電梯轎廂與機房之間信號傳輸通過隨行電纜實現，電梯物聯網中需采集轎廂上或轎廂內的電梯數據，如電梯振動數據、門機電流信號、轎廂音視頻信號等，需借助現有的隨行電纜通道或者增加新的數據通道實現此類信號的傳輸，為保證電梯物聯網平臺與電梯轎廂信號采集裝置數據交互的可靠和穩定，需在電梯轎廂與機房之間建立高質量的數據傳輸通道。文本結合實際工程案例，研究了Wi-Fi點對點無線傳輸方式和電力線載波有線傳輸方式，經實際對比研究后得出，基于電力線載波技術的電梯物聯網井道傳輸方案性能最佳，該方案已在多個實際項目中進行了實際應用，效果良好，有一定的推廣應用價值。

關鍵詞：電梯物聯網井道傳輸點對點Wi-Fi電力線載波

1、研究背景

物聯網技術為實現電梯智能化提供了技術手段，電梯物聯網基本功能之一需實現電梯運行狀態數據采集和遠程信息的下發，需建立電梯物聯網平臺到電梯控制系統各個監測點之間的交互通道，由電梯控制系統的結構圖（如圖1所示）可知，如需采集轎廂數據（如電梯轎廂振動數據、警鈴信號等），現有的電梯控制系統通訊協議中一般都不包含這幾個信號，因此需在轎頂或者轎廂內單獨加裝測試裝置；當需實現電梯物聯網語音視頻對講，也需在轎廂內安裝語音視頻對講裝置，如LCD顯示屏、一鍵報警裝置等。這些外加裝置需通過數據傳輸裝置與電梯物聯網平臺進行交互。考慮到電梯井道內的運營商信號一般很難保證完全覆蓋，特別是在住宅小區或者一些運營商基站覆蓋邊緣地帶，由于井道和轎廂金屬的障礙，無線信號衰減嚴重，因此在電梯轎頂或者轎廂內直接加裝數據傳輸單元可行性受限；另外考慮到電梯物聯網一般需通過采集器采集電梯控制系統的數據，通過采集器或者采集器附近的數據傳輸單元接入運營商網絡，因此單獨在轎頂或轎廂內再增加數據傳輸單元，對于電梯物聯網成本也是挑戰。

基于上述應用背景，需要建立機房與轎廂之間的數據傳輸通道?，F有的電梯井道隨行電纜中，基本不會有多余的通訊線纜，常規的28芯線或者18芯線中，一般包括，AC220V信號4芯（照明2芯，門機電源2芯）；AC110V信號4芯（門鎖、抱閘）；通訊信號4芯（通訊電源、通訊雙絞線）；對講機信號3芯；門區信號線2芯；貫通門后轎門鎖2芯；異步主機副轎門鎖2芯。這些芯線中，若在不更改控制系統軟件和電氣設計的前提下，很難再承載如音視頻對講裝置數據、警鈴報警信號及轎廂振動數據等。當然，最佳方案是在不增加隨行電纜芯線、不改變電氣回路及不修改軟件的情況下實現轎廂與機房之間的數據傳輸。本文在實際工程應用研究的基礎上，提出多種解決方案，實現了電梯物聯網數據鏈路的完整性和可靠性。

圖1電梯控制系統結構示意圖

2、方案設計

2.1Wi-Fi點對點

（1）系統結構

通過在井道頂導軌上和轎廂頂護欄上各安裝一個Wi-Fi板實現井道與機房數據傳輸，系統結構圖如圖2所示?？紤]到實際安裝時Wi-Fi電源獲取的方便性，Wi-Fi板供電直接采用AC220V供電，且采用井道照明電源。井道頂Wi-Fi與電梯控制柜內采集器（或數據傳輸單元）通過通訊方式交互，如RS232、CANBUS、RS485等。轎頂Wi-Fi負責輸入數據采集和電梯狀態下發。電梯物聯網平臺下發的數據，如電梯廣告、應急救援、轎廂內故障報警信號、振動數據等都可通過轎頂Wi-Fi和井道頂Wi-Fi之間的通訊鏈路實現雙向數據交互。

圖2基于Wi-Fi方案的電梯物聯網井道數據傳輸系統結構圖

（2）工作原理

Wi-Fi協議由IEEE802.11工作組負責，并經歷了IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11n、IEEE802.11g、IEEE802.11ac、IEEE802.11ad等協議標準的發展，支持的ISM頻段從傳統2.4G、5G到60G，峰值傳輸速率從2Mbps到7Gpbs?？紤]到電梯井道的實際工況，需考慮無線干擾、通訊距離及通訊速率等綜合要求，本項目Wi-Fi板工作在2.4G頻段，支持IEEE802.11b、IEEE802.11n、IEEE802.11g。

轎頂Wi-Fi和井道頂Wi-Fi通過點對點方式通訊，各自外置平面型定向天線用于信號放大。通過Wi-Fi板上的模式選擇開關選擇Wi-Fi板網絡角色，即AP（AccessPoint）與STATION。AP模式下，Wi-Fi板為Wi-Fi接入點，是Wi-Fi網絡的創建點和Wi-Fi網絡的中心節點，允許其他設備接入并提供數據訪問服務；STATION模式下，Wi-Fi板類似無線終端，其不具備接入點功能，但可連接至AP。Wi-Fi之間的匹配通過SSID實現，每個無線AP都需有一個標志網絡的名字，SSID用于區別不同的Wi-Fi網絡。本方案可通過SSID設置開關選擇SSID，共支持16個SSID，考慮到相鄰或者同一井道內的電梯數量不會多于16臺，因此16個SSID符合實際應用要求，設置的SSID可通過Wi-Fi板自帶的顯示模塊顯示，方便現場調試時區別。本方案設計可通過LED指示燈判斷當前工作狀態，當加入網絡成功時網路指示燈常亮，否則常滅；無線數據收發時數據燈閃爍，無數據收發時常滅。

（3）案例應用

圖3基于Wi-Fi方案的電梯物聯網井道數據傳輸案例

本案例需將電梯實時狀態數據，如樓層、方向、特殊狀態（檢修、消防、故障、超載、滿載、ARD）、困人、救援人員位置等信息下發到轎廂內多媒體顯示屏，通過Wi-Fi建立轎內多媒體顯示屏與機房網關之間的數據通訊鏈路。由于交互數據量和交互速率要求不高，Wi-Fi板與轎內多媒體顯示器和節點或網關均采用RS232通訊，如圖3所示。

2.2電力線載波

（1）系統結構

電力線載波（PLC，PowerLineCarrier）屬于有線傳輸方式，通過在控制柜內和電梯轎頂安裝一對電力線載波模塊，復用隨行電纜中的井道照明電纜即可建立控制柜與轎廂的通訊鏈路，電力線載波模塊提供RS232和以太網口與外設通訊，如圖4所示，當電梯樓層較高、電力線電源質量污染較嚴重的情況下，復用照明電纜容易造成數據丟失、通訊不穩定等現象，可借助隨行電纜的2芯備用線解決此問題。電力線載波模塊安裝方便，傳輸速率可達94Mpbs，適用于語音視頻傳輸應用。

圖4基于電力線載波方案的電梯物聯網井道數據傳輸系統結構圖

（2）工作原理

電力線載波通訊的基本原理是將信號從通信主站A的處理單元調制，經電力耦合接口耦合到電力線上，從站B的電力耦合接口接收此信號并進行解調，解調信號經過處理單元處理還原成原始信號，通過通訊接口送至通信設備中，如圖5所示，從站B發送數據到主站A的原理類似。其中耦合接口由耦合電容和濾波器組合成一個帶通濾波器，其作用是通過高頻載波信號，并阻止電力線上的工頻信號進入載波設備。

圖5電力線載波技術工作原理示意圖

電力線載波技術從帶寬角度可分別窄帶電力線載波和寬帶電力線載波，其中窄帶電力線載波常用帶寬一般為幾十KHz，我國電信主管部門規定的電力線載波合法頻段范圍為40~500KHz，基本載波頻帶寬度為4KHz，而實際電力線載波設備單方向載波通道所占用的頻帶寬度等于基本頻段寬度的整數倍；寬帶電力線載波一般工作在2~30MHz。窄帶電力線載波相比寬帶電力線載波具有信號衰減少，通訊距離遠、成本低等優勢，但40~500KHz頻段干擾較大。目前電力線載波通信常用的擴頻技術主要有直接序列擴頻、線性調頻Chirp和正交頻分復用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）等。此外，跳頻FH、跳時TH以及上述各種方式的組合擴頻技術也較為常用。

值得注意的是，配電變壓器對電力線載波信號有阻隔影響，由于載波信號相比工頻50Hz信號而言基本屬于高頻信號，變壓器的感抗特性使高頻載波信號無法順利通過變壓器。另外當電力線上負載較重時，電力線載波實際傳輸距離大大縮短。這些相對缺點在一定程度上限制了電力線載波技術的進一步推廣。

（3）案例應用

電梯工作環境一般比較惡劣，供電線路中存在非線性負載，造成線路上產生高次諧波，變頻器運行中也會產生高次諧波，實際測試發現，使用窄帶電力線載波技術時，通訊不穩定，無法滿足電梯轎廂語音和視頻傳輸速率要求。本案例采用寬帶電力線載波技術，并采用正交頻分復用調制機制，在工作頻帶內，以一定的頻率間隔使用多個相互正交的子載波，經過編碼后的數據調制到多個子載波上發送，因此適用于電梯惡劣環境下的數據通訊。本案例借助電力線載波技術，實現電梯物聯網遠程圖像視頻下發，通過機房多功能網關網口，經電梯隨行電纜照明線送到轎頂電力線載波模塊，其網口輸出與轎頂音視頻對講主機通訊，打通電梯轎廂與機房的數據鏈路，實時速率達到94Mbps。由于井道到機房之間的照明線或者隨行電纜備用線都在一個變壓器范圍之內，無需通過中繼等措施解決電力線載波跨變壓器難題。該電力線載波模塊符合IEEE802.3和IEEE1901標準，采用CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，帶沖突避免載波偵聽多路訪問）機制，即不論當前信號是否忙，發送端都需等待一個幀間間隔，當發送端檢測到當前信道為空時，則等待一個幀間間隔，之后繼續偵聽，當檢測到當前信道為空時，則執行一個隨機后退過程，隨機后退過程結束后，再次偵聽信道，若仍為空，則發送端開始發送數據，在此過程中，任何階段檢測到信道忙信號，則發送端退出等待上述等待過程，繼續檢測當前信道是否為空。采用這種主動避免沖突而非被動偵測的方式來解決沖突問題，能大大提高數據傳輸的成功率。

3、方案比較

電梯物聯網井道傳輸需考慮安全性、穩定性、易安裝性等要求。不論采用何種技術（有線和無線），均不允許影響電梯電梯正常運行，均不允許影響電梯的安全部件的電氣回路，均需符合電梯相關標準要求的電磁兼容性要求。建立機房與電梯轎廂之間的通訊鏈路，目前主要的應用是采集涉及安全隱患相關的電梯數據和困人時電梯轎廂實現音視頻對講，因此對于傳輸方案的穩定性要求較高。另外，傳輸方案也需滿足方便安裝的要求，簡易的安裝既能降低對電梯原有系統的干涉，也利于方案的推廣。

表1點對點Wi-Fi與寬帶電力線載波井道傳輸方案對比表

通過各項參數對比（如表1所示）可知，電力線載波技術在穩定性、傳輸距離、傳輸速率、易安裝性、易實用性及兼容性等角度均優于Wi-Fi傳輸方案。

4、結束語

本文從電梯物聯網井道傳輸實際應用要求（安全性、高穩定要求及易安裝等）出發，綜合對比了點對點Wi-Fi技術和寬帶電力線載波技術，分別從系統結構、工作原理及應用案例角度研究這兩項技術在井道傳輸項目中的應用，得出電力線載波技術更加適合電梯物聯網井道傳輸項目。本方案已經在我司電梯星辰物聯網音視頻對講系統、電梯星辰物聯網多媒體系統中成功運用。

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