基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付道軍，陳麗娜（廣州廣日電氣設(shè)備有限公司，廣東廣州　511447）

基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付道軍，陳麗娜
（廣州廣日電氣設(shè)備有限公司，廣東廣州511447）

摘要：針對(duì)電梯專用數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)的工作要求，基于電梯對(duì)講系統(tǒng)工作的基本原理，設(shè)計(jì)了電梯專用數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由各個(gè)對(duì)講分機(jī)，管理中心對(duì)講主機(jī)，無線路由器組成。能夠?yàn)殡娞菹到y(tǒng)提供可靠穩(wěn)定的對(duì)講功能，進(jìn)而為電梯對(duì)講系統(tǒng)提供了一個(gè)安全、自由、靈活的對(duì)講系統(tǒng)組網(wǎng)方案，在實(shí)際應(yīng)用中得到了較好的效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字對(duì)講機(jī)；物聯(lián)網(wǎng)；RF無線通訊；CAN總線

0　引言

隨著社會(huì)生活城市化，現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，電梯已是與人們生活密切相關(guān)的現(xiàn)代化設(shè)備。隨著電梯使用頻率越來越高，電梯安全也越來越受到重視。遭遇電梯故障或一些突發(fā)事件時(shí)，人們最先想到的就是盡快逃離那個(gè)密閉的空間，而報(bào)警或者電話求助就離不開電梯的對(duì)講系統(tǒng)了。電梯對(duì)講系統(tǒng)是電梯必備的部件，它不光是解決上述突發(fā)事件的有效手段，是電梯解決故障時(shí)的應(yīng)急設(shè)備，也是電梯調(diào)試維護(hù)的重要設(shè)備。所以，重視電梯對(duì)講系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)，提高電梯對(duì)講系統(tǒng)的性能，就顯得尤為重要。下面介紹公司自主開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)介紹

常見的電梯對(duì)講系統(tǒng)是五線式的模擬信號(hào)傳輸?shù)哪M對(duì)講機(jī)[1-3]。基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)方案（以下簡(jiǎn)稱本系統(tǒng)）是在電梯五方通話對(duì)講系統(tǒng)的基本架構(gòu)下，使用新型的語音芯片研發(fā)生產(chǎn)的一款全數(shù)字有線、無線混合通訊對(duì)講系統(tǒng)[2-3]。本系統(tǒng)采用了國際先進(jìn)的語音處理技術(shù)、CAN總線通信技術(shù)及2.4G無線通信技術(shù)進(jìn)行語音數(shù)據(jù)的編碼、解碼及組網(wǎng)傳輸，產(chǎn)品具有組網(wǎng)靈活、通訊穩(wěn)定、語音清晰、擴(kuò)展性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、低功耗、低故障率等優(yōu)點(diǎn)。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)介紹

2.1系統(tǒng)組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)方案的組網(wǎng)方式有兩種，電梯內(nèi)部組網(wǎng)和電梯系統(tǒng)之間組網(wǎng)。

電梯內(nèi)部的組網(wǎng)，電梯內(nèi)五方通話對(duì)講系統(tǒng)是由機(jī)房分機(jī)、轎廂分機(jī)、轎頂分機(jī)、底坑分機(jī)，再加上值班室主機(jī)五部分組成。行業(yè)規(guī)范從安全性考慮，所有的分機(jī)統(tǒng)一用有線連接。借用電梯隨行電纜，將裝在不同位置的分機(jī)連接起來，再使用網(wǎng)線將值班室主機(jī)連接起來，采用兩線的CAN總線通訊。

在有多臺(tái)電梯時(shí)，不同電梯的對(duì)講系統(tǒng)會(huì)共用一個(gè)值班室主機(jī)。這些不同電梯之間的對(duì)講系統(tǒng)就需要一個(gè)組網(wǎng)過程[2-3]。

電梯之間的組網(wǎng)分為三種，分別是有線組網(wǎng)方案、無線組網(wǎng)方案及有線、無線混合組網(wǎng)方案。其中混合組網(wǎng)方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

根據(jù)使用方便可以將所有的無線路由器改用有線連接，就組成了有線組網(wǎng)。將所有電梯之間的組網(wǎng)都使用CAN通訊無線路由器連接組網(wǎng)，就是無線組網(wǎng)方案。根據(jù)用戶需要和現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境情況可以靈活方便地設(shè)計(jì)電梯間對(duì)講系統(tǒng)的組網(wǎng)方案。

2.2系統(tǒng)模塊的配置

基本功能模塊：機(jī)房分機(jī)、轎廂分機(jī)、轎頂分機(jī)、底坑分機(jī)；

可選功能模塊：管理中心主機(jī)(或移動(dòng)手持機(jī)+管理主機(jī))、無線路由器、上位機(jī)軟件。

2.3系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

語音傳輸采用全數(shù)字CAN總線通信，管理中心主機(jī)與單元分機(jī)之間通過一條四芯總線或超五類網(wǎng)絡(luò)線連接組網(wǎng)，也可以采用2.4G CAN總線無線路由器連接組網(wǎng)或有線無線混合組網(wǎng)模式組網(wǎng)。

無線路由可實(shí)現(xiàn)多層級(jí)鏈路組網(wǎng)，可自定義網(wǎng)絡(luò)層級(jí)和鏈路順序，實(shí)現(xiàn)無線通信的定向、定位和定序傳輸。有效傳輸距離大于1 000 m以上，單網(wǎng)容量99臺(tái)電梯，使用特制防水室外天線。

在有線，無線，或混合組網(wǎng)的不同組網(wǎng)模式下對(duì)講設(shè)備完全兼容通用。

管理中心主機(jī)可與電梯轎廂、電梯機(jī)房、電梯轎頂、電梯底坑各部分分機(jī)實(shí)現(xiàn)五方對(duì)講。廣播級(jí)通話音質(zhì)，聲音逼真、清晰。

系統(tǒng)可對(duì)組網(wǎng)分機(jī)進(jìn)行自動(dòng)巡檢，能及時(shí)診斷和定位網(wǎng)絡(luò)異常設(shè)備，巡檢周期可靈活設(shè)置。管理中心機(jī)可顯示各個(gè)轎廂分機(jī)和機(jī)房分機(jī)的報(bào)警，并記憶保持。管理中心機(jī)具有群呼、廣播功能，帶音樂輸入接口，可對(duì)轎廂分機(jī)播放音樂。管理中心機(jī)可對(duì)轎廂分機(jī)進(jìn)行監(jiān)聽，分機(jī)處無任何察覺?？膳浣颖O(jiān)控統(tǒng)計(jì)軟件，以監(jiān)控統(tǒng)計(jì)分機(jī)的報(bào)警起始時(shí)間、通話時(shí)間等?？膳浣右曨l控制器，實(shí)現(xiàn)視頻聯(lián)動(dòng)。

有常閉常開報(bào)警輸出功能，可外接警鈴、警燈等。可外接GSM手機(jī)發(fā)射模塊、市話轉(zhuǎn)接模塊，實(shí)現(xiàn)值班室無人接聽的情況下手機(jī)短信或市話報(bào)警。

圖1　電梯數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)CAN總線有線，無線混合組網(wǎng)方案拓?fù)鋱D

3　主要功能模塊設(shè)計(jì)

3.1管理中心主機(jī)

管理中心主機(jī)是一個(gè)集成功能相當(dāng)強(qiáng)大的設(shè)備，是將電梯系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)講系統(tǒng)和外網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接的節(jié)點(diǎn)。是真正實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)融合的核心部件。應(yīng)用硬件組成示意圖如圖2所示。

圖2　CAN總線電梯數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)管理中心設(shè)備組合圖

雙屏管理中心主機(jī)使用STM32F103ZE主控芯片，帶7吋彩顯屏和多行中文液晶信息屏。提供CAN通信總線數(shù)據(jù)線用于和電梯井道內(nèi)的對(duì)講機(jī)語音的數(shù)字信息交換。外線電話線接口，可以將控制中心主機(jī)直接接入固定電話網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)和電話網(wǎng)絡(luò)直接相互直撥和通話。TCP/IP網(wǎng)線，實(shí)現(xiàn)了將電話機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)上，USB通信、RS 232通信等接口及數(shù)字及功能鍵鍵盤，可以實(shí)現(xiàn)廣播、視音頻切換、Socket遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳、系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線升級(jí)等功能[2-3，5]。

移動(dòng)手持機(jī)+管理主機(jī)組合，是可選設(shè)備，根據(jù)用戶需要可以不配備。

移動(dòng)手持機(jī)+管理主機(jī)組合是一種低成本解決方案。移動(dòng)手持機(jī)帶雙排LED顯示屏與數(shù)字鍵盤及功能鍵及RS 232通信接口，用于設(shè)備管理時(shí)，可對(duì)通用對(duì)講機(jī)的功能（普通對(duì)講機(jī)/管理主機(jī)）、地址、時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；用于報(bào)警監(jiān)控時(shí)，與管理主機(jī)組合一起使用可實(shí)現(xiàn)撥號(hào)、查詢及通話等管理功能。

3.2對(duì)講機(jī)分機(jī)

對(duì)講機(jī)分機(jī)根據(jù)安裝位置分為四種分機(jī)：機(jī)房分機(jī)、底坑分機(jī)、轎頂分機(jī)和轎廂分機(jī)。其中轎廂分機(jī)是不帶手柄式對(duì)講，為了安裝和使用的方便，用外接按鈕代替了提起式通話手柄（見圖3、圖4）。四種分機(jī)的硬件和功能設(shè)計(jì)是完全相同的，不同的是外殼，由于接線方式不同軟件對(duì)呼叫按鈕的處理略有差別。

圖3　帶手柄分機(jī)實(shí)物圖

3.2.1硬件功能介紹

分機(jī)采用在線編碼方式，可任意設(shè)定分機(jī)號(hào)。手柄式對(duì)講和免提式對(duì)講?？梢詮V播級(jí)通話，音質(zhì)清晰。各分機(jī)先向同一電梯分機(jī)報(bào)警及對(duì)講。在一分鐘內(nèi)沒有應(yīng)答自動(dòng)向管理中心機(jī)報(bào)警及對(duì)講。

掛機(jī)即可解除報(bào)警：報(bào)警過程中(管理機(jī)未接)，再次按下分機(jī)上的“報(bào)警”鍵，即可解除報(bào)警。

單梯內(nèi)部分機(jī)通話時(shí)，若有轎廂分機(jī)報(bào)警時(shí)，自動(dòng)切斷當(dāng)前通話，向管理中心機(jī)報(bào)警。管理中心下?lián)鼙咎蓦娫挄r(shí)，轎廂分機(jī)自動(dòng)優(yōu)先接通，梯內(nèi)其他分機(jī)摘機(jī)后，亦可加入通話過程。

機(jī)房分機(jī)可提供RS 232或CAN通信接口，在非報(bào)警時(shí)，可以接收電梯主板自檢信號(hào)，并自動(dòng)上傳到管理中心主機(jī)，進(jìn)一步通過TCP/IP Socket通信將檢測(cè)信息上傳到廠家指定IP中心，進(jìn)行遠(yuǎn)程電梯安全實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2.2電路設(shè)計(jì)原理框圖

分機(jī)電路原理如圖5所示。主控CPU選用ST 的ARM芯片STM32F103ZE。自帶bxCAN模塊，直插CAN協(xié)議2.0A和2.0B[5]。CPU的CAN收發(fā)接口通過光耦與CAN收發(fā)器MCP2551相連，實(shí)現(xiàn)CAN通訊[4]。語音芯片選用AMBE-1000[6]，是由Digital Voice System.Inc推出的高性能多速率語音編碼-解碼芯片，它的語音編碼-解碼算法采用專利語音編碼技術(shù)AMBE，具有語音音質(zhì)好和編碼波特率低、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。轎廂內(nèi)分機(jī)用按鈕接口，其他分機(jī)使用手柄接口。Flash Memory用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以存儲(chǔ)分機(jī)號(hào)，控制中心電話號(hào)碼，系統(tǒng)設(shè)置的功能，還可以作為錄音儲(chǔ)存等作用。預(yù)留有GSM模塊的接口，將分機(jī)接上GSM模塊后，分機(jī)就接入移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)，可以按預(yù)設(shè)的電話號(hào)碼直撥外線，實(shí)現(xiàn)和指定的電話進(jìn)行呼叫通話[2]。

圖5　分機(jī)電路原理框圖

3.3無線路由器

3.3.1硬件實(shí)物圖

路由器夾物如圖6所示。

圖6　CAN總線無線路由器

3.3.2功能特點(diǎn)

語音傳輸可以采用2.4G無線路由器連接組網(wǎng)或有線無線混合組網(wǎng)模式組網(wǎng)。無線路由可以實(shí)現(xiàn)多層級(jí)鏈路組網(wǎng)，可以自定義網(wǎng)絡(luò)層級(jí)和鏈路順序，實(shí)現(xiàn)無線通信的定向、定位和定序傳輸。有效傳輸距離大于1 000 m以上。單網(wǎng)容量99臺(tái)電梯。不同組網(wǎng)模式下對(duì)講設(shè)備完全兼容通用。

3.3.3電路設(shè)計(jì)原理框圖

路由器電路原理如圖7所示。主控CPU也是選用ST的 ARM芯片STM32F103ZE[5]。部件原理架構(gòu)和對(duì)講機(jī)分機(jī)的接近。RS232通訊接口做調(diào)試、升級(jí)，及設(shè)置時(shí)使用。GSM模塊接口電路是備用擴(kuò)展接口。

圖7　無線路由器電路原理框圖

無線接口控制芯片選擇Nor?dic公司的nRF24L01芯片開發(fā)而成[7]。射頻收發(fā)器工作與國際ISM頻段2.400~2.4835 GHz。射頻收發(fā)內(nèi)核的配置通過射頻收發(fā)器的寄存器映像進(jìn)行，寄存器由MCU通過雙向的片內(nèi)SPI接口來訪問，并可在各種節(jié)能模式下工作。射頻電路見圖8所示。

3.4監(jiān)控統(tǒng)計(jì)軟件

監(jiān)控統(tǒng)計(jì)軟件安裝在電腦上，可統(tǒng)計(jì)、分析、打印報(bào)表，信息數(shù)據(jù)同步，可實(shí)時(shí)同步顯示每個(gè)分機(jī)的信息狀態(tài)（即待機(jī)、報(bào)警、通話三種狀態(tài)）。

統(tǒng)計(jì)信息全面，按Access格式生成報(bào)表?？娠@示分機(jī)的報(bào)警起始時(shí)間、通話起始時(shí)間、通話結(jié)束時(shí)間；可統(tǒng)計(jì)最近的報(bào)警通話記錄；可對(duì)某個(gè)分機(jī)的所有報(bào)警通話記錄進(jìn)行查詢；也可按每天或每月的所有分機(jī)的報(bào)警通話記錄進(jìn)行查詢。有利于服務(wù)的管理和監(jiān)督。

4　模擬與數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)方案比較

方案比較如表1所示。

5　結(jié)論

以上詳細(xì)介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯專用數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，由產(chǎn)品對(duì)講分機(jī)、監(jiān)控中心主機(jī)、無線路由器及監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件構(gòu)成。用數(shù)字語音信息代替了傳統(tǒng)的模擬信號(hào)傳輸，極大地方便了對(duì)講系統(tǒng)擴(kuò)展接入互聯(lián)網(wǎng)中。無線路由器的設(shè)計(jì)，拓寬了系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中布局組網(wǎng)方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)清晰，設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。該系統(tǒng)具有使用費(fèi)用低、實(shí)用性強(qiáng)、運(yùn)行可靠、便于控制和易于安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，能夠解決組網(wǎng)布線難和難以維護(hù)管理的問題，在網(wǎng)絡(luò)拓展和監(jiān)控管理自動(dòng)化方面起到十分明顯效果。

圖8　nRF24L01應(yīng)用電路

表1　系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)對(duì)比表

參考文獻(xiàn)：

［1］李哲英.實(shí)用電子電路設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版杜，1997.

［2］陳永甫，譚秀華.現(xiàn)代通信系統(tǒng)和信息網(wǎng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1996.

［3］陳永.集群移動(dòng)通信機(jī)和對(duì)講機(jī)原理、使用及維修手冊(cè)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1997.

［4］楊春杰.CAN總線技術(shù)［M］.北京：航空航天大學(xué)出版社，2010.

［5］彭剛，秦志強(qiáng).基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［6］郭剛.AMBE-1000語音編碼-解碼器芯片及其應(yīng)用［J］.國外電子元器件，2001（3）：18-21.

［7］曹勇，楊濤，馮月暉.基于nRF24L01的超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2008 （7）：45-48.

(編輯：向飛)

Design of Elevator Digital Intercom System Based on Internet of Things

FU Dao-jun，CHEN Li-na
（Electricity Facilities Guangri Guangzhou Co.，Ltd.，Guangzhou511447，China）

Abstract:According to the requirement of elevator dedicated digital intercom system，based on the basic principle of elevator intercom system design elevator dedicated digital intercom system.The system is mainly composed of the intercom，intercom system management center and wireless router，which provides stable and reliable intercom function for the elevator system，and provides a safe，free and flexible intercom system network scheme for elevator intercom system.This system obtained good effect in the practical application.

Key words:Digital intercom；internet of things；RF wireless communication；CAN bus

作者簡(jiǎn)介：第一付道軍，男，1977年生，湖北十堰人，大學(xué)?？?，工程師。研究領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng)，機(jī)電控制工程。

收稿日期：2015－06－15

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.044

文章編號(hào)：1009－9492 (2015 ) 08－0158－05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN923