電梯物聯網終端硬件設計

摘要：目前大部分電梯是單機運行，不能做到遠程監測和管理，也不能對電梯運行狀況進行實時監管，一旦發生故障得不到及時維修，存在嚴重的安全隱患，因此需研制一種低成本、高可靠性、網絡化的電梯物聯網系統，實現對電梯運行狀態的全面集中的遠程監測和管理。文章介紹了以Exynos 4412 SCP為核心設計的電梯物聯網硬件終端方案。

關鍵詞：電梯；物聯網；終端硬件設計；電梯故障；電梯運行 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP311 文章編號：1009-2374（2016）23-0010-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.004

1 電梯物聯網終端硬件設計方案

電梯運行中關人、夾人、蹲底、沖頂、溜梯等事故的發生依然較為頻繁。這些事故和故障的發生大多是由于對電梯維護管理不規范而造成的，從技術角度而言，都是可以避免的。

因此，實現對電梯的規模化、集中化的實時高效維護管理刻不容緩。推進物聯網技術的應用，提高電梯維護管理水平，已成為現代社會發展的一個重要研究課題。圖1為電梯物聯網架構圖：

在電梯物聯網方案中，電梯物聯網終端被安裝在電梯工作現場，與電梯控制柜中的主控系統直接相連，實現了與電梯系統的緊密結合，能夠獲取準確的電梯參數，實現特征參數解碼以及緊急情況消息的處理。本文所設計的電梯物聯網終端是由主控模塊、以太網接口模塊、JTAG接口模塊、RS485_CAN BUS通信模塊、現場語音提示模塊和電源管理模塊組成的，其組成框圖如圖2所示：

其中，CAN接口模塊和RS485接口模塊，均負責提供與電梯主控系統直接相連的接口，采集電梯I/O參數并將其轉換成與主控模塊相兼容的信號電平，消除噪聲干擾以保證獲取數據的可靠性；以太網接口模塊提供與局域網相連接的網絡接口，能夠將以太網幀送入電梯物聯網網關或從電梯物聯網網關接收以太網幀；現場語音提示模塊由專門的語音播報芯片組成，負責根據主控模塊的控制指令選擇播放存儲在其內部的提示語音，具備音頻播放功能；電源模塊為各功能模塊提供正常工作所需的穩定電源；JTAG接口模塊提供下載和調試程序的接口。本文對主要模塊設計做了詳細介紹。

2 主控模塊設計

主控模塊是由主控芯片Exynos 4412 SCP及其外圍電路組成的。主控芯片Exynos 4412 SCP是三星電子（Samsung Electronics）生產的基于32位RISC的Cortex-A9四核微處理器，Exynos 4412 SCP采用128位內部總線架構和許多強大的硬件加速器，為移動通信服務提供優化的硬件性能。

3 RS485/CAN BUS接口模塊設計

目前，電梯控制系統中較為常見的通信接口是RS485接口和CAN BUS通信接口。本文針對這兩種常用接口模塊做出設計方案。RS485接口模塊是由SN65176BD及其外同電路組成的，其電路原理圖如圖3所示；CAN BUS接口模塊是由MCP2562T及其外圍電路組成的，其電路原理圖如圖4所示。

在RS485接口模塊中，RS485接口是與電梯主控系統直接相連的接口，終端匹配電阻吸收雙絞線上的干擾信號，增強RS485接口模塊的抗干擾能力。SN65176BD芯片通過RS485 DIR引腳接收來自主控模塊的接收器/發送器使能控制信號。當RS485 DIR為低時，SN65176BD芯片的發送器被禁止，接收器有效，電梯I/0參數由RS485接口引入，經RS485A、RS485B段進入SN65176BD，經過轉換后信號由RXD0進入主控模塊，此時主控模塊可以接收來自RS485總線上的電梯I/O參數。當RS485 DIR為高時，SN65176BD芯片的接收器被禁止，發送器有效，主控模塊可經TXD0引腳向電梯主控系統發送經授權的控制信號。

在CAN BUS接口模塊中，CAN BUS接口是與電梯主控系統直接相連的接口，終端電阻吸收雙絞線上的干擾信號，增強CAN BUS接口模塊的抗干擾能力。MCP2562T芯片通過STBY引腳接收器/發送器工作模式，從而實現數據的通信。

4 以太網接口模塊設計

本文中電梯物聯網終端的以太網接口模塊選用代為康半導體（Davicom Semiconductor）的DM9621NP，其是一款集成嵌入式SSRAM緩沖包的高性能的以太網控制器。它基于IEEE802.3和IEEE802.3u標準實現了以太網功能。DM9621集成了10/100Mbps以太網PHY簡化系統設計并且提供媒體獨立接口（RMII）。

以太網接口模塊電路原理圖如5所示：

5 現場語音提示模塊設計

現場語音提示模塊是選用歐勝微電子（wolfson microelectronics）語音芯片WM8960，其是歐勝（WOLFSON）電子推出的一款低功耗、高質量的音頻編解碼芯片。主控芯片Exynos 4412通過I2S總線接口和I2C總線接口與音頻編解碼芯片WM8960進行交互，其中I2S接口傳輸聲音數據、I2C傳輸控制信息、WM8960接收音頻數據完成編解碼功能。WM8960原理圖如圖6所示。

對于聲音信號需要對音頻數據進行采集與播放。采集是對模擬聲音信號進行采集、用數字量進行標示，通過ADC模數轉換器來完成。播放將以數字量的形式保存在緩沖區里面的音頻數據恢復為模擬信號輸出，通過DAC數模轉換器來完成。WM8960同時具備采集和播放所需的ADC與DAC，錄音的時候，對模擬聲音信號采樣，通過內置ADC將模擬信號轉換為數字量，經過I2S控制器將轉化為的數字量存放在音頻芯片內存中；播放的時候，從音頻芯片內存中讀取數字量，經I2S控制器將數字量傳輸給WM8960，通過內置DAC將數字量轉換為模擬量播放出來。在圖6中，主控芯片Exynos 4412的Xi2s0LRCK/PCM_0_FSYNC連接到了DACLRC，XEINT18/KP_ROW2/ALV_DBG14連接到了ADCLRC。ADCLRC和DACLRC分別是輸入輸出的左右聲道時鐘引腳。當采樣的時候，首先將采樣數據傳輸到左聲道緩沖區，然后將下一個采樣數據傳輸到右聲道緩沖區，然后又傳輸到左聲道緩沖區，依次往復；當播放的時候，首先將左聲道數據提取出來播放，然后是右聲道數據，之后又是左聲道數據，依次往復。Xi2s0SDO_0/PCM_0_SOUT連接到了DACDAT數模轉換數字音頻信號輸入引腳，Xi2s0SDI/PCM_0_SIN連接到了ADCDAT引腳。DACDAT從內存里面取出的數據經IIS控制器傳輸給編解碼芯片，數模轉換后播放。采樣的模擬信號轉換為數字信號之后，從ADCDAT輸出，經I2S控制器傳遞給內存。采樣速率及串行的音頻數據的輸入輸出，則由連接至MCLK與BCLK的主控芯片Exynos 4412來控制。WM8960的SCLK和SDIN引腳接至主控芯片Exynos 4412的I2C總線接口第一個通道，通過主芯片實現對WM8960的配置。

6 電源模塊設計

電源管理芯片選用三星電子（Samsung Electronics）S5M8767A，其是為移動應用而設計的一種先進的電源管理IC（PMIC）。其中包括雙相降壓轉換器，各種高效率的降壓轉換器的LDO、RTC等。S5M8767A的降壓轉換器為ARM核心/高速緩存、內部邏輯、內存等提供穩定的電源。三個高負荷的降壓轉換器在應用處理器方面也提供最佳的電源控制。不同的LDO提供適當的權力應用在每個I/O和功能塊，有助于CPU支持各類設備。可開啟和關閉每塊LDO，實現功率優化。原理圖如圖7所示。

7 JTAG接口模塊設計

聯合測試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）接口模塊主要用于對主控芯片內部進行測試和程序代碼的燒寫，支持程序的在線仿真、調試。其中JTAG的nSRST引腳接收來自主控模塊的RESET信號，完成電梯物聯網終端開發板的復位。其JTAG接口模塊采用5線制調試接口，即JTRST、JTDI、JTMS、JTCK、JTDO，分別對應測試系統復位、測試數據串行輸入、測試模式選擇、測試時鐘和測試數據串行輸出。JTAG接口模塊采用20針JTAG接口連接標準，通過此接接口可對主控芯片內部所有資源進行編程。原理圖如圖8所示：

8 結語

現階段電梯物聯網應用的火熱主要源于政府的各種激勵和扶植政策，但是整個產業的發展還需要技術的革新、產業鏈的拓展，當然最重要的還是市場的需求。只有電梯物聯網的發展真正給政府、電梯企業、維保單位、物業公司和電梯用戶帶來了利益和便利，才能獲得更加廣闊的市場空間，全方位地促進電梯行業的發展。

參考文獻

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作者簡介：徐曉龍（1979-），男，山東青島人，上海交通大學電子信息與電氣工程學院工程師，研究方向：機電控制。

（責任編輯：黃銀芳）