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电梯物联网井道传输方案研究

2019年06月11日 13:45:55 供稿:孙恩涛 何小虎 上海新时达电气股份有限公司

电梯轿厢与机房之间信号传输通过随行电缆实现,电梯物联网中需采集轿厢上或轿厢内的电梯数据,如电梯振动数据、门机电流信号、轿厢音视频信号等,需借助现有的随行电缆通道或者增加新的数据通道实现此类信号的传输,为保证电梯物联网平台与电梯轿厢信号采集装置数据交互的可靠和稳定,需在电梯轿厢与机房之间建立高质量的数据传输通道。文本结合实际工程案例,研究了Wi-Fi点对点无线传输方式和电力线载波有线传输方式,经实际对比研究后得出,基于电力线载波技术的电梯物联网井道传输方案性能最佳,该方案已在多个实际项目中进行了实际应用,效果良好,有一定的推广应用价值。

关键词:电梯物联网井道传输点对点Wi-Fi电力线载波

1、研究背景

物联网技术为实现电梯智能化提供了技术手段,电梯物联网基本功能之一需实现电梯运行状态数据采集和远程信息的下发,需建立电梯物联网平台到电梯控制系统各个监测点之间的交互通道,由电梯控制系统的结构图(如图1所示)可知,如需采集轿厢数据(如电梯轿厢振动数据、警铃信号等),现有的电梯控制系统通讯协议中一般都不包含这几个信号,因此需在轿顶或者轿厢内单独加装测试装置;当需实现电梯物联网语音视频对讲,也需在轿厢内安装语音视频对讲装置,如LCD显示屏、一键报警装置等。这些外加装置需通过数据传输装置与电梯物联网平台进行交互。考虑到电梯井道内的运营商信号一般很难保证完全覆盖,特别是在住宅小区或者一些运营商基站覆盖边缘地带,由于井道和轿厢金属的障碍,无线信号衰减严重,因此在电梯轿顶或者轿厢内直接加装数据传输单元可行性受限;另外考虑到电梯物联网一般需通过采集器采集电梯控制系统的数据,通过采集器或者采集器附近的数据传输单元接入运营商网络,因此单独在轿顶或轿厢内再增加数据传输单元,对于电梯物联网成本也是挑战。

基于上述应用背景,需要建立机房与轿厢之间的数据传输通道。现有的电梯井道随行电缆中,基本不会有多余的通讯线缆,常规的28芯线或者18芯线中,一般包括,AC220V信号4芯(照明2芯,门机电源2芯);AC110V信号4芯(门锁、抱闸);通讯信号4芯(通讯电源、通讯双绞线);对讲机信号3芯;门区信号线2芯;贯通门后轿门锁2芯;异步主机副轿门锁2芯。这些芯线中,若在不更改控制系统软件和电气设计的前提下,很难再承载如音视频对讲装置数据、警铃报警信号及轿厢振动数据等。当然,最佳方案是在不增加随行电缆芯线、不改变电气回路及不修改软件的情况下实现轿厢与机房之间的数据传输。本文在实际工程应用研究的基础上,提出多种解决方案,实现了电梯物联网数据链路的完整性和可靠性。

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图1电梯控制系统结构示意图

2、方案设计

2.1Wi-Fi点对点

(1)系统结构

通过在井道顶导轨上和轿厢顶护栏上各安装一个Wi-Fi板实现井道与机房数据传输,系统结构图如图2所示。考虑到实际安装时Wi-Fi电源获取的方便性,Wi-Fi板供电直接采用AC220V供电,且采用井道照明电源。井道顶Wi-Fi与电梯控制柜内采集器(或数据传输单元)通过通讯方式交互,如RS232、CANBUS、RS485等。轿顶Wi-Fi负责输入数据采集和电梯状态下发。电梯物联网平台下发的数据,如电梯广告、应急救援、轿厢内故障报警信号、振动数据等都可通过轿顶Wi-Fi和井道顶Wi-Fi之间的通讯链路实现双向数据交互。

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图2基于Wi-Fi方案的电梯物联网井道数据传输系统结构图

(2)工作原理

Wi-Fi协议由IEEE802.11工作组负责,并经历了IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11n、IEEE802.11g、IEEE802.11ac、IEEE802.11ad等协议标准的发展,支持的ISM频段从传统2.4G、5G到60G,峰值传输速率从2Mbps到7Gpbs。考虑到电梯井道的实际工况,需考虑无线干扰、通讯距离及通讯速率等综合要求,本项目Wi-Fi板工作在2.4G频段,支持IEEE802.11b、IEEE802.11n、IEEE802.11g。

轿顶Wi-Fi和井道顶Wi-Fi通过点对点方式通讯,各自外置平面型定向天线用于信号放大。通过Wi-Fi板上的模式选择开关选择Wi-Fi板网络角色,即AP(AccessPoint)与STATION。AP模式下,Wi-Fi板为Wi-Fi接入点,是Wi-Fi网络的创建点和Wi-Fi网络的中心节点,允许其他设备接入并提供数据访问服务;STATION模式下,Wi-Fi板类似无线终端,其不具备接入点功能,但可连接至AP。Wi-Fi之间的匹配通过SSID实现,每个无线AP都需有一个标志网络的名字,SSID用于区别不同的Wi-Fi网络。本方案可通过SSID设置开关选择SSID,共支持16个SSID,考虑到相邻或者同一井道内的电梯数量不会多于16台,因此16个SSID符合实际应用要求,设置的SSID可通过Wi-Fi板自带的显示模块显示,方便现场调试时区别。本方案设计可通过LED指示灯判断当前工作状态,当加入网络成功时网路指示灯常亮,否则常灭;无线数据收发时数据灯闪烁,无数据收发时常灭。

(3)案例应用

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图3基于Wi-Fi方案的电梯物联网井道数据传输案例

本案例需将电梯实时状态数据,如楼层、方向、特殊状态(检修、消防、故障、超载、满载、ARD)、困人、救援人员位置等信息下发到轿厢内多媒体显示屏,通过Wi-Fi建立轿内多媒体显示屏与机房网关之间的数据通讯链路。由于交互数据量和交互速率要求不高,Wi-Fi板与轿内多媒体显示器和节点或网关均采用RS232通讯,如图3所示。

2.2电力线载波

(1)系统结构

电力线载波(PLC,PowerLineCarrier)属于有线传输方式,通过在控制柜内和电梯轿顶安装一对电力线载波模块,复用随行电缆中的井道照明电缆即可建立控制柜与轿厢的通讯链路,电力线载波模块提供RS232和以太网口与外设通讯,如图4所示,当电梯楼层较高、电力线电源质量污染较严重的情况下,复用照明电缆容易造成数据丢失、通讯不稳定等现象,可借助随行电缆的2芯备用线解决此问题。电力线载波模块安装方便,传输速率可达94Mpbs,适用于语音视频传输应用。

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图4基于电力线载波方案的电梯物联网井道数据传输系统结构图

(2)工作原理

电力线载波通讯的基本原理是将信号从通信主站A的处理单元调制,经电力耦合接口耦合到电力线上,从站B的电力耦合接口接收此信号并进行解调,解调信号经过处理单元处理还原成原始信号,通过通讯接口送至通信设备中,如图5所示,从站B发送数据到主站A的原理类似。其中耦合接口由耦合电容和滤波器组合成一个带通滤波器,其作用是通过高频载波信号,并阻止电力线上的工频信号进入载波设备。

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图5电力线载波技术工作原理示意图

电力线载波技术从带宽角度可分别窄带电力线载波和宽带电力线载波,其中窄带电力线载波常用带宽一般为几十KHz,我国电信主管部门规定的电力线载波合法频段范围为40~500KHz,基本载波频带宽度为4KHz,而实际电力线载波设备单方向载波通道所占用的频带宽度等于基本频段宽度的整数倍;宽带电力线载波一般工作在2~30MHz。窄带电力线载波相比宽带电力线载波具有信号衰减少,通讯距离远、成本低等优势,但40~500KHz频段干扰较大。目前电力线载波通信常用的扩频技术主要有直接序列扩频、线性调频Chirp和正交频分复用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)等。此外,跳频FH、跳时TH以及上述各种方式的组合扩频技术也较为常用。

值得注意的是,配电变压器对电力线载波信号有阻隔影响,由于载波信号相比工频50Hz信号而言基本属于高频信号,变压器的感抗特性使高频载波信号无法顺利通过变压器。另外当电力线上负载较重时,电力线载波实际传输距离大大缩短。这些相对缺点在一定程度上限制了电力线载波技术的进一步推广。

(3)案例应用

电梯工作环境一般比较恶劣,供电线路中存在非线性负载,造成线路上产生高次谐波,变频器运行中也会产生高次谐波,实际测试发现,使用窄带电力线载波技术时,通讯不稳定,无法满足电梯轿厢语音和视频传输速率要求。本案例采用宽带电力线载波技术,并采用正交频分复用调制机制,在工作频带内,以一定的频率间隔使用多个相互正交的子载波,经过编码后的数据调制到多个子载波上发送,因此适用于电梯恶劣环境下的数据通讯。本案例借助电力线载波技术,实现电梯物联网远程图像视频下发,通过机房多功能网关网口,经电梯随行电缆照明线送到轿顶电力线载波模块,其网口输出与轿顶音视频对讲主机通讯,打通电梯轿厢与机房的数据链路,实时速率达到94Mbps。由于井道到机房之间的照明线或者随行电缆备用线都在一个变压器范围之内,无需通过中继等措施解决电力线载波跨变压器难题。该电力线载波模块符合IEEE802.3和IEEE1901标准,采用CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance,带冲突避免载波侦听多路访问)机制,即不论当前信号是否忙,发送端都需等待一个帧间间隔,当发送端检测到当前信道为空时,则等待一个帧间间隔,之后继续侦听,当检测到当前信道为空时,则执行一个随机后退过程,随机后退过程结束后,再次侦听信道,若仍为空,则发送端开始发送数据,在此过程中,任何阶段检测到信道忙信号,则发送端退出等待上述等待过程,继续检测当前信道是否为空。采用这种主动避免冲突而非被动侦测的方式来解决冲突问题,能大大提高数据传输的成功率。

3、方案比较

电梯物联网井道传输需考虑安全性、稳定性、易安装性等要求。不论采用何种技术(有线和无线),均不允许影响电梯电梯正常运行,均不允许影响电梯的安全部件的电气回路,均需符合电梯相关标准要求的电磁兼容性要求。建立机房与电梯轿厢之间的通讯链路,目前主要的应用是采集涉及安全隐患相关的电梯数据和困人时电梯轿厢实现音视频对讲,因此对于传输方案的稳定性要求较高。另外,传输方案也需满足方便安装的要求,简易的安装既能降低对电梯原有系统的干涉,也利于方案的推广。

表1点对点Wi-Fi与宽带电力线载波井道传输方案对比表

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通过各项参数对比(如表1所示)可知,电力线载波技术在稳定性、传输距离、传输速率、易安装性、易实用性及兼容性等角度均优于Wi-Fi传输方案。

4、结束语

本文从电梯物联网井道传输实际应用要求(安全性、高稳定要求及易安装等)出发,综合对比了点对点Wi-Fi技术和宽带电力线载波技术,分别从系统结构、工作原理及应用案例角度研究这两项技术在井道传输项目中的应用,得出电力线载波技术更加适合电梯物联网井道传输项目。本方案已经在我司电梯星辰物联网音视频对讲系统、电梯星辰物联网多媒体系统中成功运用。

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