基于LTE Cat.1的 電梯物聯網終端設計
文:上海新時達電氣股份有限公司 何小虎2020年第五期
導語:目前,電梯物聯網終端種類較多,基于不同的無線技術就有對應的電梯物聯網終端,終端功能也存在差別,特別是一些實用的亮點功能。本文在充分研究當前通信技術的基礎上,結合電梯物聯網實際數據應用對無線技術的要求,選擇LTE的Cat.1作為無線傳輸方式。在功能上設計出藍牙調試、遠程升級、遠程控制、遠程設置參數等。在實現常規電梯物聯網終端功能的基礎上增加終端附加值功能,使電梯物聯網終端更加實用,功能更加完善。
1 引言
智慧電梯和按需維保已經成為電梯的發展方向,智能電梯旨在為電梯使用者提供更加安全、舒適及智能的乘梯體驗。按需維保的提出一方面為了規范電梯維保市場,同時也能給電梯制造企業和電梯維保企業減輕人員負擔。電梯物聯網是實現智慧電梯和按需維保的基礎,需借助電梯物聯網終端的數據采集、數據傳輸及物聯網平臺的數據分析實現電梯的智能化管理。國內電梯保有量已經超過700萬臺,依靠傳統的人工管理方式已經明顯不滿足實際要求,依托電梯物聯網技術,采用物聯網終端,將電梯的實時數據、事件數據、統計數據及故障數據等傳輸至大數據平臺,進行終端側的邊緣計算和平臺端的大數據分析,實現事后故障困人報警和事前預警功能,實現電梯的智能化。
2 電梯物聯網終端無線技術選擇
本電梯物聯網終端選擇蜂窩技術作為電梯物聯網終端的無線傳輸方式,考慮到2G退網為大勢所趨,本電梯物聯網終端選擇LTE(Long Term Revolution,長期演進)。3GPP在制定LTE標準時,考慮到LTE能為不同用戶提供不同等級的服務質量(QoS,Quality of Service),同時對LTE做了分類,所謂的Cat.X中的Cat即為種類的意思,每個種類的LTE所規定的上下行峰值速率對應有不同的速率。Cat.1、eMTC和NB-IoT都是3GPP制定的用于M2M場景的物聯網傳輸方案。相比Cat.4,四者之前的對比如表1所示。
表1 四種終端類別的技術參數對比表
考慮到電梯物聯網數據傳輸速率的實際情況,特別是滿足中高速電梯狀態監視的要求,LTE中的中低速和高速應用能滿足要求,如Cat.4、Cat.1、eMTC滿足電梯物聯網傳輸速率要求,而NB-IoT適用于窄帶業務,如抄表、路燈控制、環境數據采集及智能停車等場景;從模組成本考慮,Cat.4的模組成本高于Cat.1和eMTC;從復用現有LTE基站的可行度和改造成本角度考慮,Cat.1的網絡建設復雜度明顯低于eMTC。綜合考慮以上因此,本電梯物聯網終端選擇Cat.1。Cat.1基于現有的LTE網絡,完全復用現有LTE資源,不需要增加額外投資。
而且,Cat.1芯片及模組的成熟度更高,成本非常便宜,能夠在短時間內形成規模效應。
3 系統設計
3.1硬件設計
本電梯物聯網終端設計的電梯物聯網終端采用雙MCU結構,而非SoC(System On a Chip,片上系統)。主MCU采用主流的ARM,最高頻率達到72MHz,LTECat.1采用國產的模組,基于ASR平臺開發。LTE模組與主MCU之間通過UART進行通訊。電源管理模塊包含電池管理單元,依據電梯物聯網國家標準GB/T24476第5.2.6條規定,電梯物聯網終端在系統斷電的情況下,仍需工作至少1小時。電池單元保證終端在主電失電的情況下能無縫切換供電,切換過程中電壓跌落只有0.3V左右,保證LTE模組不會因為電源切換而失電重啟。
輸出指示單元用于方便現場調試,可指示LTE網絡信號強度、與電梯主板連接是否成功、與遠程服務器連接是否成功及與遠程服務器數據交互情況。存儲單元采用鐵電,用于存儲終端參數和掉電需存儲的數據,如電梯困人數據和遠程升級標志等數據。
電梯物聯網終端提供RS232、RS485、CANBUS接口用于與電梯主板交互,獲取電梯運行數據,RS232接口同時也支持上位機參數設置,電腦端通過此接口可設置服務器相關參數(如服務器地址、服務器端口、設備唯一標識、遠程升級服務器地址、遠程升級服務器端口、APN名稱、APN用戶名及APN密碼)。IO接口采集電梯轎廂內警鈴信號,目前電梯系統的五方對講系統與電梯控制系統絕大多是獨立的,電梯控制系統無法獲取警鈴信號,本電梯物聯網終端提供IO接口連接五方對講的對講信號,即IO輸入(IO+和IO-)分別連接四線制五方對講信號的R和GND,連接二線制五方對講信號的R和L信號,通過捕獲警鈴觸發后的電平信號判斷警鈴是否動作。
藍牙模塊與主MCU采用UART通訊,通過藍牙模塊建立手機端調試App與主MCU之間的連接通道,通過手機App查詢和設置主MCU相關的參數,如圖1所示。
圖1電梯物聯網終端硬件組成示意圖
3.2軟件實現
3.2.1軟件框架設計
主MCU運行實時操作系統,程序上電啟動進入main函數之后,關閉總中斷,初始化外設資源,包括IO、UART、CANBUS、時鐘、IIC、看門狗等資源。之后執行參數讀取、電梯主板類型判斷、LTE模塊開機等操作,然后執行初始化操作系統、創建操作系統任務及啟動操作系統等操作。本電梯物聯網終端創建5個線程,分別是網絡管理線程、電梯事件管理線程、電梯主板數據采集線程、電梯主板數據分析線程及線程管理線程。網絡管理線程負責連接遠程服務器、接收和處理遠程服務器數據及服務器與物聯網終端心跳維護。電梯事件管理線程負責判斷和處理電梯事件信號,如電梯故障事件、電梯困人事件,并負責將事件通知到遠程服務器。電梯主板數據采集線程負責建立與電梯主板的協議交互,通過應答機制,電梯物聯網終端周期性發送不同的監視和控制協議,電梯物聯網終端異步接收電梯主板返回的數據。電梯主板數據分析線程負責處理物聯網終端采集到的原始數據,并進行提取和封裝,更新和存儲到對應的內存單元,供數據共享。線程管理線程負責管理其他線程,通過超時判斷機制判斷各個線程是否正常工作和是否已退出運行,當檢測到線程異常退出時,通過線程管理線程重新啟動該線程。
3.2.2藍牙調試
電梯物聯網終端一般只提供LED狀態指示,通過LED判斷終端與電梯主板、終端與服務器的連接結果,但終端與電梯交互的數據是否正確、LTE信號強度等無法知道,不方便現場安裝調試人員準確獲取電梯物聯網終端的工作狀態。特別是當調試出現問題的情況下,調試人員更需要量化的數據用于排查現場問題。本電梯物聯網終端設計了藍牙手機端App,提供電梯狀態監視、設備狀態查詢、參數設置菜單,如圖2所示。
圖2 藍牙App主界面
電梯物聯網終端調試工作中最關鍵的兩個環節為電梯當前狀態的正確獲取和電梯物聯網終端與服務器的成功連接的判斷。電梯狀態菜單提供電梯門鎖狀態查詢、電梯當前樓層和運行方向查詢、電梯運行狀態查詢以及電梯的上下召喚和驕內指令查詢,調試人員可清晰判斷當前的監視狀態與電梯實際運行狀態是否保持一致。
設備狀態菜單提供設備ID查詢、服務器地址查詢、服務器端口查詢、設備心跳時間間隔查詢、設備APN查詢、SIM卡狀態、LTE信號強度等的查詢。與服務器的連接數據可通過此菜單方便查詢。
參數設置菜單提供現場調試人員配置服務器地址、服務器端口和APN等參數,此功能需要通過高級權限才可執行,防止誤操作和惡意操作導致電梯物聯網終端失聯。
3.2.3遠程升級
電梯物聯網終端遠程升級功能降低人員現場更新程序的麻煩,由于新需求和新功能的更新或者程序功能問題的修復,電梯物聯網終端軟件升級概率較大,由于電梯物聯網終端的特殊性,普通人員無法接近安裝在電梯機房中的物聯網終端,導致現場程序升級難度加大。本電梯物聯網終端基于此考慮設計了遠程升級機制。
電梯物聯網終端OTA(Over The Air)升級整個過程包括程序文件下載、程序文件存儲、程序文件校驗、程序更新4個過程。
(1)程序文件下載:獲取下載鏈接并判斷是否需要下載(硬件版本號一致,軟件版本號大于當前軟件版本號),進行下載,目前不帶操作系統的物聯網終端不支持斷點續傳,下載失敗后不再下載,以消息形式通知結果;帶操作系統的物聯網終端支持斷點續傳,由操作系統自帶的協議完成續傳。
(2)程序文件存儲:下載過程中進行分片存儲到flash中緩存區域。
(3)程序文件校驗:下載完成后,對程序文件進行MD5值校驗,確認文件傳輸正確。
(4)程序更新:MD5校驗通過后,執行CPU程序更新,考慮到冗余,設計有主、備兩個區域,替換進行更新,防止當更新失敗,程序仍然可以從另一區域正常啟動,大大降低OTA導致終端異常的風險。
電梯物聯網終端要實現OTA功能,需要有兩段程序,一個是引導程序(也可以稱為Boot Loader),另一個是應用程序。通過USB、串口、CAN等通訊方式向主MCU發送要升級的程序文件數據(數據協議可自定義),引導程序中將接收到的數據寫到應用程序的地址即實現將終端應用程序的升級。
3.3.4遠程參數設置
電梯物聯網終端支持遠程設置服務器IP地址或域名、端口、APN、APN用戶名、APN密碼等參數。為方便管理,電梯物聯網終端出廠默認的服務器地址和端口為某一固定管理平臺。當現場需要修改終端的連接服務器時,只需在統一管理平臺服務器上遠程發送設置指令,電梯物聯網終端接收到設置指令后,先備份原先保存的服務器參數,然后對新服務器參數進行合法性檢測。當檢測通過后,更新當前服務器參數,并存儲,存儲成功后,復位主MCU,執行新的服務器連接。
3.3.5遠程控制
電梯物聯網平臺和手機App的某些應用場景需支持遠程登記廳外召喚和驕內指令,如無接觸乘梯場景,乘客需通過手機App或小程序實現對電梯的無接觸登記,或者需要實現遠程對電梯進行鎖定和解鎖。本物聯網終端提供遠程控制功能,遠程的控制指令需通過手機驗證碼驗證后才可下發控制命令,且控制命令協議采用對稱加密算法加密,保證控制功能的安全性。
為了保證遠程控制功能能發揮作用,降低通過移除電梯物聯網終端而使遠程控制功能失效的風險,本系統設計雙向綁定機制,當電梯物聯網終端檢測到與電梯主板失聯時,通過消息機制通知相應的維保人員或電梯管理人員。當電梯主板檢測到電梯物聯網終端失聯時,電梯主板將不定時產生隨機故障代碼,但不限制電梯運行,外呼和驕內顯示等人機交互設備上也不定期出現故障提示。該不定期故障產生事件可通過高級密碼登陸電梯主板進行關閉。通過該雙向確認機制確保遠程控制功能能最大程序發揮作用。
4 結束語
電梯物聯網終端是實現智慧電梯和電梯按需維保的硬件基礎,國家已經計劃針對電梯物聯網終端制定專門的標準,取消之前的將電梯物聯網終端的設計標準摻和在電梯物聯網總標準中的做法,可見電梯物聯網終端的重要性。本文結合通信技術的發展實際情況,設計一款符合電梯行業使用的電梯物聯網終端,并結合行業應用,設計多種實用的調試和應用功能,同時給出電梯物聯網終端設計的硬件組成,對電梯行業電梯物聯網終端的設計和開發具有了一定的參考價值。
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