電梯物聯網傳媒系統

楊雷+林開偉+李澤研+何小虎

摘 要：中國電梯當前的數量最少在四百萬臺以上，并且每年以10%的速度在不斷增長。但全國從事電梯維保行業的人員數量卻沒有相應增長。根據《特種設備安全監察條例》和電梯的安全技術規范，電梯維保工作對工作人員的綜合要求相對較高，同時電梯維保工作具有一定的危險性，所以，培養一個合格的維保人員的過程很漫長，因此電梯維保市場長期處于缺乏維保員的狀態。電梯物聯網的推出有效解決了這個問題。據統計，安裝電梯物聯網系統后，可以大大提高維保人員的工作效率，原來一個維保員同時可以維保30臺梯，現在可維保40臺以上。電梯物聯網系統工作，需要移動網絡傳輸數據，并且后臺服務器也需要一定的費用，安裝電梯物聯網系統后還需要按月繳納維護費，由于該維護費相對較高，實際情況是，安裝完電梯物聯網后，很多物業和維保公司都不愿意出服務費，這就導致之前的電梯物聯網都沒能持續發展下去。因此，需要設計一種功能完善但維護成本低的電梯物聯網系統。

關鍵詞：電梯物聯網;物聯網傳媒系統;ZigBee;DTU;電力線技術

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2015）09-00-04

0 ?引 ?言

隨著中國房地產的迅速發展和高樓層建筑的不斷涌現，電梯的需求數量也越來越多，因此，電梯和我們的日常生活結合的越來越緊密。電梯的使用程度很高，幾乎是一天二十四小時持續運行，因此設備需定期做保養，否則極容易出現事故。由于電梯屬于特種設備，對其維保的要求自然也會比較特別。根據《特種設備安全監察條例》和相關電梯的安全技術規范，電梯的維保工作，對相關人員的綜合要求比較高。

近些年，電梯維保公司越來越多，彼此間為了拿到保單，競爭異常激烈。很多維保公司都是通過壓縮維保成本的方式跟對手競爭，因此目前電梯維保費用越來越低。據統計，十年前一臺居民樓電梯每月的維保費用普遍在六百元人民幣以上，然而在十年后物價上漲的今天，電梯的維保費不僅沒有增加，反倒降到300元人民幣以下。試想現在的人力成本如此高，維保費卻這么低，維保公司為了能夠獲取相應利潤，要么就增加每個維保員維保的電梯數量，要么降低電梯維保的質量，再或者就是欺騙物業，原本還沒到使用年限的電梯部件，用質量差的提前更換掉，這樣會進一步增加電梯事故的概率。

電梯維保員維保的電梯數太多，會帶來以下幾個問題。首先，《特種設備安全監察條例》規定，每臺電梯每14天需要保養一次，每次保養時間不小于兩小時，維保員忙不過來，維保工作就沒法認真執行，這就給今后電梯出現事故留下隱患。其次，由于每個維保員負責的電梯數量太多，導致維保區域變大，一旦電梯出現事故，搶險時間勢必會被延長，往往一個小的事故最終會變成無法挽救的災難。最后，電梯屬于特種設備，一般人對其都不了解。很多維保公司為了獲取利潤，經常更換電梯尚未到達工作年限的部件，而且會用質量差的部件欺騙業主，這又增加了電梯事故的概率。為了解決上述問題，我們設計了電梯物聯網系統，安裝物聯網系統后，物業、維保人員及質監局可在電梯出現事故前對其進行預防。安裝電梯物聯網系統后，維保人員平時無需去現場，在家里通過網絡即可觀測電梯的運行情況，到更換時會通知物業、維保及質監局。同時《電梯星辰物聯網平臺》也會給出各個型號的電梯部件的市場價格作為參照。

電梯物聯網運行也需要維護成本，相比而言，之前的電梯物聯網系統服務費相對較高。很多地方的業主認為維保的費用應由物業承擔，但短時間內，有些物業還沒感覺到電梯物聯網的好處，因此不愿意出服務費。傳統的電梯物聯網系統最終都因為沒人愿意出服務費而無法安裝。電梯星辰物聯網的最大優勢就是系統成本和后期服務費比其他物聯網系統低很多，這在很大程度上使電梯物聯網系統能長期被使用。

1 ?傳統電梯物聯網傳媒系統

1.1 ?傳統電梯物聯網傳媒系統架構

傳統的電梯物聯網系統我們稱之為單節點電梯物聯網，單結點電梯物聯網系統架構基本由電梯信息采集器、網絡連接設備、云服務器、應用軟件組成。

對于圖1所示架構的電梯物聯網傳媒系統，每臺電梯都是一個獨立的網絡接入點。該系統的優點就是系統運行穩定性高、傳輸數據量大、數據傳輸速率快、單臺物聯網系統故障不會影響其他電梯物聯網系統的使用等。雖然單結點電梯物聯網系統有著諸多優點，但這種電梯物聯網傳媒系統架構的缺點也很明顯，比如說該系統的硬件成本很高，每臺電梯都需要配一張SIM卡和一個移動網絡設備。同樣是1 000臺電梯加裝物聯網系統，該系統的硬件成本、移動網服務費、網絡服務器運營成本等都高很多。

圖1 ?單結點電梯物聯網系統架構圖

1.2 ?傳統電梯物聯網傳媒系統存在的缺點

傳統電梯物聯網傳媒系統主要存在以下缺點：

（1）傳統電梯物聯網系統主要是以單棟樓、單臺梯為單元的電梯網絡監控系統，并未將各種信息通過網絡平臺實現電梯原廠、質監局、物業及維保公司之間的共享;

（2）一般每臺電梯都需要一個移動上網設備，每個移動設備需要一張SIM卡，因此設備的硬件成本和移動網服務費都比較高;

（3）物聯網服務器費用比較高，在傳統電梯物聯網系統中，每臺電梯都是一個入網設備，因此一萬臺電梯裝上物聯網系統就需要支撐一萬個接入點的服務器。但是電梯的運行數據量比較小，這種方式對服務器資源的利用不是很合理;

（4）當電梯物聯網需要更新公告時，需要以每臺電梯為單位挨個更新，同樣是更新一個小區的公告信息，傳統物聯網傳媒系統要花費更多時間;

（5）通常，傳統電梯物聯網無法顯示電梯的運行狀態等信息，僅僅播放一些廣告，支持一些簡單的報警信息。

1.3 ?傳統電梯物聯網傳媒系統組件

傳統電梯物聯網傳媒系統組件見表1所列。

表1 ?傳統電梯物聯網傳媒系統組件

小區有50臺電梯 組件名稱 數 ? ?量

1 SIM卡月租費 50張SIM卡的月租費用

2 上網設備 50臺上網設備

3 服務器費用 支持50臺接入點的服務器容量

4 SIM卡流量費 50張SIM卡的流量費

2 ?電梯星辰物聯網系統

電梯星辰物聯網系統是新設計的一種電梯物聯網系統，該系統最大的特點是以小區為單元，采用ZigBee技術實現無線局域網組網，先將小區所有電梯組成一個局域網。局域網中，由一個網關負責收集小區其他電梯的數據，其他電梯作為結點。網關再通過DTU（Data Transfer Unit）設備，將這些數據上傳至物聯網后臺服務器。

2.1 ?星辰物聯網系統架構

目前DTU設備價格是非常貴的，大約在500元人民幣左右，并且在當前中國市場上，一般SIM卡都是按月收月租費的，對DTU來說，它傳送數據的帶寬主要取決于SIM卡的帶寬。經過計算，一個DTU在SIM卡套餐選擇合適的情況下可同時傳送多達50臺電梯的運行參數。因此給傳統電梯物聯網系統每個結點配一個DTU設備的應用對資源是一種浪費。

為了解決傳統電梯物聯網系統存在的成本高、維護不方便等問題，我們設計了一種電梯物聯網系統，該電梯物聯網系統采用小區組網的方式，先將小區各電梯的數據采集器（結點）通過ZigBee（無線射頻）技術組成一個局域網。該局域網由一臺設備收集所有結點的信息，這個設備稱為網關，然后網關將整個小區電梯的運行數據通過DTU發送到網絡服務器。這種架構的電梯物聯網系統，每個小區可能只需要一臺DTU設備和一張SIM卡，硬件成本上降低了很多。新的電梯物聯網系統在安裝時以小區為單位，安裝過程比傳統電梯物聯網系統簡單，這就是電梯星辰物聯網。其系統架構如圖2所示。

圖2 ?電梯星辰物聯網系統架構

2.2 ?星辰物聯網系統優點

2.2.1 ?電梯星辰物聯網廣播公告

當前的建筑以高層居多，去年國家要求六層及以上的建筑必須加裝電梯，因此電梯的數量今后將越來越多。并且當前大多數公共場所的建筑都安裝了電梯，這給我們的生活帶來了極大的便利。電梯就像地鐵、公交一樣，已經和我們的生活密不可分。

電梯星辰物聯網顯示器通過WiFi、電力線等方式，可以和電梯物聯網后臺服務器連接，因此，可以利用電梯轎廂傳播信息。比如，小區物業或者政府需要給居民發公告，可通過電梯轎廂的物聯網顯示器通知業主。再比如，在一個大商場里，如果你急著要找一個人，商場物業也可利用電梯轎廂發送尋人公告。電梯星辰物聯網顯示器的內容如圖3所示。

圖3 ?電梯星辰物聯網顯示器的顯示內容

2.2.2 ?電梯星辰物聯網系統組件

電梯星辰物聯網系統組件如表2所列。

表2 ?電梯星辰物聯網系統組件

小區50臺電梯 組件名稱 數量

1 SIM卡月租費 1張卡的月租費用

2 上網設備 1臺上網設備

3 服務器費用 支持1臺接入點的服務器容量

4 SIM卡流量費 1張SIM卡的流量費

2.2.3 ?電梯星辰物聯網的顯示內容

當前市場上電梯物聯網系統大概可分為兩種，第一種，所謂的電梯物聯網其實就是電梯遠程監控系統，可通過網絡對電梯進行遠程監控，但這種系統成本都很高，且后期都因高昂的服務費而發展不下去。第二種，電梯物聯網僅僅是一個廣告播放器，顯示器上僅增加了語音對講和一些簡單的安撫功能而已。這種物聯網廣告顯示內容單一，除了廣告幾乎沒什么其他的作用。并且該類型電梯物聯網傳媒系統和第一種物聯網系統一樣，都面臨硬件成本高、服務器費用高、流量費高和月租費高等問題。

而電梯星辰物聯網系統可通過低成本方式實現上述物聯網系統的所有功能，同時多媒體顯示器也可顯示電梯的運行狀態、當前的天氣狀況、時間和新聞資訊等信息。如圖4所示。

圖4 ?電梯物聯網狀態顯示

2.2.4 ?電梯物聯網數據流量

和其他電梯物聯網系統相比，電梯星辰物聯網系統最大的優點就是有效利用了數據流量。通常情況下，電梯物聯網發送給后臺服務器的數據量相對較小，據統計，在物聯網平臺對一臺電梯進行實時監控時，每秒產生的數據約為200b/s。如果DTU采用心跳包機制，在不監控電梯時幾乎沒有流量產生。我們通過對宏電H7210的2G版DTU做帶寬測試，該網絡設備上下行的實測數據為35 Kb/s左右，計算下來，用一臺DTU設備（H7210）同時對50臺電梯監控，傳輸速率基本可滿足需求。即便電梯物聯網采用了多媒體顯示器，因該信息以圖片為主，圖片的數據量較小，一般每幅圖片只有幾十KB，而且圖片幾周才更新一次，因此電梯星辰物聯網系統仍然滿足要求。

3 ?關鍵技術分析

3.1 ?ZigBee無線技術

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。ZigBee是一種可靠性高的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡。ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75米到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。ZigBee是一個由可多到65 000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每個ZigBee網絡數傳模塊之間可以相互通信，并且每個結點均可支持中繼器功能。

ZigBee 射頻產品工作在IEEE802.15.4 的PHY 上，其頻段是免費開放的，分別為2.4 GHz（全球）、915 MHz（美國）和868 MHz（歐洲）。各頻段的傳輸速率如圖5所示。

圖5 ?ZigBee 射頻電梯物聯網系統各頻段的傳輸速率

由圖5可以知道，在電梯物聯網系統中為各結點的通訊選擇2.4 GHz的ZigBee方案，結點之間通訊的波特率最大為250 Kb/s。

前面已經提到，當一個小區有50臺電梯，先通過局域網組網技術，將所有電梯數據匯總到網關，再通過網關將數據傳送給網絡平臺。當網絡平臺對其所有電梯監控時，需要的傳輸速率不超過35 Kb/s。因此采用ZigBee無線技術實現小區電梯局域網組網，從數據傳輸速率上講是滿足的。

電梯機房一般都在樓頂，每臺電梯的監控結點一般都安裝在機房，同一個小區，樓的高度、距離以及建筑風格有可能都不一致，這會使得無線信號的傳輸遇到衰減。ZigBee模塊目前加了信號放大器后，最大傳輸距離可達到一公里以上，再加上ZigBee的每個結點都支持中繼功能，當兩棟樓由于距離遠而無法通訊時，可在建筑中間增加中繼器。因此從傳輸距離上講，ZigBee無線技術用在電梯物聯網中也是很合適的。

3.2 ?電力線載波通信技術

電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）是利用高壓電力線（通常情況下是指35 kV及以上電壓等級）、中壓電力線（指10 kV電壓等級）或低壓配電線（380/220 V）用戶線作為信息傳輸媒介，通過載波的方式將模擬或者數字信號在電力線上進行高速傳輸的一種特殊通信方式。

電力線載波通訊方式最大的優點就是通訊直接利用現有電力線，無需重新布線，可以節約線纜的成本和布線浪費的人力成本。尤其是對一些特殊行業，接線環境很惡略，重新布線非常困難，如煤礦里面增加的通訊設備，此時如果重新布線，實現起來是非常困難的，而且成本也會很高。同時，電力線載波通訊的理論傳輸距離非常遠，并且傳輸速率很高。

上文講過，電梯星辰物聯網廣告顯示器是安裝在電梯轎廂里面，然而廣告數據是從機房傳輸下來的。圖6為電梯控制系統框圖，想實現廣告數據從機房到轎廂的傳輸，方法只有兩種：要么在電梯井道中安裝無線傳輸設備，要么就在機房和井道中重新布信號線。這兩種方式都需要耗費大量的人工成本，并且外部的硬件成本也比較高。然而電梯系統要求，每臺電梯的井道中都需要布置AC 220 V電力線做井道照明用，因此電梯機房到轎廂的廣告數據傳輸采用電力線載波通訊最合適不過。采用電力線載波通訊技術，即可利用當前電梯井道的資源，并且安裝要方便許多。

4 ?結 ?語

電梯物聯網可將電梯的信息共享給物業、維保、電梯廠以及質監局，這些單位可在電梯出問題的第一時間得到故障信息，甚至可通過電梯物聯網平臺防患于未然，在電梯發生故障前將事故避免。由于電梯行業比較特殊，物業覺得既然他們出了維保費，電梯就不應該有問題，即便出了問題也應由維保公司承擔。但當前電梯維保行業競爭太激烈，導致各個維保公司都通過降低維保費用的方式去爭得保單，他們的心態是享受電梯物聯網帶來的便利是應該，這個功能的費用不應該由他們承擔，也不愿意出電梯物聯網的服務費。電梯星辰物聯網系統擁有其他物聯網系統的所有功能，同時，該系統硬件成本和維護費用也比其他電梯物聯網系統低很多。

參考文獻

[1]何小虎.基于WEN技術的電梯物聯網系統的設計[EB/OL].中國傳動網，2014-01-17.

[2]國際電梯網.電梯安全回路分析[EB/OL].[2014-03-24].http：//www.elevatorstar.com/news_detail？news.id=4354.

[3]上海市電梯行業協會.電梯星辰物聯網[EB/OL].[2013-12-22]. http：//www.docin.com/p-744588192.html.

[4]劉文昌，安秀麗.基于物聯網的電梯遠程監控研究[J].遼寧工業大學學報（社會科學版），2013，15（4）：22-24.

[5]周文瑜，周泓.基于三層結構模型的電梯遠程監控軟件設計[J].工程設計學報，2003（5）：44-47.