基于物聯網的電梯數字對講系統設計

付道軍，陳麗娜（廣州廣日電氣設備有限公司，廣東廣州　511447）

基于物聯網的電梯數字對講系統設計

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

關鍵詞：數字對講機；物聯網；RF無線通訊；CAN總線

0　引言

隨著社會生活城市化，現代化建設的不斷發展，電梯已是與人們生活密切相關的現代化設備。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了。電梯對講系統是電梯必備的部件，它不光是解決上述突發事件的有效手段，是電梯解決故障時的應急設備，也是電梯調試維護的重要設備。所以，重視電梯對講系統的研發設計，提高電梯對講系統的性能，就顯得尤為重要。下面介紹公司自主開發的基于物聯網的電梯數字對講系統。

1　系統介紹

常見的電梯對講系統是五線式的模擬信號傳輸的模擬對講機[1-3]。基于物聯網的電梯數字對講系統方案（以下簡稱本系統）是在電梯五方通話對講系統的基本架構下，使用新型的語音芯片研發生產的一款全數字有線、無線混合通訊對講系統[2-3]。本系統采用了國際先進的語音處理技術、CAN總線通信技術及2.4G無線通信技術進行語音數據的編碼、解碼及組網傳輸，產品具有組網靈活、通訊穩定、語音清晰、擴展性強、傳輸距離遠、低功耗、低故障率等優點。

2　系統總體設計介紹

2.1系統組網方案設計

基于物聯網的電梯數字對講系統方案的組網方式有兩種，電梯內部組網和電梯系統之間組網。

電梯內部的組網，電梯內五方通話對講系統是由機房分機、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。行業規范從安全性考慮，所有的分機統一用有線連接。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會共用一個值班室主機。這些不同電梯之間的對講系統就需要一個組網過程[2-3]。

電梯之間的組網分為三種，分別是有線組網方案、無線組網方案及有線、無線混合組網方案。其中混合組網方案的拓撲結構圖如圖1所示。

根據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。將所有電梯之間的組網都使用CAN通訊無線路由器連接組網，就是無線組網方案。根據用戶需要和現場使用環境情況可以靈活方便地設計電梯間對講系統的組網方案。

2.2系統模塊的配置

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系統功能設計

語音傳輸采用全數字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絡線連接組網，也可以采用2.4G CAN總線無線路由器連接組網或有線無線混合組網模式組網。

無線路由可實現多層級鏈路組網，可自定義網絡層級和鏈路順序，實現無線通信的定向、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，或混合組網的不同組網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五方對講。廣播級通話音質，聲音逼真、清晰。

系統可對組網分機進行自動巡檢，能及時診斷和定位網絡異常設備，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聽，分機處無任何察覺。可配接監控統計軟件，以監控統計分機的報警起始時間、通話時間等。可配接視頻控制器，實現視頻聯動。

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

圖1　電梯數字對講系統CAN總線有線，無線混合組網方案拓撲圖

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，是將電梯系統內部對講系統和外網實現連接的節點。是真正實現三網融合的核心部件。應用硬件組成示意圖如圖2所示。

圖2　CAN總線電梯數字對講系統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通信總線數據線用于和電梯井道內的對講機語音的數字信息交換。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絡，實現和電話網絡直接相互直撥和通話。TCP/IP網線，實現了將電話機接入互聯網上，USB通信、RS 232通信等接口及數字及功能鍵鍵盤，可以實現廣播、視音頻切換、Socket遠程數據上傳、系統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、時間等參數進行設置；用于報警監控時，與管理主機組合一起使用可實現撥號、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。可以廣播級通話，音質清晰。各分機先向同一電梯分機報警及對講。在一分鐘內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。管理中心下撥本梯電話時，轎廂分機自動優先接通，梯內其他分機摘機后，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協議2.0A和2.0B[5]。CPU的CAN收發接口通過光耦與CAN收發器MCP2551相連，實現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AMBE，具有語音音質好和編碼波特率低、功耗低的優點。轎廂內分機用按鈕接口，其他分機使用手柄接口。Flash Memory用作數據存儲，可以存儲分機號，控制中心電話號碼，系統設置的功能，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絡，可以按預設的電話號碼直撥外線，實現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或有線無線混合組網模式組網。無線路由可以實現多層級鏈路組網，可以自定義網絡層級和鏈路順序，實現無線通信的定向、定位和定序傳輸。有效傳輸距離大于1 000 m以上。單網容量99臺電梯。不同組網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]。部件原理架構和對講機分機的接近。RS232通訊接口做調試、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芯片開發而成[7]。射頻收發器工作與國際ISM頻段2.400~2.4835 GHz。射頻收發內核的配置通過射頻收發器的寄存器映像進行，寄存器由MCU通過雙向的片內SPI接口來訪問，并可在各種節能模式下工作。射頻電路見圖8所示。

3.4監控統計軟件

監控統計軟件安裝在電腦上，可統計、分析、打印報表，信息數據同步，可實時同步顯示每個分機的信息狀態（即待機、報警、通話三種狀態）。

統計信息全面，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、通話結束時間；可統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督。

4　模擬與數字對講系統方案比較

方案比較如表1所示。

5　結論

以上詳細介紹了基于物聯網的電梯專用數字對講系統的設計方案，由產品對講分機、監控中心主機、無線路由器及監控中心的監控軟件構成。用數字語音信息代替了傳統的模擬信號傳輸，極大地方便了對講系統擴展接入互聯網中。無線路由器的設計，拓寬了系統在實際應用中布局組網方案。系統設計架構清晰，設計性能指標的達到設計的要求。該系統具有使用費用低、實用性強、運行可靠、便于控制和易于安裝維護等優點，能夠解決組網布線難和難以維護管理的問題，在網絡拓展和監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　系統優勢對比表

參考文獻：

［1］李哲英.實用電子電路設計［M］.北京：電子工業出版杜，1997.

［2］陳永甫，譚秀華.現代通信系統和信息網［M］.北京：電子工業出版社，1996.

［3］陳永.集群移動通信機和對講機原理、使用及維修手冊［M］.北京：電子工業出版社，1997.

［4］楊春杰.CAN總線技術［M］.北京：航空航天大學出版社，2010.

［5］彭剛，秦志強.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應用實踐［M］.北京：電子工業出版社，2011.

［6］郭剛.AMBE-1000語音編碼-解碼器芯片及其應用［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絡節點設計［J］.電子技術應用，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。研究領域：嵌入式系統，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