地址小于<=指定地址+5，则结点封装自身的网络参数数据包，并以收到的网关网络地址为目标地址将封装完成的数据包以点对点的形式投递到网关。网关请求网络参数设计为带起始地址的分组形式，根源在于考虑到个域网结点数较多的情况下，如果网关广播请求，所有的结点都返回的话，很有可能造成个域网无线信道阻塞情况，物联网平台请求的电梯基本状态等数据与结点返回广播请求数据这两个数据包存在同时返回的可能，再加上所有结点几乎同时返回广播请求数据，会使单通道的数据信道上阻塞比较严重，最终造成丢包情况。

　　中继器安装由于不需要设置结点号，因此需要寻找一种能唯一标识中继器的指标，采用唯一的第一物理地址经标识算法得到一个双字节的中继器标识符;网关在一个广播周期的最后一次会从中继器管理数组中找到上一次发送的非零标识的下一个非零标识，经广播投递到中继器。中继器收到此命令并提取数据包中携带的标识值与自身标识做比较，如果是自身标识则置位无线复位计数器，若不是自身标识则无线复位计数器减1。

　　(1)广播数据传输方式

　　单点对本网络中所有结点的数据传输，当然必须在发送指定的射频距离之内。网关数据经WEN网络传输到已加入网络的所有结点，目标网络地址为0xfffc(不包含休眠结点),中间可以经过路由转发。

　　(2)单播数据传输方式

　　即点对点，数据投递时指定目标结点的网络地址，除非是邻居结点(结点之间的射频距离在设定的射频半径之内)，结点通信时首先触发路由侦测，如果点对点通信被确认，单次尝试次数需经过三次握手，这此过程中有可能初始化新的路由侦测如果之前的路由断开，单播数据传输可以经过路由转发，此功能可以通过程序指定。

　　网关请求电梯基本状态指令、网关请求结点重启指令、结点返回基本状态请求指令、结点故障主动上报指令、电梯困人指令等都以单播的形式发送。

　　WEN是异步协议，任何结点都能同时收发数据。WEN本质决定了数据包传输过程中的延时是很难预测的，因此系统设计时候需考虑每一级的数据包延时大概在10ms左右，当遇到数据传输再次尝试或者路由侦测情况下，数据包延时将会更长，比如路由侦测需通过广播方式在整个网络中传输，而响应结点需等待侦测结果的返回。如图4，结点A数据传输到结点B需经过4级跳跃，A发完数据包之后至少等待40ms之后才能收到数据，如果需要确认的话就得需要80ms的时间A结点才能收到B结点返回的数据。

　　图4WEN数据包延时图

　　因此应用程序的设计需兼容一定范围的延时，如果个域网信道比较干净的话，数据包长度对延时不会有较大的影响，因为随机的等待时间能使传输时间延时变的不明显，但是当数据信道特别嘈杂的情况下，数据包的长度势必会造成重新尝试次数，也就是增大延时时间。

　　因此保证信号稳定的好方法就是尽量缩短数据包长度，此方法不仅能缩短通讯延时，同时能减少带宽占用率，当然在大数据量情况下，增大数据包长度是缩短传输次数的号方法，但是多数情况下需要考虑将数据包长度尽量缩短。

　　电梯物联网平台上定义的协议充分考虑了数据包长度对网络延时的影响，因此定义的发送和接收协议都比较短，协议中数据块部分用转义方式取代ASCII码方式，使数据包长度尽量控制在15个字节以内。

　　4物联网平台

　　传感层个域网的数据汇总到网关之后，需要经过DTU将数据传送到物联网服务器上，物联网平台的设计采用B/S架构，每一个个域网配置一个DTU，每个DTU都有特定的身份标识，所有的DTU都指定连接到指定域名的服务器上，成为一个TCP连接。物联网平台上以这些DTU为单元管理现场对应的一个电梯区域。

　　物联网平台提供电梯监控、故障处理、故障分析、电梯档案、电梯维保、电梯急修等菜单选项，如图5所示，客户端使用者根据自身的权限访问指定的功能模块。入网的电梯的详细数据都会在平台上被记录，包括一些基本参数，比如控制内的设备的型号、曳引机、门机等设备的出厂日期、厂家名字、安装日期等，还包括平台统计的一些参数，比如某一厂家的设备的故障率，年检提醒等。后台数据库部分开放给整体厂、采购商，实现数据共享。购买方(如电梯销售公司或物业公司的用户)可以利用电梯物联网中的电梯采购功能，直接在平台内下订单，向整梯企业订购电梯。他们不仅可以实现电梯整梯和电梯配件的在线下单和订购，同时可以查询电梯整梯和配件的生产以及发货状态。电梯物联网系统配置电梯效能智能分析统计功能，联网电梯中所有电梯的运行数据都存储到后台数据库中，包括通过电梯控制器上传的运行次数、故障号，在电梯物联网系统上通过软件统计的故障次数、故障率以及故障描述等。在管理平台上开放查询功能，订购商可以查询网络中的电梯历史运行数据，为其提供选择依据。下单和订购功能的实现采用数据库技术，在数据库中配置触发器，将采购信息触发至电梯设备供应商采购平台上，并可将订单执行状态信息反触发至数据库中。借助SQLServer数据库的C/S架构，可实现物联网平台与电梯设备供应商ERP系统的无缝交互。

　　图5物联网平台

　　5结束语

　　WEN以低功耗、低成本和低复杂度等优势，又采取了IEEE802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点，同时增加了逻辑网络和网络安全等保障，使得WEN无线技术数据采集、无线工业控制、汽车自动化、远程网络控制、家庭和楼宇自动化等场合得到了广泛的应用，本文将将WEN技术运用在电梯物联网上，借助WEN优势，充分考虑电梯使用、运行的具体特点，设计出了基于WEN技术的电梯物联网，凭借其低成本、实用性强和稳定性等优势，在全国各地都有工地安装使用，物联网平台的推出为维保单位、物业以及政府机构对电梯的监控提供了方便的手段，提高了电梯使用的安全性和规范性。