基于NB-IoT的電梯安全遠程監控系統設計

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(湖北大學 物理與電子科學學院 鐵電壓電材料與器件湖北省重點實驗室，武漢 430062)

0 引言

隨著我國城市化進程的飛速發展，電梯數量持續倍增，電梯在現代建筑中的重要作用日益明顯，電梯高效、可靠、安全的運行，越來越多地引起了人們的關注[1]。但目前國內電梯行業的維護保養工作大多是物業部門外包給維保公司，電梯出現故障后由物業通知維保公司維修。而往往一個維保人員會負責幾十上百臺電梯，這就導致在電梯出現故障后，維保人員不能及時趕到事故現場，使受困人員長時間承受巨大的身心壓力。此外，維保公司與維保人員的變動會增大電梯故障分析與排查的難度，延誤維修時間。這些問題的聚集大為降低電梯的安全性與穩定性，電梯行業對建立健全的維修保養體系的呼吁日益強烈。

近年來物聯網技術不斷推廣，該技術廣泛應用于各行各業，具有非常好的應用價值。同時物聯網技術也進入電梯行業，成為政府與研究機構密切關注的課題，對電梯運行狀態在線監測和故障遠程報警的研究早已開始。其中，窄帶物聯網(NB-IoT)是萬物互聯領域的一個新興技術，其低功耗、廣覆蓋、大容量、低成本等優勢，使其可以廣泛應用于多種垂直技術[2]。NB-IoT的室內覆蓋能力很強，較GSM有20dB增益，尤其適合電梯遠程監控的通信場景。

基于此，本文設計了一種基于NB-IoT的電梯運行狀態信息遠程監控系統，具備同時監控十萬臺以上數量的電梯的能力。其采用NB-IoT技術實現低功耗、廣覆蓋、低資費的遠程監控數據傳輸，將電梯運行狀態信息發送至云端服務器，記錄并更跟蹤電梯運行情況，基于所記錄的數據實現有效地故障定位與分析，并預測部分故障的發生。同時該系統能及時通知維修人員，便于維修人員實施及時的救援與提供必要的心理安撫，極大縮短救援流程，端到端的進行有效且目標明確的救援。

1 系統設計

1.1 系統整體結構及工作原理

該系統的整體結構分為3個部分：信息采集終端設備、云端服務器管理平臺、移動智能終端[3]。其工作原理是:通過信息采集終端設備接連接電梯主板，采集電梯運行狀態信息并發送至云端服務器管理平臺；云端服務器管理平臺接收并整理分類電梯實時運行數據與故障信息，并通過web端呈現給用戶；移動智能終端則接受云端發送的數據，推送警告或報警至維保人員，提醒維保人員維修或定期保養電梯。其系統結構如圖1。

圖1 系統結構示意圖

1.2 信息采集終端設備設計

基于NB-IoT的電梯運行狀態信息遠程監控系統的信息采集終端設備由信息采集模塊、主控芯片MCU、五方對講模塊、攝像頭、以及供電模塊組成，其結構如圖2。

圖2 信息采集終端設備結構示意圖

1.2.1 信息采集模塊

本文所述電梯運行狀態信息遠程監控系統的信息采集模塊需采集電梯內部運行信息與故障信息。由于電梯主板具備信息存儲模塊，能夠存儲大量電梯故障信息，在日常的電梯維修工作中，維保人員手持終端連接電梯主板對信息進行解碼，定位故障詳情并定點維修。這一傳統維修模式需要專業維修解碼器，耗時耗力的同時并不易操作，延誤救援維修時間，新一代電梯運行狀態信息遠程監控系統呼吁自動采集電梯內部數據。然而實際應用中還需克服許多難題，如不同品牌電梯內部協議不同、協議保密、無通用協議、統一監管難度大等問題。

出于電梯運行安全考慮，遵循“只讀不寫”的第一安全原則：采集電梯內部運行信息的同時不更改其內部通訊協議，不涉及任何形式電梯控制與修改命令，僅限于電梯的監視數據。本文所述電梯運行狀態遠程監控系統與電梯的通訊線路CAN總線連接，通過CAN節點接收信息并采用通用協議格式對其進行重新編碼，并通過無線網絡傳輸實現電梯遠程監控體統與電梯之間的通訊[4]。該系統的信息采集模塊由CAN節點控制器、協議存儲器、編碼器組成，如圖3所示。

圖3 信息采集結構圖

1.2.2 五方對講模塊

電梯五方對講簡單講是指電梯對講系統中管理中心主機、電梯轎廂、電梯機房、電梯頂部、電梯底部這五方之間進行的通話[5]。電梯五方對講系統因其安裝快捷、操作簡單、反應迅速、音質清晰等特點，普遍應用于社區物業、電梯監控、電梯對講等。

在實際應用中，電梯五方對講系統常通過電話線與物業部門電話機相連接，用于電梯被困乘客與外界聯系。在電梯發生故障后，乘客手動按動電梯轎廂中的緊急按鍵聯系物業部門，再由物業轉告維保公司過來進行搶修。但這套通訊系統存在較大局限性，若無值班人員等候在固定電話旁，電梯被困人員將無法及時與外界取得聯系。

本文所述電梯運行狀態信息遠程監控系統的五方對講模塊連接電梯內部五方對講系統，將維修人員聯系號碼存入監控系統，被困乘客可通過電梯內部話機直接聯系維保人員，維保人員可大幅度縮短救援時間，端對端提供實時救援服務。此外，系統可設置多聯系人與呼叫優先級，全流程自動化跟蹤與推進，確保高效的及時救援。

1.2.3 NB-IoT無線通訊模塊

電梯運行狀態信息遠程監控系統采用NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網)通訊模塊，實現電梯運行狀態信息遠程監控終端與云端服務器之間的低成本低功耗的信息交互。

對比早已普及的GPRS技術，NB-IoT技術具有廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本等特點，基于運營商的投權頻譜，可廣泛應用于不同的物聯網垂直行業應用領域[2]。

NB-IoT設備能在消耗較低電量下維持監控裝置的正常運作，其電池壽命普遍在10年以上，且其對信息的安全性和可靠性都進行了較大的提升，減少了許多不必要的干擾問題，能很好地適用于電梯遠程監控系統長期通信；同時，NB-IoT技術信號覆蓋范圍高，穿透力強，能覆蓋地下車庫、地下室、地下樓道等普通無線網絡信號難以達到的地方，特別適應于電梯物聯這種多樓道作業環境；此外，因為NB-IoT技術對業務時延不敏感，可以連接更多的用戶，大量終端處于休眠狀態，一旦有數據發送，可以迅速進入連接狀態，能很好的適用于大規模的電梯物聯通信。

1.2.4 終端硬件設計

電梯運行狀態信息采集模塊采用基于Cortex-M3內核的32位低功耗微控制器STM32F103VCT6為主控芯片，實現信息的傳感、通信模式的優化、終端與云端信息交互[6]；系統具備攝像頭模塊，實現對電梯轎廂內的實時監控。維保公司與物業部門可通過Web端云端服務管理平臺查看電梯實時監控，及時了解電梯內部人員狀況；此外，信息采集終端設備具備獨立電源電路，外接220 V常用電，不從電梯機箱中引取電流，避免可能的電梯機箱用電隱患。

1.3 云端服務器管理平臺設計

本文所述電梯運行狀態信息遠程監控系統的云端服務器管理平臺接收信息采集終端設備采集的電梯數據信息，解析、分類、并儲存于云端數據庫中。

云端可查看電梯運行狀態實時信息與故障，如：電梯上行、下行、停靠樓層、運行狀態、實時監控、以及電梯故障詳情，方便維保人員了解電梯信息與快速故障定位；同時，云端能夠記錄維保單位、維保人員、維保記錄等信息，方便對電梯檢驗工作的記錄與監督；此外，云端具備智能統計與預測功能，能夠通過設定閾值通知維保人員對電梯進行定期檢修保養，智能分類統計電梯故障并預測電梯下次故障；

1.4 移動智能終端設計

電梯運行狀態信息遠程監控系統的智能移動終端接收云端發送的電梯故障統計與預測信息，提醒維修人員維修定期檢修保養電梯。同時，維保人員可通過移動智能終端APP登記電梯各部件的標準使用壽命與安裝日期，實現各部件的使用追蹤，減少維保人員的工作量。此外，維保人員可通過移動智能終端APP生成電子維保單，作為電梯維修保養結算憑證。

1.5 系統工作流程

系統的工作流程圖如圖4所示，信息采集終端設備采集電梯實時運行狀態信息，將數據發送至云端服務器管理平臺，由云端對數據進行解析、分類、并儲存。若數據中存在電梯故障信息，云端會智能識別電梯故障，并發送至指定維保人員的移動智能終端，提醒維保人員維修保養電梯。

當電梯發生困人時，被困乘客可手動按緊急按鈕，系統自動撥號至指定維保人員，實現維保人員與被困人員端到端溝通，完成有針對性的緊急救援。

圖4 系統工作流程圖

2 系統信息交互規范

在系統的工作過程中，信息采集終端設備，云服務器管理平臺和移動智能終端之間存在著大量的信息交互。然而，在信息交互過程很容易引起信息錯誤和隨機碼，從而導致系統的延遲與紊亂[7]。為了避免信息交互混亂的發生，系統各大重要信息交互需要定義詳細的網絡傳輸幀結構。

2.1 設備注冊與響應

設備在上電后，向云端服務器管理平臺發送設備注冊請求包。云端管理平臺查詢該設備的注冊狀態，若該設備未注冊，則檢查終端身份識別碼的合法性，合法則進行注冊并發送注冊成功響應包，不合法則發送注冊失敗響應包。若該設備已經注冊，則直接發送注冊成功響應包。

信息采集終端注冊請求包與云端服務管理平臺響應包如表1與表2所示，其中包頭與包尾由兩個特定字節表示協議頭與協議尾；流水號從零開始遞增，逐條計數到 0xFFFF后歸為0，上傳下發數據包分別計數;狀態消息碼表示本包數據的功能;終端識別碼由平臺產生，用于識別終端設備；是否成功字節，用0x30表示發送失敗，0x31表示發送成功。

表1 注冊請求包通信字節字段

表2 注冊響應包

2.2 心跳請求與響應

為確保信息采集終端設備與云端服務器管理平臺的長時間穩定連接，終端需每隔幾分鐘發送一個固定信息包給云端服務器，云端收到后回復固定信息，即心跳包[8]。如果云端服務器幾分鐘內未收到終端心跳請求包或沒終端未收到心跳響應包，則兩者之間連接中斷掉線。使用心跳包機制可提高長連接的?；詈蛿嗑€處理，一般情況下，設置判定時間為30秒左右。電梯信息采集終端心跳請求包與云端服務器管理平臺心跳響應包如表3～4所示。

表3 心跳請求包

表4 心跳響應包

2.3 電梯運行狀態請求與響應

通過設定指定時間閾值，信息采集終端設備每隔一段時間自動采集電梯運行狀態相關信息數據，并發送電梯運行狀態數據請求包給云端服務器管理平臺，云端服務器接收成功后發送響應包給信息采集終端設備。然后由云端服務器對數據包進行解析、分類、存儲。

電梯運行狀態信息請求包與響應包如表5，表6所示，其中當前服務模式有：停止服務(0x30)、正常運行(0x31)、0x32(檢修)、消防返回(0x33)、地震模式(0x36)等；轎廂運行狀態、運行方向、開鎖區域、電梯當前樓層等顯示電梯實時運行詳情：停行、上下行、樓層鎖開關，樓層等信息；累積運行時間與次數顯示電梯服務時長與次數，便于后續統計管理。

表5 電梯運行狀態信息請求包

表6 電梯運行狀態信息響應包

2.4 電梯故障數據請求與響應

當電梯發生故障后，信息采集終端設備采集電梯故障數據，并發送電梯故障數據信息請求包至云端服務器管理平臺，云端服務器管理平臺根據接收狀態發送響應包給信息采集終端設備。然后云端解析、統計、分析故障信息，并通知維保人員完成維修。

電梯故障信息請求包與響應包如表7及表8所示，列舉其中部分故障，如：安全回路故障、沖頂故障、蹲底故障、運行超時故障、反復開關門故障、長時間開門故障、非平層停梯故障、樓層位置丟失故障、抱閘故障、門鎖故障、停電故障以及故障拿個發生時間等。

3 實驗結果與分析

經過愈6個月的運營實驗，本文設計的電梯安全遠程監控系統，適配巨人通力、日立、?？松⒂来蟆W的斯、優耐德等市面上大部分電梯品牌，現總共入網電梯1 327部，部分電梯信息的統計結果如表9所示。

本系統適配酒店、商場、學校、居民區等多種場合，現已有入網單位132家，統計結果如表10所示。

電梯實際運行中常見故障有：安全回路故障、門鎖故障、長時間開門故障、困人等，本系統現已接到報警94次，其統計信息如表11所示。

表7 電梯故障信息請求包

表8 電梯故障信息響應包

表9 入網電梯信息統計

表10 入網單位信息統計

表11 電梯故障信息統計

根據系統云端記錄的工單數據，如表12所示，電梯報修到維修完成時間(即工單處理時間)為：時間<1 h、1～3 h,、3～12 h分別占29.79%、42.55%與14.89%。其維修速率明顯優于常規電梯維修保養速率。

表12 工單數據信息統計

由上述結果可知，本電梯運行狀態信息遠程監控系統具備良好的電梯適配性，能靈敏檢測電梯常見故障，大幅度提升電梯的安全運行程度，對制定電梯行業規范制度、增加電梯行業透明度以及節省電梯行業資源有顯著作用。

4 結論

本文設計一種基于NB-IoT的電梯運行狀態信息遠程監控系統突破了現有電梯維修救援模式，在提高工作效率的同時大幅度節省電梯日常人力物力的消耗。該系統可為被困乘客、物業、維保公司、乃至政府監管部門提供便利的服務。

對于電梯乘客，當遇到危險時可通過手動按動電梯緊急按鈕，直接與維保人員進行語音溝通，省掉了中間環節，大幅縮減救援等待時間。且其通過設置多聯系人，可確保救援及時性，無需擔心無人響應問題。

對于政府監管部門，可通過云端查看電梯事故發生率與救援過程可視化，了解不同品牌電梯安全性能與維保公司工作效率，便于政府部門掌握電梯市場，制定相應的安全保障制度，促進電梯安全運行。

對于物業與維保公司，可實時監控電梯信息，了解電梯運行數據與維修保養記錄，實現電梯的全生命周期信息的可視化追蹤。且其故障統計功能與定時保養功能，極大方便維保公司對電梯的管理與維護。

本物聯網系統可大幅度提高效率，合理、有序、高效地完成電梯的日常維護保養任務與乘客安全救援工作。