關(guān)于電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與電梯之間通用通訊協(xié)議的研究

史 新/范麗麗

1. 中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院， 北京 100840； 2. 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院， 北京 100045

1 引言

隨著高層建筑的大量涌現(xiàn), 電梯的使用也日益廣泛與普及, 怎樣保證電梯能夠安全高效的運(yùn)行, 不僅越來(lái)越多地引起了維護(hù)保養(yǎng)業(yè)界人士的關(guān)注, 也成了眾多電梯用戶關(guān)心的焦點(diǎn)?；谶@種現(xiàn)實(shí)的需求及伴隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

所謂電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（Elevator Remote Central Control and Monitoring System），是指建筑物內(nèi)安裝多部電梯后,對(duì)這些電梯進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、維護(hù)、統(tǒng)計(jì)、分析、故障報(bào)警及救援。其目的是對(duì)電梯進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)維護(hù)、故障報(bào)警，以及對(duì)電梯的運(yùn)行性能（群控效果、使用頻率、故障次數(shù)及故障類型） 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析,并在分析的基礎(chǔ)之上輔助專業(yè)人員選擇合理的派梯方案[1]。

但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)都是由電梯廠家自己開(kāi)發(fā)的，只針對(duì)自己廠家的電梯，而對(duì)其他公司電梯的監(jiān)控則無(wú)能為力。其根源在于每個(gè)電梯廠家采集數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議都是自己廠家的專用協(xié)議，不具有開(kāi)放性。這樣就導(dǎo)致從底層電梯控制系統(tǒng)到上層監(jiān)控系統(tǒng)都由一個(gè)廠家生產(chǎn)，易形成壟斷，市場(chǎng)上表現(xiàn)為監(jiān)控系統(tǒng)的價(jià)格比較昂貴，一般用戶難以承受。

在IT行業(yè)，通用協(xié)議很早就已開(kāi)始使用，用來(lái)保證不同廠家的產(chǎn)品可以自由通訊。在樓宇自動(dòng)化行業(yè)，BACnet、LonWorks、Konnex 等開(kāi)放協(xié)議也已廣泛使用。通過(guò)使用通用協(xié)議，不同廠商的產(chǎn)品可以互相通訊，為系統(tǒng)集成提供便利。但在電梯行業(yè)還未采用通用協(xié)議。

目前，市場(chǎng)上有很多基于通用協(xié)議的組態(tài)軟件和基于網(wǎng)絡(luò)（web）的瀏覽器和技術(shù)，如何將電梯數(shù)據(jù)采集的協(xié)議通用化，即，將電梯運(yùn)行的各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一成通用的格式，是需要解決的問(wèn)題。一旦電梯數(shù)據(jù)格式具有通用性、開(kāi)放性，這樣就有利于監(jiān)管部門(mén)的管理，更有利于電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用。

2 通用協(xié)議的采用

所謂通用協(xié)議必須是世界上廣泛接受的技術(shù)，具有開(kāi)放性的特點(diǎn)，市場(chǎng)上必須有足夠多的廠家使用該項(xiàng)技術(shù)。本文選用三種世界通用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（XML、BACnet、LonWorks）作為研究對(duì)象，將電梯廠家的專有協(xié)議轉(zhuǎn)化為上述三種協(xié)議，提供通用的接口，便于上層監(jiān)控軟件的二次開(kāi)發(fā)。

2.1 XML

XML（The Extensible Markup Language） 即可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言。標(biāo)記是指計(jì)算機(jī)所能理解的信息符號(hào)，通過(guò)此種標(biāo)記，計(jì)算機(jī)之間可以處理包含各種信息的文章等。定義這些標(biāo)記，既可以選擇國(guó)際通用的標(biāo)記語(yǔ)言，比如HTML，也可以使用諸如XML這樣由相關(guān)人士自由決定的標(biāo)記語(yǔ)言，這就是語(yǔ)言的可擴(kuò)展性。

XML應(yīng)用面主要分為文檔型和數(shù)據(jù)型兩種類型，幾種常見(jiàn)的XML應(yīng)用有：

1）自定義XML+XSLT=>HTML，最常見(jiàn)的文檔型應(yīng)用之一。XML存放整個(gè)文檔的XML數(shù)據(jù)，然后XSLT將XML轉(zhuǎn)換、解析，結(jié)合XSLT中的HTML標(biāo)簽，最終成為HTML，顯示在瀏覽器上。

2） XML作為微型數(shù)據(jù)庫(kù)，這是最常見(jiàn)的數(shù)據(jù)型應(yīng)用之一。利用相關(guān)的XML API（MSXML DOM、JAVA DOM等）對(duì)XML進(jìn)行存取和查詢。

3）作為信息傳遞的載體，盡管這些應(yīng)用還是以XML為基本形態(tài)，但均已經(jīng)發(fā)展出具有特定意義的格式形態(tài)。最典型的就是WEB SERVICE，將數(shù)據(jù)包裝成XML來(lái)傳遞，但是這里的XML已經(jīng)有了特定的規(guī)格，即SOAP。

本研究中就是使用XML作為信息傳遞的載體，將電梯的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為XML格式、利用TCP/IP來(lái)傳遞的。

2.2 BACnet

BACnet是由美國(guó)供熱、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì)組織（ASHRAE）的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目委員會(huì)（SPC）于1995年6月正式通過(guò)制定的。標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為ANSI/ASHRAE Standard 135-1995，現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)展到ANSI/ASHRAE Standard 135-2004版本。

一般樓宇自控設(shè)備從功能上分為兩部分：一部分專門(mén)處理設(shè)備的控制功能；另一部處理其數(shù)據(jù)通信功能。而B(niǎo)ACnet就是要建立一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，使得設(shè)備可以互操作。BACnet協(xié)議只是規(guī)定了設(shè)備之間通信的規(guī)則，并不涉及實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

BACnet 的靈魂是它的互操作性，即不同廠家的設(shè)備能夠很好的互聯(lián)互通。從而在一定層面上實(shí)現(xiàn)了體系結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一, 這主要是由它的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)決定的[2,3]。BACnet 參照 ISO/OSI 的 7 層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議模型，并根據(jù)控制系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，對(duì)它進(jìn)行了簡(jiǎn)化和改進(jìn)?？紤]到控制系統(tǒng)本身要求快速、簡(jiǎn)捷，將原來(lái)的 7 層模型改為 4 層，如圖1所示[2]。協(xié)議定義了自己的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，從而將控制體系在一個(gè)較高層面上統(tǒng)一起來(lái)。在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，考慮到現(xiàn)存各種網(wǎng)絡(luò)的既定事實(shí)；同時(shí)也是為了使協(xié)議具有更好的兼容性、開(kāi)放性，并兼顧各標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，協(xié)議提供了5 種不同的選擇方案。包括以太網(wǎng)、ARCnet、MS/TP、RS485、RS232、LonTalk[2]等，并為每種方式提供了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。其中 LonTalk 的使用必須得到 Echelon 公司的OEM 許可，并且要做一個(gè) BACnet原語(yǔ)到 LonTalk 應(yīng)用層接口的映射。通過(guò)以上設(shè)計(jì)，使得 BACnet 協(xié)議在體系結(jié)構(gòu)上保證了標(biāo)準(zhǔn)性和開(kāi)放性。

圖1 BACnet 4層ISO/OSI協(xié)議模型

2.3 LonWorks

LonWorks技術(shù)由美國(guó)埃施朗（Echelon）公司研發(fā)，已成為國(guó)際控制網(wǎng)絡(luò)的通用標(biāo)準(zhǔn)。LonWorks協(xié)議，也稱為L(zhǎng)onTalk協(xié)議和ANSI/EIA 709.1控制聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，是LonWorks系統(tǒng)的核心。該協(xié)議是一個(gè)分層的以數(shù)據(jù)包為基礎(chǔ)的對(duì)等（Peer to Peer）通信協(xié)議。如同相關(guān)的以太網(wǎng)和因特網(wǎng)協(xié)議一樣，它是一個(gè)遵守國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型的分層體系結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則的、公開(kāi)的標(biāo)準(zhǔn)[4]。

LonWorks技術(shù)中的核心是神經(jīng)元芯片與收發(fā)器，每一個(gè)神經(jīng)元芯片構(gòu)成的控制器為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，不同的節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)收發(fā)器對(duì)等的進(jìn)行通訊。LonWorks網(wǎng)絡(luò)支持多種介質(zhì)的傳輸，包括：雙絞線、電力線、同軸電纜、光纖等。網(wǎng)絡(luò)變量、配置屬性與功能塊是數(shù)據(jù)的體現(xiàn)形式：網(wǎng)絡(luò)變量通過(guò)虛擬連接的方式實(shí)現(xiàn)了不同節(jié)點(diǎn)、不同變量之間的通訊；配置屬性定義了變量、功能塊等的屬性；功能塊可以理解為一個(gè)實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能的函數(shù)。

LonMark互操作協(xié)會(huì)定義了標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)變量、配置屬性、功能塊，實(shí)現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品的互操作性與通用性。

3 研究中需要限定的問(wèn)題

從電梯生產(chǎn)廠家的立場(chǎng)出發(fā)，首先，他們不反對(duì)電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，但是，他們對(duì)電梯的遠(yuǎn)程控制仍持保留意見(jiàn)。我們也有同樣的觀點(diǎn)，在不知道現(xiàn)場(chǎng)情況的條件下，進(jìn)行電梯的遠(yuǎn)程控制是相當(dāng)危險(xiǎn)的。所以，電梯的遠(yuǎn)程控制一定要慎重。只有那些不涉及到乘梯人安全的操作才可以遠(yuǎn)程操作。故在本文中的協(xié)議轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)僅限于電梯的監(jiān)視數(shù)據(jù)，不涉及到電梯的控制命令。

另外，電梯廠家仍然不愿意將他們的專有協(xié)議公開(kāi)，所以我們提供協(xié)議轉(zhuǎn)換的方案和數(shù)據(jù)格式，可由電梯廠家來(lái)實(shí)現(xiàn)他們自己的專有協(xié)議到通用協(xié)議的轉(zhuǎn)換。也就是說(shuō)，電梯廠家自己生產(chǎn)網(wǎng)關(guān)。但是，這勢(shì)必會(huì)增加電梯廠家的成本，現(xiàn)階段可能很多廠家不愿意做這件事情。但是從電梯監(jiān)管部門(mén)來(lái)講，一個(gè)統(tǒng)一的通用協(xié)議有利于電梯監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，有利于電梯數(shù)據(jù)的記錄、統(tǒng)計(jì)、分析和故障情況報(bào)警及救援。本研究為電梯監(jiān)管部門(mén)提供了通用的電梯數(shù)據(jù)格式和協(xié)議轉(zhuǎn)換的方案，幫助他們向電梯廠家推廣。

4 協(xié)議轉(zhuǎn)化

電梯有很多種類型的數(shù)據(jù)和信息，本文重點(diǎn)研究電梯廠家、電梯安裝公司、業(yè)主、電梯使用者和電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)廠家關(guān)心的數(shù)據(jù)，即電梯運(yùn)行的原始數(shù)據(jù)。對(duì)于由原始數(shù)據(jù)衍生出來(lái)的其他數(shù)據(jù)，本文中不作定義。這些數(shù)據(jù)可利用原始數(shù)據(jù)在上層監(jiān)控端生成，供管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

4.1 轉(zhuǎn)化框圖

為了實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)化，首先要采集電梯現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在電梯廠家常用的協(xié)議為Modbus，采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后封裝成TCP/IP格式提供給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。如圖2所示。

4.2 硬件支持

針對(duì)不同廠家的專有協(xié)議，最好的方法是開(kāi)發(fā)一個(gè)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議的翻譯功能。如圖2所示，ULEG（Universal Lift and Escalator Gateway）即為用來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化功能的設(shè)備，本研究中用一臺(tái)電腦來(lái)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)關(guān)的下層接口通過(guò)RS232接口與電梯控制器連接，讀取電梯的數(shù)據(jù)。三種協(xié)議（XML、BACnet、LonWorks）報(bào)告單元通過(guò)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)與上層監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)通訊。測(cè)試成功后，這臺(tái)電腦不是必需的，可以由電梯廠家根據(jù)自己的協(xié)議生產(chǎn)自己的監(jiān)控級(jí)控制器，即網(wǎng)關(guān)。

4.3 軟件結(jié)構(gòu)

1） 數(shù)據(jù)格式定義（DP message definition）

各個(gè)廠家不同的協(xié)議需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，我們定義了數(shù)據(jù)協(xié)議消息的格式：G,C,E,參數(shù)1[,參數(shù)2[,參數(shù)3]],參數(shù)4

其中: [ ]表示可選項(xiàng),可以省略

G —表示電梯分組（Group），用1 9 的ASCII代碼表示，0表示不屬于電梯組的事件。

C —表示電梯（Car）編號(hào)，用1 9 的ASCII代碼表示，0表示不屬于本電梯的事件。

E —表示事件（Event）類型，用01到99的ASCII代碼表示。

參數(shù) —表示事件各個(gè)參數(shù)。

例如 ：“1,0,1,1,14,2, 2006-05-10 22:40:50.123” 表示第一組電梯在14層有向下的呼梯。

Group = 1

Lift = 0 （即表示組事件）

Event Type = 01

State = 1

Floor = 14

Direction = Down

Time = 2006-05-10 22:40:50.123

表1列舉了其中一個(gè)事件的參數(shù)定義，本研究中定義了電梯各種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型。DP是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的中間格式，通過(guò)XML、BACnet和LonWorks的報(bào)告單元（Reporter）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的XML、BACnet和LonWorks協(xié)議供監(jiān)控系統(tǒng)使用。

2） XML通用協(xié)議

通過(guò)XML報(bào)告單元，轉(zhuǎn)化成TCP/IP格式，基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)和XML圖表，可以顯示電梯的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。XML數(shù)據(jù)格式定義如下：

例如：DP: 1,0,1,1,9,2,2006-07-25 14:41:47.203

XML數(shù) 據(jù) 格 式:

3） BACnet通用協(xié)議

在ULEG內(nèi)部，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)掃描器、轉(zhuǎn)換器后生成DP的格式，由BACnet報(bào)告單元生成BACnet對(duì)象格式，供BACnet CCMS使用。BACnet對(duì)象定義格式如下：

DP event type 01 （Landing Call） （normal control system）

Object_Identifier BACnetObjectIdentifier

Object_Name CharacterString

Object_Type Muti DataInputObjectType

Present_Value BACnetARRAY[N]of

表1 事件參數(shù)定義舉例

BACnetLndCallStatus

BACnetLndCallStatus::= SEQUENCE {

Floor_number Unsigned8,

command CHOICE {

direction BACnetLiftDirection,

destination Unsigned8

},

}

BACnetLiftDirection ::= ENUMERATED {

Up （1）, Down （2）, Up and down （3）,

}

4） LonWorks通用協(xié)議

LonWorks通用協(xié)議需要依賴于硬件，如圖2中RS232-LON網(wǎng)關(guān)即為L(zhǎng)onWorks協(xié)議的承載體。在RS232-LON網(wǎng)關(guān)上需要載入功能塊、網(wǎng)絡(luò)變量、配置屬性。根據(jù)電梯的消息類型來(lái)定義LonWorks協(xié)議下的數(shù)據(jù)類型。如圖3所示為電梯故障情況信號(hào)功能塊，表2定義了該變量的數(shù)據(jù)格式。除了這個(gè)變量，電梯的每一個(gè)數(shù)據(jù)本研究都作了定義。

表2 電梯故障情況功能塊中網(wǎng)絡(luò)變量定義

5 系統(tǒng)測(cè)試

針對(duì)上述設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方式，我們對(duì)兩個(gè)不同廠家的電梯進(jìn)行了測(cè)試。連接電梯系統(tǒng)的RS232接口到ULEG，通過(guò)Internet或Intranet連接電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)，觀察電梯數(shù)據(jù)上傳的速度和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此項(xiàng)測(cè)試與原有電梯廠家的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)比，可以完全達(dá)到一致的顯示。

6 研究成果與進(jìn)一步研究方向

本研究定義了電梯需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)，并且將其轉(zhuǎn)化為通用協(xié)議，提供給業(yè)主、用戶、監(jiān)管部門(mén)一個(gè)開(kāi)放的接口，方便上層監(jiān)控軟件公司開(kāi)發(fā)二次監(jiān)控軟件。本研究中提供了ULEG的硬件設(shè)備用于測(cè)試，我們建議以后由電梯廠家生產(chǎn)這個(gè)網(wǎng)關(guān)，本研究項(xiàng)目能提供數(shù)據(jù)定義、轉(zhuǎn)換方法及轉(zhuǎn)換源代碼，電梯廠家不用自己開(kāi)發(fā)，可以利用這個(gè)研究項(xiàng)目生產(chǎn)。

但是，現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題是電梯廠家仍然不愿意將他們的專有協(xié)議公開(kāi)，這就需要監(jiān)管部門(mén)提出通用協(xié)議的概念，推動(dòng)電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控的發(fā)展。

對(duì)于電梯協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題，需要與美國(guó)供熱、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì)組織（ASHRAE）與LonMark協(xié)會(huì)聯(lián)系，將電梯的BACnet與LonWorks標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式納入到標(biāo)準(zhǔn)中。

參考資料

[1]John Bashford （J Bashford & Associates）. CIBSE Guide D Transportation Systems in Buildings[DB].

[2]ANSI/ASHRAE Standard 135-2001: BACnet-A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks[S]. ASHRAE, Atlanta,Georgia, USA, 2001.

[3]董春橋. 智能樓宇BACnet原理與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[4]美國(guó)埃施朗公司北京代表處.LonWorks系統(tǒng)介紹（1版）[DB].http://wenku.baidu.com/view/be6947c4bb4cf7ec4afed05e.html，2005.