1 概述

　　全功能網關基于4G LTE高速無線網絡制式，采用全網通通訊模塊，完美兼容國內各家移動運營商網絡，打通電梯轎廂到機房到Internet的數據鏈路，實現遠程監視、故障報警、困人報警、一鍵救援、視頻監控、語音對講、安撫視頻和轎廂多媒體顯示屏遠程管理等功能。配合電梯物聯網遠程平臺大數據分析功能實現故障預警和電梯健康度診斷功能。全功能網關集電梯數據以及電梯周邊設備數據采集、協議轉換、網絡傳輸功能于一體。相比傳統的數據采集器加數據傳輸單元方案更加適合電梯行業的應用，控制柜內安裝方便， 占用空間少，且成本低。

　　全功能網關借助以太網網口接口打通電梯轎廂與機房數據鏈路，借助安裝在轎廂內部的多媒體LCD屏，為乘客帶來更加智能與便捷的人機交互享受;遠程平臺隨時調取轎廂的視頻監控，困人發生時電梯會在第一時間自動播放語音安撫視頻，并同時呼叫維保人員，通過視頻通話方式了解現場情況，使乘客獲得情緒安撫。隨著新梯需求放緩，部分行業巨頭對電梯周邊衍生市場日益關注，轎廂內加裝觸控式LCD 屏，不僅可以救援、安撫，空閑時間還可播放廣告。

　　2 系統設計

　　2.1 硬件設計

　　本全功能網關內置鋰電池與充放電管理模塊，無需增加額外笨重的后備電源，支持掉電檢測，滿足國家標準GB/ T-24476相關要求;支持遠程程序更新，能最大程序降低運維成本;自帶4G全網通模組，支持移動、聯通、電信以及海外運營商服務，提高網關的通用性，支持e-SIM，無需考慮SIM卡卡槽的松動以及IP等級不高的問題;支持終端與主板協議以及終端與平臺協議定制化;全功能網關提供1路網口，支持DHCP以太網接入;具備藍牙調試功能，支持手機等移動設備對終端進行網絡參數配置;全功能網關提供1路CAN通信接口，1路RS485接口，1路RS232接口，2路干觸點輸入;網關提供豐富的運行狀態指示，可指示網絡信號質量、服務器連接與交互、與主板數據交互、路由接口等運行狀態;支持標準導軌式安裝，可方便安裝在電梯控制柜的導軌上;支持電梯運行數據采集并可為音視頻設備提供上網接口;網關具備完成的配套線束，現場無需額外接線，即插即用;支持DC 9-28V寬電壓范圍供電，硬件組成如圖1所示。

　　

　　圖 1 全功能網關硬件組成示意圖

　　全功能網關支持TDD-LTE、FDD-LTE、WCDMA、GSM、GPRS、EDGE網絡制式。對于LTE網絡，支持non- CA Cat 4 FDD 和TDD，支持1.4/3/5/10/15/20MHz 射頻帶寬，下行支持MIMO。對于LTE-FDD，最大下行速率150Mbps，最大上行速率50Mbps。對于LTE-TDD，最大下行速率130Mbps，最大上行速率30Mbps。對于EDGE網絡，支持EDGE 多時隙等級12，支持GMSK 和8-PSK 的調制編碼方式，下行編碼格式支持CS 1-4 和MCS 1-9，上行編碼格式支持CS 1-4 和MCS 1-9，最大下行速率236.8Kbps， 最大上行速率236.8Kbps。對于GPRS網絡，支持GPRS 多時隙等級12，編碼格式支持CS-1/CS-2/CS-3/CS-4，最大下行速率85.6Kbps，最大上行速率85.6Kbps。網關天線接口采用50?SMA陰頭。供電電壓范圍+9~30VDC。通信中平均功耗200mA@+12VDC，空閑時平均功耗為100mA@+12VDC。

　　2.2 軟件實現

　　2.2.1 數據收發控制機制

　　

　　圖 2 電梯物聯網系統結構示意圖

　　如上圖2，電梯物聯網系統中，電梯物聯網平臺需與電梯進行數據交互，如獲取電梯的運行狀態、獲取已登記信號狀態及獲取對電梯的控制權等，這些操作都需打通電梯與電

　　梯物聯網平臺之間的通信鏈路，常規的做法是在電梯物聯網平臺與電梯之間建立通訊鏈路，電梯物聯網平臺把交互數據通過無線傳輸單元發送給協議轉換板，最終送達電梯。實際使用過程中發現，由于無線傳輸自身容易受干擾的特點， 電梯物聯網平臺與電梯之間的通信數據包容易出現丟包、錯包、數據不均勻等情況，特別是出現數據堵塞情況，若仍一直按堵塞之前的數據發送頻率發送的話，只會進一步嚴重加劇數據異常的發生。

　　本全功能網關通過在收發兩端建立數據隊列，將收到的數據統一存儲在接收隊列中，防止因斷包導致校驗失敗而丟棄，防止因堵塞造成數據蜂窩式到達時處理不當導致數據丟失等問題，實際接收處理時，通過在接收隊列中提取合法數據包進行處理;在發送時，將數據統一存放至發送隊列，由發送單元周期性從發送隊列中提取合法數據包執行發送。另外，本全功能網關通過檢測數據包擁堵情況，自動調整發送單元合法數據包發送頻率，從而有效解決以上問題，數據隊列處理流程如圖3所示。

　　

　　圖 3 接收隊列使用流程

　　隊列操作步驟：

　　(1) 初始化隊列：初始化隊列地址ADDR1、初始化隊列頭指針ADDR2、初始化隊列尾指針ADDR3、初始化隊列大小SIZE。

　　(2) 數據進隊列

　?、? 將當前需插入的字節放到隊列中ADDR2位置，然后ADDR2加1，若檢測到ADDR2等于ADDR3，則表示隊列已滿，則將ADDR2置為0，從隊列頭開始重新插入;

　?、?若要插入N個字節，則重復執行1)步驟。

　　(3)從隊列中提取數據

　?、?若隊列中無數據，則將ADDR2置為0，ADDR3也置為0，返回無數據可提取;

　?、?保存ADDR3，記為ADDR3_B，將ADDR3加1，若ADDR3等于SIZE，則將ADDR3置為0;

　?、?返回隊列中ADDR3_B位置的內容;

　　④ 若需提取M個字節，則重復執行① ② ③。

　　(4) 有效數據處理

　　將提取的數據進行校驗，若合法，則進行處理;反之， 丟棄該數據包。

　　發送頻率自適應機制：

　　全功能網關超時重發時間默認為T1，即重發次數為C， 重發次數閥值為S;當全功能網關每發一個數據包，超時計數器就累加，接收到返回數據則超時計數器清零，當超時計數器累加值達到T1，則自動重發;若重發階段，仍滿足需重發的條件，則C加1，若不滿足重發的條件，則C清零;若C >= S，則判斷為堵塞發生，需調整超時重發時間為C*T1。

　　2.2.2 單網口實現局域和廣域連接

　　多媒體LCD屏上包含了樓層信息、電梯運行信息、日期和時間、實時天氣預報、滾動公告新聞信息、圖片視頻多媒體信息等內容。屏上集成呼救按鈕，電梯發生困人故障后乘客可以一鍵和遠程物聯網平臺取得聯系，接通視頻通話。LCD上播放的圖片、文字和視頻等素材，可以在遠端服務器遠程下發，通過遠端服務器還可以完成對LCD顯示屏UI界面的修改。轎頂黑匣子還支持遠程升級功能。全功能網關在通過運營商無線網絡上網時，LCD屏幕可通過全功能網關的一路網口連接UDP連接，電梯實時狀態的更新、顯示狀態的聯網實時更新等。當全功能網關通過現場提供的寬帶上網時， 一路網口既要實現連接外網同時需與LCD建立UDP局域網通訊，本系統提供2種解決方案，系統連接示意圖分別如圖4和圖5所示。

　　增加路由器方案：

　　(1) 全功能網關網口采用固定IP或DHCP，固定IP優先，轎頂黑匣子采用固定IP或DHCP，固定IP優先;

　　(2) 新加路由器的LAN網絡按出廠規定的IP網段設置，即按轎頂黑匣子和全功能網關網口的默認網段設置;

　　

　　圖 4 單網口路由器連接方案

　　

　　圖 5 單網口交換機連接方案

　　(3) 新加路由器的WAN口開啟DHCP功能。交換機方案：

　　(1)首先在驕內LCD顯示終端上查詢現場寬帶的IP地址網段;

　　(2)掃描現有局域網中哪些IP地址已經被占用;

　　(3)修改轎頂黑匣子和全功能網關的IP地址為當前網段中尚未被占用的IP地址。

　　2.2.3 智能困人邏輯檢測機制

　　全功能網關提供一種電梯困人的檢測機制，解決現有技術中的無法實現既不增加現有電梯的電氣設備，又能自動檢測發現電梯困人的問題，檢測算法實時運行在全功能網關中，執行邊緣計算，充分利用與電梯控制系統直接連接的優勢，實時獲取電梯的狀態數據、故障數據等，通過簡潔準確的困人檢測機制并加入報警過濾機制，實現電梯困人的智能化判斷，整個困人邏輯判斷流程圖如圖6所示。

　　

　　圖 6 電梯困人檢測邏輯流程圖

　　　　變量定義說明：

　　內召信號保持 =(主門內召 或 副門內召);

　　條件1= ((內召信號保持 且 電梯正常運行)或 條件1)且 轎門鎖信號有效;

　　條件2= ((內召信號保持 且 電梯正常運行)或 條件2)且 非門區;

　　條件3 =(電梯停止運行)且 非檢修狀態下;

　　轎內復核信號 =(((前門開門 或 副門開門 或 前門關門 或 副門關門 或 主門內指令或副門內召)且 條件3 且 (條件1或 條件2))或(轎內復核信號 且 (條件1 或 條件2)))

　　困人故障= 一分鐘計時標志位 且 (轎內復核信號) 且 (非消防員狀態)。

　　檢測邏輯：

　　情況一：轎門鎖檢測

　　(1)困人第一前提是電梯可以正常運行，并且有內召登記;符合進入下一條件，不符合直接跳出困人檢測;

　　(2)第二個條件判斷電梯是否在非檢修狀態下出現停止運行。符合進入一下條件，不符合直接跳出困人檢測;

　　(3)第三個條件判斷：停梯后轎門鎖一分鐘內轎內鎖一直閉合。符合進入一下條件，不符合直接跳出困人檢測;

　　(4)第四個條件判斷：一分鐘后再次檢測到內指令或開關門信號，轎門仍然閉合狀態，則輸出困人，否則退出困人檢測;

　　(5)任一步驟，出現門鎖斷開，則退出困人檢測，回到步驟1重新判斷。

　　情況二：非門區檢測

　　(1)困人第一前提是電梯可以正常運行，并且有內召登記;符合進入下一條件，不符合直接跳出困人檢測;

　　(2)第二個條件判斷電梯是否在非檢修狀態下出現停止運行。符合進入下一條件，不符合直接跳出困人檢測;

　　(3)第三個條件判斷：電梯停在非門區超過一分鐘。符合進入下一條件，不符合直接跳出困人檢測;

　　(4)第四個條件判斷：一分鐘后再次檢測到內指令或開關門信號，電梯仍處于非門區不運行，則輸出困人，否則退出困人檢測。

　　2.2.4 藍牙調試

　　電梯物聯網終端現場調試時，需要確認終端與電梯的連接情況，同時也需要確認終端與遠程服務器是否連接成功。目前的做法大多數是聯系管理人員在服務器后臺通過錄入ID，建立檔案，確認電梯的狀態是否正確等步驟完成調試過程，整個環節調試效率比較低，特別是當終端連接服務器異常時，調試人員無法獲取詳細的診斷數據，只能通過更換、對比等低效率方法進行排查。本全功能網關設計一種通過藍牙進行調試的方法，連接示意圖如圖7所示。調試人員在現場通過調試App即可查看物聯網終端與電梯主控板的詳細連接信息，同時診斷出與服務器交互的實時狀況，調試人員可明確知曉當前終端的工作狀況。本全功能網關提供可視化的診斷報告，可用于現場物聯網終端安裝調試的驗收依據，同時也能以結論性的報告展示給調試員最終的結論。

　　

　　圖 7 全功能網關與交互對象連接示意圖

　　2.2.5 遠程升級

　　每臺全功能網關出廠時都配置了唯一ID，OTA程序就是通過ID來區分每一臺機器的代碼，可以做到針對每一臺機器進行代碼優化。通過在網頁上發送升級命令，設備程序收到正確指令后，退出程序運行，進入OTA升級程序。OTA 完成后會對整個程序進行CRC32校驗，在升級的過程中，比如網絡異常，比如中途斷電。不管由于何種原因的異常導致CRC32校驗失敗，OTA會重新連接升級服務器進行重新升級。直到升級成功，程序會退出升級模式進入新的設備應用程序。

　　2.2.6 五方通話警鈴報警信號檢測

　　市面上對講機絕大多數為珠海德凌總線制對講機，4線制占絕大多數，珠海德凌的NBT系列兩線制對講機(不是走電源線的兩線)，可以檢測的振鈴信號。實際測試珠海德凌NBT兩線制 NBT12(1-1)A在不同工況下警鈴信號的輸出電平為：

　　(1)R和L接線，掛機狀態 4.07V

　　(2)振鈴 0.148V

　　(3)通話 9.641V 模擬聲音波形

　　德菱NKT四線制 NKT12(1-1)A不同工況下警鈴信號的輸出電平為：

　　(1)掛機 11.4V

　　(2) 振鈴 0V

　　(3) 通話 10.8V 模擬聲音波形

　　全功能網關與四線制五方對講系統對接時， IO1+ 接R， IO1-接GND。全功能網關與兩線制五方對講系統對接時， IO1+ 接R，IO1-接L?？紤]到警鈴按鈕存在誤動作或者搗亂動作的可能，全功能網關增加報警過濾功能，當全功能網關檢測到電梯在門區且開門到位動作、廳門鎖及總門鎖斷開的情況下或者電梯在走梯的過程中時，全功能終端自動過濾當前報警信號。

　　3 結束語

　　電梯物聯網網關是實現智慧電梯、電梯按需維保等的硬件基礎，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。本文設計一款全功能網關，硬件接口豐富，支持電梯行業常用的現場總線，支持4G全網通，支持以太網接入，支持掉電檢測。軟件功能上，不僅實現了傳統的電梯數據采集、網絡傳輸，而且加入了智能化困人邊緣計算算法、數據收發自適應算法、五方通話警鈴自動檢測機制、藍牙智能化調試以及遠程升級等功能，既能滿足標準的要求，同時也能符合電梯行業大多數整梯廠和配件廠的需求。