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基于LTE Cat.1的 电梯物联网终端设计

时间:2020-09-15来源:上海新时达电气股份有限公司

导语:目前,电梯物联网终端种类较多,基于不同的无线技术就有对应的电梯物联网终端,终端功能也存在差别,特别是一些实用的亮点功能。本文在充分研究当前通信技术的基础上,结合电梯物联网实际数据应用对无线技术的要求,选择LTE的Cat.1作为无线传输方式。在功能上设计出蓝牙调试、远程升级、远程控制、远程设置参数等。在实现常规电梯物联网终端功能的基础上增加终端附加值功能,使电梯物联网终端更加实用,功能更加完善。

  1 引言

  智慧电梯和按需维保已经成为电梯的发展方向,智能电梯旨在为电梯使用者提供更加安全、舒适及智能的乘梯体验。按需维保的提出一方面为了规范电梯维保市场,同时也能给电梯制造企业和电梯维保企业减轻人员负担。电梯物联网是实现智慧电梯和按需维保的基础,需借助电梯物联网终端的数据采集、数据传输及物联网平台的数据分析实现电梯的智能化管理。国内电梯保有量已经超过700万台,依靠传统的人工管理方式已经明显不满足实际要求,依托电梯物联网技术,采用物联网终端,将电梯的实时数据、事件数据、统计数据及故障数据等传输至大数据平台,进行终端侧的边缘计算和平台端的大数据分析,实现事后故障困人报警和事前预警功能,实现电梯的智能化。

  2 电梯物联网终端无线技术选择

  本电梯物联网终端选择蜂窝技术作为电梯物联网终端的无线传输方式,考虑到2G退网为大势所趋,本电梯物联网终端选择LTE(Long Term Revolution,长期演进)。3GPP在制定LTE标准时,考虑到LTE能为不同用户提供不同等级的服务质量(QoS,Quality of Service),同时对LTE做了分类,所谓的Cat.X中的Cat即为种类的意思,每个种类的LTE所规定的上下行峰值速率对应有不同的速率。Cat.1、eMTC和NB-IoT都是3GPP制定的用于M2M场景的物联网传输方案。相比Cat.4,四者之前的对比如表1所示。

表 1 四种终端类别的技术参数对比表.png

表1 四种终端类别的技术参数对比表

  考虑到电梯物联网数据传输速率的实际情况,特别是满足中高速电梯状态监视的要求,LTE中的中低速和高速应用能满足要求,如Cat.4、Cat.1、eMTC满足电梯物联网传输速率要求,而NB-IoT适用于窄带业务,如抄表、路灯控制、环境数据采集及智能停车等场景;从模组成本考虑,Cat.4的模组成本高于Cat.1和eMTC;从复用现有LTE基站的可行度和改造成本角度考虑,Cat.1的网络建设复杂度明显低于eMTC。综合考虑以上因此,本电梯物联网终端选择Cat.1。Cat.1基于现有的LTE网络,完全复用现有LTE资源,不需要增加额外投资。

  而且,Cat.1芯片及模组的成熟度更高,成本非常便宜,能够在短时间内形成规模效应。

  3 系统设计

  3.1硬件设计

  本电梯物联网终端设计的电梯物联网终端采用双MCU结构,而非SoC(SystemOnaChip,片上系统)。主MCU采用主流的ARM,最高频率达到72MHz,LTECat.1采用国产的模组,基于ASR平台开发。LTE模组与主MCU之间通过UART进行通讯。电源管理模块包含电池管理单元,依据电梯物联网国家标准GB/T24476第5.2.6条规定,电梯物联网终端在系统断电的情况下,仍需工作至少1小时。电池单元保证终端在主电失电的情况下能无缝切换供电,切换过程中电压跌落只有0.3V左右,保证LTE模组不会因为电源切换而失电重启。

  输出指示单元用于方便现场调试,可指示LTE网络信号强度、与电梯主板连接是否成功、与远程服务器连接是否成功及与远程服务器数据交互情况。存储单元采用铁电,用于存储终端参数和掉电需存储的数据,如电梯困人数据和远程升级标志等数据。

  电梯物联网终端提供RS232、RS485、CANBUS接口用于与电梯主板交互,获取电梯运行数据,RS232接口同时也支持上位机参数设置,电脑端通过此接口可设置服务器相关参数(如服务器地址、服务器端口、设备唯一标识、远程升级服务器地址、远程升级服务器端口、APN名称、APN用户名及APN密码)。IO接口采集电梯轿厢内警铃信号,目前电梯系统的五方对讲系统与电梯控制系统绝大多是独立的,电梯控制系统无法获取警铃信号,本电梯物联网终端提供IO接口连接五方对讲的对讲信号,即IO输入(IO+和IO-)分别连接四线制五方对讲信号的R和GND,连接二线制五方对讲信号的R和L信号,通过捕获警铃触发后的电平信号判断警铃是否动作。

  蓝牙模块与主MCU采用UART通讯,通过蓝牙模块建立手机端调试App与主MCU之间的连接通道,通过手机App查询和设置主MCU相关的参数,如图1所示。

基于LTE-Cat.1的电梯物联网终端设计2.jpg

图1 电梯物联网终端硬件组成示意图

  3.2软件实现

  3.2.1软件框架设计

  主MCU运行实时操作系统,程序上电启动进入main函数之后,关闭总中断,初始化外设资源,包括IO、UART、CANBUS、时钟、IIC、看门狗等资源。之后执行参数读取、电梯主板类型判断、LTE模块开机等操作,然后执行初始化操作系统、创建操作系统任务及启动操作系统等操作。本电梯物联网终端创建5个线程,分别是网络管理线程、电梯事件管理线程、电梯主板数据采集线程、电梯主板数据分析线程及线程管理线程。网络管理线程负责连接远程服务器、接收和处理远程服务器数据及服务器与物联网终端心跳维护。电梯事件管理线程负责判断和处理电梯事件信号,如电梯故障事件、电梯困人事件,并负责将事件通知到远程服务器。电梯主板数据采集线程负责建立与电梯主板的协议交互,通过应答机制,电梯物联网终端周期性发送不同的监视和控制协议,电梯物联网终端异步接收电梯主板返回的数据。电梯主板数据分析线程负责处理物联网终端采集到的原始数据,并进行提取和封装,更新和存储到对应的内存单元,供数据共享。线程管理线程负责管理其他线程,通过超时判断机制判断各个线程是否正常工作和是否已退出运行,当检测到线程异常退出时,通过线程管理线程重新启动该线程。

  3.2.2蓝牙调试

  电梯物联网终端一般只提供LED状态指示,通过LED判断终端与电梯主板、终端与服务器的连接结果,但终端与电梯交互的数据是否正确、LTE信号强度等无法知道,不方便现场安装调试人员准确获取电梯物联网终端的工作状态。特别是当调试出现问题的情况下,调试人员更需要量化的数据用于排查现场问题。本电梯物联网终端设计了蓝牙手机端App,提供电梯状态监视、设备状态查询、参数设置菜单,如图2所示。

基于LTE-Cat.1的电梯物联网终端设计3.jpg

图2 蓝牙App主界面

  电梯物联网终端调试工作中最关键的两个环节为电梯当前状态的正确获取和电梯物联网终端与服务器的成功连接的判断。电梯状态菜单提供电梯门锁状态查询、电梯当前楼层和运行方向查询、电梯运行状态查询以及电梯的上下召唤和骄内指令查询,调试人员可清晰判断当前的监视状态与电梯实际运行状态是否保持一致。

  设备状态菜单提供设备ID查询、服务器地址查询、服务器端口查询、设备心跳时间间隔查询、设备APN查询、SIM卡状态、LTE信号强度等的查询。与服务器的连接数据可通过此菜单方便查询。

  参数设置菜单提供现场调试人员配置服务器地址、服务器端口和APN等参数,此功能需要通过高级权限才可执行,防止误操作和恶意操作导致电梯物联网终端失联。

  3.2.3远程升级

  电梯物联网终端远程升级功能降低人员现场更新程序的麻烦,由于新需求和新功能的更新或者程序功能问题的修复,电梯物联网终端软件升级概率较大,由于电梯物联网终端的特殊性,普通人员无法接近安装在电梯机房中的物联网终端,导致现场程序升级难度加大。本电梯物联网终端基于此考虑设计了远程升级机制。

  电梯物联网终端OTA(Over The Air)升级整个过程包括程序文件下载、程序文件存储、程序文件校验、程序更新4个过程。

  (1)程序文件下载:获取下载链接并判断是否需要下载(硬件版本号一致,软件版本号大于当前软件版本号),进行下载,目前不带操作系统的物联网终端不支持断点续传,下载失败后不再下载,以消息形式通知结果;带操作系统的物联网终端支持断点续传,由操作系统自带的协议完成续传。

  (2)程序文件存储:下载过程中进行分片存储到flash中缓存区域。

  (3)程序文件校验:下载完成后,对程序文件进行MD5值校验,确认文件传输正确。

  (4)程序更新:MD5校验通过后,执行CPU程序更新,考虑到冗余,设计有主、备两个区域,替换进行更新,防止当更新失败,程序仍然可以从另一区域正常启动,大大降低OTA导致终端异常的风险。

  电梯物联网终端要实现OTA功能,需要有两段程序,一个是引导程序(也可以称为BootLoader),另一个是应用程序。通过USB、串口、CAN等通讯方式向主MCU发送要升级的程序文件数据(数据协议可自定义),引导程序中将接收到的数据写到应用程序的地址即实现将终端应用程序的升级。

  3.3.4远程参数设置

  电梯物联网终端支持远程设置服务器IP地址或域名、端口、APN、APN用户名、APN密码等参数。为方便管理,电梯物联网终端出厂默认的服务器地址和端口为某一固定管理平台。当现场需要修改终端的连接服务器时,只需在统一管理平台服务器上远程发送设置指令,电梯物联网终端接收到设置指令后,先备份原先保存的服务器参数,然后对新服务器参数进行合法性检测。当检测通过后,更新当前服务器参数,并存储,存储成功后,复位主MCU,执行新的服务器连接。

  3.3.5远程控制

  电梯物联网平台和手机App的某些应用场景需支持远程登记厅外召唤和骄内指令,如无接触乘梯场景,乘客需通过手机App或小程序实现对电梯的无接触登记,或者需要实现远程对电梯进行锁定和解锁。本物联网终端提供远程控制功能,远程的控制指令需通过手机验证码验证后才可下发控制命令,且控制命令协议采用对称加密算法加密,保证控制功能的安全性。

  为了保证远程控制功能能发挥作用,降低通过移除电梯物联网终端而使远程控制功能失效的风险,本系统设计双向绑定机制,当电梯物联网终端检测到与电梯主板失联时,通过消息机制通知相应的维保人员或电梯管理人员。当电梯主板检测到电梯物联网终端失联时,电梯主板将不定时产生随机故障代码,但不限制电梯运行,外呼和骄内显示等人机交互设备上也不定期出现故障提示。该不定期故障产生事件可通过高级密码登陆电梯主板进行关闭。通过该双向确认机制确保远程控制功能能最大程序发挥作用。

  4 结束语

  电梯物联网终端是实现智慧电梯和电梯按需维保的硬件基础,国家已经计划针对电梯物联网终端制定专门的标准,取消之前的将电梯物联网终端的设计标准掺和在电梯物联网总标准中的做法,可见电梯物联网终端的重要性。本文结合通信技术的发展实际情况,设计一款符合电梯行业使用的电梯物联网终端,并结合行业应用,设计多种实用的调试和应用功能,同时给出电梯物联网终端设计的硬件组成,对电梯行业电梯物联网终端的设计和开发具有了一定的参考价值。

标签: 物联网

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