基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯數(shù)字對講系統(tǒng)設計

付道軍，陳麗娜（廣州廣日電氣設備有限公司，廣東廣州　511447）

基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯數(shù)字對講系統(tǒng)設計

付道軍，陳麗娜
（廣州廣日電氣設備有限公司，廣東廣州511447）

摘要：針對電梯專用數(shù)字對講系統(tǒng)的工作要求，基于電梯對講系統(tǒng)工作的基本原理，設計了電梯專用數(shù)字對講系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由各個對講分機，管理中心對講主機，無線路由器組成。能夠為電梯系統(tǒng)提供可靠穩(wěn)定的對講功能，進而為電梯對講系統(tǒng)提供了一個安全、自由、靈活的對講系統(tǒng)組網(wǎng)方案，在實際應用中得到了較好的效果。

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

0　引言

隨著社會生活城市化，現(xiàn)代化建設的不斷發(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，人們最先想到的就是盡快逃離那個密閉的空間，而報警或者電話求助就離不開電梯的對講系統(tǒng)了。電梯對講系統(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，是電梯解決故障時的應急設備，也是電梯調(diào)試維護的重要設備。所以，重視電梯對講系統(tǒng)的研發(fā)設計，提高電梯對講系統(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)字對講系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)介紹

常見的電梯對講系統(tǒng)是五線式的模擬信號傳輸?shù)哪M對講機[1-3]?；谖锫?lián)網(wǎng)的電梯數(shù)字對講系統(tǒng)方案（以下簡稱本系統(tǒng)）是在電梯五方通話對講系統(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、無線混合通訊對講系統(tǒng)[2-3]。本系統(tǒng)采用了國際先進的語音處理技術(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、擴展性強、傳輸距離遠、低功耗、低故障率等優(yōu)點。

2　系統(tǒng)總體設計介紹

2.1系統(tǒng)組網(wǎng)方案設計

基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯數(shù)字對講系統(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)五方通話對講系統(tǒng)是由機房分機、轎廂分機、轎頂分機、底坑分機，再加上值班室主機五部分組成。行業(yè)規(guī)范從安全性考慮，所有的分機統(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連接起來，再使用網(wǎng)線將值班室主機連接起來，采用兩線的CAN總線通訊。

在有多臺電梯時，不同電梯的對講系統(tǒng)會共用一個值班室主機。這些不同電梯之間的對講系統(tǒng)就需要一個組網(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)方案的拓撲結(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)場使用環(huán)境情況可以靈活方便地設計電梯間對講系統(tǒng)的組網(wǎng)方案。

2.2系統(tǒng)模塊的配置

基本功能模塊：機房分機、轎廂分機、轎頂分機、底坑分機；

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

2.3系統(tǒng)功能設計

語音傳輸采用全數(shù)字CAN總線通信，管理中心主機與單元分機之間通過一條四芯總線或超五類網(wǎng)絡線連接組網(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)。

無線路由可實現(xiàn)多層級鏈路組網(wǎng)，可自定義網(wǎng)絡層級和鏈路順序，實現(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)模式下對講設備完全兼容通用。

管理中心主機可與電梯轎廂、電梯機房、電梯轎頂、電梯底坑各部分分機實現(xiàn)五方對講。廣播級通話音質(zhì)，聲音逼真、清晰。

系統(tǒng)可對組網(wǎng)分機進行自動巡檢，能及時診斷和定位網(wǎng)絡異常設備，巡檢周期可靈活設置。管理中心機可顯示各個轎廂分機和機房分機的報警，并記憶保持。管理中心機具有群呼、廣播功能，帶音樂輸入接口，可對轎廂分機播放音樂。管理中心機可對轎廂分機進行監(jiān)聽，分機處無任何察覺?？膳浣颖O(jiān)控統(tǒng)計軟件，以監(jiān)控統(tǒng)計分機的報警起始時間、通話時間等?？膳浣右曨l控制器，實現(xiàn)視頻聯(lián)動。

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

圖1　電梯數(shù)字對講系統(tǒng)CAN總線有線，無線混合組網(wǎng)方案拓撲圖

3　主要功能模塊設計

3.1管理中心主機

管理中心主機是一個集成功能相當強大的設備，是將電梯系統(tǒng)內(nèi)部對講系統(tǒng)和外網(wǎng)實現(xiàn)連接的節(jié)點。是真正實現(xiàn)三網(wǎng)融合的核心部件。應用硬件組成示意圖如圖2所示。

圖2　CAN總線電梯數(shù)字對講系統(tǒng)管理中心設備組合圖

雙屏管理中心主機使用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)的對講機語音的數(shù)字信息交換。外線電話線接口，可以將控制中心主機直接接入固定電話網(wǎng)絡，實現(xiàn)和電話網(wǎng)絡直接相互直撥和通話。TCP/IP網(wǎng)線，實現(xiàn)了將電話機接入互聯(lián)網(wǎng)上，USB通信、RS 232通信等接口及數(shù)字及功能鍵鍵盤，可以實現(xiàn)廣播、視音頻切換、Socket遠程數(shù)據(jù)上傳、系統(tǒng)遠程在線升級等功能[2-3，5]。

移動手持機+管理主機組合，是可選設備，根據(jù)用戶需要可以不配備。

移動手持機+管理主機組合是一種低成本解決方案。移動手持機帶雙排LED顯示屏與數(shù)字鍵盤及功能鍵及RS 232通信接口，用于設備管理時，可對通用對講機的功能（普通對講機/管理主機）、地址、時間等參數(shù)進行設置；用于報警監(jiān)控時，與管理主機組合一起使用可實現(xiàn)撥號、查詢及通話等管理功能。

3.2對講機分機

對講機分機根據(jù)安裝位置分為四種分機：機房分機、底坑分機、轎頂分機和轎廂分機。其中轎廂分機是不帶手柄式對講，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）。四種分機的硬件和功能設計是完全相同的，不同的是外殼，由于接線方式不同軟件對呼叫按鈕的處理略有差別。

圖3　帶手柄分機實物圖

3.2.1硬件功能介紹

分機采用在線編碼方式，可任意設定分機號。手柄式對講和免提式對講?？梢詮V播級通話，音質(zhì)清晰。各分機先向同一電梯分機報警及對講。在一分鐘內(nèi)沒有應答自動向管理中心機報警及對講。

掛機即可解除報警：報警過程中(管理機未接)，再次按下分機上的“報警”鍵，即可解除報警。

單梯內(nèi)部分機通話時，若有轎廂分機報警時，自動切斷當前通話，向管理中心機報警。管理中心下?lián)鼙咎蓦娫挄r，轎廂分機自動優(yōu)先接通，梯內(nèi)其他分機摘機后，亦可加入通話過程。

機房分機可提供RS 232或CAN通信接口，在非報警時，可以接收電梯主板自檢信號，并自動上傳到管理中心主機，進一步通過TCP/IP Socket通信將檢測信息上傳到廠家指定IP中心，進行遠程電梯安全實時監(jiān)控。

3.2.2電路設計原理框圖

分機電路原理如圖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。轎廂內(nèi)分機用按鈕接口，其他分機使用手柄接口。Flash Memory用作數(shù)據(jù)存儲，可以存儲分機號，控制中心電話號碼，系統(tǒng)設置的功能，還可以作為錄音儲存等作用。預留有GSM模塊的接口，將分機接上GSM模塊后，分機就接入移動電話網(wǎng)絡，可以按預設的電話號碼直撥外線，實現(xiàn)和指定的電話進行呼叫通話[2]。

圖5　分機電路原理框圖

3.3無線路由器

3.3.1硬件實物圖

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

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)。無線路由可以實現(xiàn)多層級鏈路組網(wǎng)，可以自定義網(wǎng)絡層級和鏈路順序，實現(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臺電梯。不同組網(wǎng)模式下對講設備完全兼容通用。

3.3.3電路設計原理框圖

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)和對講機分機的接近。RS232通訊接口做調(diào)試、升級，及設置時使用。GSM模塊接口電路是備用擴展接口。

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)計軟件

監(jiān)控統(tǒng)計軟件安裝在電腦上，可統(tǒng)計、分析、打印報表，信息數(shù)據(jù)同步，可實時同步顯示每個分機的信息狀態(tài)（即待機、報警、通話三種狀態(tài)）。

統(tǒng)計信息全面，按Access格式生成報表。可顯示分機的報警起始時間、通話起始時間、通話結(jié)束時間；可統(tǒng)計最近的報警通話記錄；可對某個分機的所有報警通話記錄進行查詢；也可按每天或每月的所有分機的報警通話記錄進行查詢。有利于服務的管理和監(jiān)督。

4　模擬與數(shù)字對講系統(tǒng)方案比較

方案比較如表1所示。

5　結(jié)論

以上詳細介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯專用數(shù)字對講系統(tǒng)的設計方案，由產(chǎn)品對講分機、監(jiān)控中心主機、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)的模擬信號傳輸，極大地方便了對講系統(tǒng)擴展接入互聯(lián)網(wǎng)中。無線路由器的設計，拓寬了系統(tǒng)在實際應用中布局組網(wǎng)方案。系統(tǒng)設計架構(gòu)清晰，設計性能指標的達到設計的要求。該系統(tǒng)具有使用費用低、實用性強、運行可靠、便于控制和易于安裝維護等優(yōu)點，能夠解決組網(wǎng)布線難和難以維護管理的問題，在網(wǎng)絡拓展和監(jiān)控管理自動化方面起到十分明顯效果。

圖8　nRF24L01應用電路

表1　系統(tǒng)優(yōu)勢對比表

參考文獻：

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(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

作者簡介：第一付道軍，男，1977年生，湖北十堰人，大學專科，工程師。研究領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng)，機電控制工程。

收稿日期：2015－06－15

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.044

文章編號：1009－9492 (2015 ) 08－0158－05

文獻標識碼：A

中圖分類號：TN923