基于GPRS的電梯RTU監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)

房啟志，戈永哲，徐宏宇

（沈陽航空航天大學(xué) 遼寧 沈陽 110136）

許多電梯現(xiàn)場的控制設(shè)備，大部分時(shí)間都工作在無人值守狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)如何讓維護(hù)人員及時(shí)察覺，并能對設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程重啟以及故障恢復(fù)等控制手段就顯得非常重要。目前借助Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程故障維護(hù)是解決上述問題的手段之一，但是用這種方法解決問題，實(shí)現(xiàn)起來技術(shù)方案復(fù)雜，成本高，同時(shí)由于受到網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、上網(wǎng)手段等條件的限制，很難做到隨時(shí)隨地?zé)o縫地監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備[1]。GSM移動(dòng)通信網(wǎng)是目前覆蓋范圍最廣泛的網(wǎng)絡(luò)，GSM網(wǎng)絡(luò)中的GPRS業(yè)務(wù)具有傳輸速率高、實(shí)時(shí)在線、覆蓋范圍廣、按流量計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)，不僅可以滿足RTU監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，而且節(jié)約成本、可靠性高對遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行故障檢測和控制非常合適[2]。

1 GPRS及組網(wǎng)方式

1.1 GPRS介紹

GPRS（General Packet Radio Service），即通用無線分組業(yè)務(wù)，是基于GSM網(wǎng)絡(luò)上的一種新的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。GPRS采用分組交換方式，僅在實(shí)際傳送和接收數(shù)據(jù)時(shí)才占用無線資源，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率[3-5]。GPRS技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）永遠(yuǎn)在線，接人速度快。用戶可以隨時(shí)與無線網(wǎng)絡(luò)保持連接，且分組交換接入時(shí)間少于1秒，可使遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蚀蟠筇岣撸?）采用數(shù)據(jù)流量的計(jì)費(fèi)方式。GPRS是一種經(jīng)濟(jì)高效的分組數(shù)據(jù)技術(shù)，用戶只需在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)按照流量進(jìn)行付費(fèi)，無需像電路交換方式那樣對整個(gè)鏈路占用期間都付費(fèi)。這樣就大大降低了用戶的使用費(fèi)用；3）支持IP協(xié)議。由于GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，且支持TCP／IP協(xié)議，從而可以實(shí)現(xiàn)與Internet的無縫連接。

1.2 系統(tǒng)組網(wǎng)方式

在本項(xiàng)目中采用中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS解析服務(wù)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示，客戶首先要與DNS服務(wù)商聯(lián)系開通動(dòng)態(tài)域名，監(jiān)控點(diǎn)先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP，建立連接。電梯RTU將采集到的各類監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)按照協(xié)議打包，通過GTM900C模塊和移動(dòng)基站將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商所提供的GGSN （Gateway GPRSSupport Node）服務(wù)器上，GGSN服務(wù)器分配給GPRS數(shù)據(jù)采集終端相應(yīng)的IP地址，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集終端與Internet的連接，再通過Internet網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到位于監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。GPRS模塊可以是始終在線的，因此位于監(jiān)控中心的工作人員可以實(shí)時(shí)了解到終端設(shè)備的工作情況并做出相應(yīng)的工作指示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.1 Topology diagram of the system network structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

每臺電梯配備一套遠(yuǎn)程電梯信息數(shù)據(jù)采集控制終端和通信終端，通信終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程控制中心相連接。電梯數(shù)據(jù)信息采集控制終端負(fù)責(zé)采集控制電梯相關(guān)作業(yè)信息并將數(shù)據(jù)自動(dòng)上報(bào)至監(jiān)控管理中心。監(jiān)測信息有1.電梯運(yùn)行信息狀態(tài)：駐停、檢修、消防、司機(jī)、自動(dòng)、當(dāng)前運(yùn)行方向、層站、急停回路、門聯(lián)鎖回路、門狀態(tài)、載荷、平層以及回傳控制柜所能檢測的故障碼[6]。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2所示，電梯信息采集處理器以C8051F060為核心。Silicon Lab的C8051帶有SoC色彩，集成了嵌入式系統(tǒng)的許多先進(jìn)技術(shù)。C8051F060速度可達(dá)25MIPS，具有4 352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM；59個(gè)通用I/O，可同時(shí)使用兩個(gè)UART串行端口和CAN2.0總線接口。

圖2 RTU硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of the RTU hardware system

2.1 GTM900C驅(qū)動(dòng)編寫

GTM900C模塊是采用AT指令集進(jìn)行控制的，采用AT指令集可以實(shí)現(xiàn)模塊參數(shù)的設(shè)置以及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。AT指令集是調(diào)制解調(diào)器通信接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，指令由ASCII字符組成，除“A/”、“+++”指令外，所有指令都是以“AT”開頭，以<回車><換行>結(jié)束，絕大多數(shù)指令被執(zhí)行后都有返回參數(shù)[7-8]。該部分驅(qū)動(dòng)編寫主要是利用串口中斷和AT指令實(shí)現(xiàn)，模塊初始化及TCP/IP鏈接流程圖如圖3所示。

圖3 模塊初始化及TCP/IP鏈接流程圖Fig.3 Flow chart of module initialization and the link of TCP/IP

驅(qū)動(dòng)開發(fā)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）可以設(shè)置讀超時(shí)，如果對方不能正常響應(yīng)，則系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為與對方通訊失敗。2）如果對方成功響應(yīng)，那么還需要對對方相應(yīng)的信息進(jìn)行判斷，確定串口數(shù)據(jù)流中的哪些信息是相應(yīng)自己AT指令的數(shù)據(jù)。一般地，期望的響應(yīng)都有一定的特征信息，可以通過判斷相應(yīng)的數(shù)據(jù)是否包含特征信息來判斷。3）即使對方能夠成功響應(yīng)，有時(shí)候?qū)Ψ綄χ噶畹奶幚硇枰欢ǖ臅r(shí)間，這時(shí)候并不能通過一個(gè)read函數(shù)將所有的相應(yīng)數(shù)據(jù)都讀回。因此就需要將每次讀回的數(shù)據(jù)緩存起來，然后不斷的讀取數(shù)據(jù)，直到期望的特征數(shù)據(jù)出現(xiàn)為止。4）在不斷的讀取數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該在每次讀取之間sleep一小會(huì)，以保證下次盡量能夠讀到數(shù)據(jù)。

2.2 通信協(xié)議

電梯監(jiān)控終端提供給監(jiān)測中心的信息內(nèi)容包括：電梯號、電梯狀態(tài)運(yùn)行方向、所在樓層、載荷、檢修/自動(dòng)、消防、急?；芈?、門聯(lián)鎖回路、門狀態(tài)、變頻器故障狀態(tài)、正常/超載、自動(dòng)/檢修、開門/關(guān)門電等。通信協(xié)議共5字節(jié)，包頭為1字節(jié)、數(shù)據(jù)內(nèi)容3字節(jié)、校驗(yàn)1字節(jié)。數(shù)據(jù)內(nèi)容Byte2-4具體表示如表1所示。

采用通信包頭與數(shù)據(jù)內(nèi)容按字節(jié)求和取反加1作為校驗(yàn)字節(jié)。監(jiān)控中心收到數(shù)據(jù)后按字節(jié)相加如果結(jié)果為全0則認(rèn)為接收數(shù)據(jù)正確。

表1 數(shù)據(jù)內(nèi)容Tab.1 Contant of data

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)電梯運(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)一控制和協(xié)調(diào)管理。底層采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通信技術(shù)，通過GPRS技術(shù)獲得電梯的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息從而使監(jiān)控人員能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行分析和處理[9-10]。基于GPRS的電梯RTU主要可以實(shí)現(xiàn)以下幾類功能。

1）能夠?qū)o急情況實(shí)施快速處理。由于RTU是實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯運(yùn)行狀態(tài)并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，這樣電梯發(fā)生故障后電梯會(huì)將各類故障信息自動(dòng)上傳至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可以根據(jù)電梯故障信息準(zhǔn)確定位故障原因并通知維保人員立即維修。

2）每部電梯的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)都會(huì)上傳至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可以為每部電梯建立運(yùn)行數(shù)據(jù)庫，利用電梯專家系統(tǒng)可以以對每部電梯進(jìn)行診斷分析。監(jiān)控系統(tǒng)也可以對每部電梯的歷史運(yùn)行情況、歷史故障情況及維修及保養(yǎng)記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并統(tǒng)一管理。

隨著電梯技術(shù)的開發(fā)研究，電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)作為技術(shù)服務(wù)及市場競爭的重要手段，已經(jīng)從幕后走向了前臺。因?yàn)榇搜邪l(fā)技術(shù)先進(jìn)且成本低廉所以遠(yuǎn)程電梯監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的，本系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，可靠性高具有很好的推廣價(jià)值。

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