基于u COS- II 實時系統電梯目的樓層派梯控制器的開發

李豪

（上海銀欣高新技術發展股份有限公司，上海200040）

在一些安全措施嚴格的場所中，管理者希望能夠對樓宇內各類人員的出入進行更安全、更有效的管理。傳統的電梯控制方式從利用效率和安全的角度已經很難滿足管理者的需求。如何提高電梯的有效利用率、節約乘客的等待時間、降低電梯運行的損耗、保障公共場所的安全性，電梯控制管理顯得尤為重要。

1 需求分析及總體設計

1.1 需求分析

電梯目的樓層派梯控制器是新型現代化安全管理系統，它集微機自動識別技術和現代安全管理措施為一體。使用電梯時，不同的人員有不同的權限分配，乘坐電梯的人員只能進入經過授權指定的區域，并且可根據日程表授權管理。控制器可以對進出的人員進行身份識別，并記錄每個人的出入時間，它與門禁系統組成一個強大的安保系統網絡，保障出入口的安全。

利用該技術電梯目的樓層派梯控制器實現低功耗、安全性、實時性、可靠性、開放性的新型模塊化產品，改善了現有技術模式，降低了硬件成本，提升電梯使用壽命和利用效率，達到節能減排的目的。

基于上述需求開發了基于一卡通平臺的電梯樓層派梯控制器。

1.2 總體設計

控制器采用32 位ARM處理器，技術成熟、集成度高、可靠性好、可擴展性強、運行速度快，可同時進行復雜的實時運算；控制器軟件采用uCOS-II 實時操作系統，多任務并發處理能力強，實時性高，而且可靠性、可移植性和安全性都比較高，做到精簡系統內核、算法、降低功耗和節能減排、降低軟硬件成本，適應未來網絡發展要求[1]。

針對傳統電梯上述的缺點，電梯目的樓層派梯控制器主要在安全性和高效率兩個方面做了大量的改進。

1.2.1 安全性方面：乘客在使用電梯時，只能通過刷卡或者人臉識別的方式乘坐電梯。所有的樓層，必須先經過系統管理者的授權。使用電梯時，不同的乘客分配不同的權限，該權限只能到達經授權指定的樓層。

當派梯控制器發生故障或者與電梯群組控制器KGC 之間網絡無法連接時，電梯可以采用約定好的配置，使電梯全部開放或部分樓層鎖定，通過觸控屏選擇要去的樓層。保證人員的正常使用，和重要場所的安全。

1.2.2 使用效率方面：乘客通過閘機出入口通道時進行身份識別，預判乘客將要到達的樓層，通過組織合理的算法，有效的分配使用電梯，電梯群組控制器KGC 優先把去往同一目的樓層的乘客分派到同一轎廂中，以便減少電梯的停靠次數，提升電梯運行效率，節約乘客等待時間。提高用戶體驗、達到高效利用和節能的目的。

派梯系統涉及到的關鍵技術主要有：

（1）主控單元采用STM32F103RCT6 和STM32F103ZE 兩款低功耗嵌入式控制芯片；協同工作，分管數據采集、輸入輸出和系統多任務運行，數據分析操作，做到了實時、穩定。

（2）采用DM9000 快速以太網MAC 控制芯片。

（3）采用LWIP 協議棧，使控制器具備網絡通訊的功能。

圖1 派梯控制器系統組成

（4） 開放式設計兼容多種前端輸入設備，2 路Wiegand 26/34，2 路RS485。

（5）大容量低功耗數據存儲芯片，可保存10 萬條身份信息和10 萬條事件記錄。

（6）具有消防聯動的硬件接口。

（7）具有實時時鐘，能為設備提供準確的系統時間。

（8）遠程在線升級/Remote IAP 技術，方便系統升級維護。

（9）設備可移植性，采用驅動加應用的方式實現，減小對底層硬件設備的依賴，對將來降低成本，及市場采購情況變化更有利應對，更換硬件更方便。

（10）實時性，產品運行過程中對輸入狀態的分析，并產生及時的輸出控制，提高整個系統的及時響應。

（11）開放性，操作接口開發給后臺監控平臺，方便用戶定制使用和配置。

2 電梯目的樓層派梯控制器設計實施

2.1 派梯控制器硬件

2.1.1 主控單元

圖2 主控單元的結構框架

控制器主控單元的設計采用了兩片低功耗嵌入式微控制器芯片來協調工作，控制芯片采用高性能32 位工業級STM32F103RCT6 和STM32F103ZET6 CortexTM-M3 架構的ARM芯片。可在3.3V 工作電壓下，工作頻率是72MHz，RISC 內核；在外圍模塊全部處于運行狀態，芯片處于最高運行頻率下，功耗只有60mA，而在關閉外圍模塊，芯片處于休眠狀態下時，功耗甚至可以低到1.4uA。芯片內運行uCOS-II 實時操作系統，各功能采用模塊化設計，可移植、可擴展性強，簡單高效。

2.1.2 外部設備信號采集單元、輸出單元

外部設備信號采集單元（Wiegand26/34、DI、DO）通過CON端子連接到主控單元控制芯片STM32F103RCT6 芯片上，輸入輸出單元與主控單元之間設置有排阻，排阻的作用是給信號線提供一個驅動電壓，使之傳輸更穩定，傳輸距離更遠，用來抵消線路上阻抗對信號的損耗。在韋根信號或DI、DO 信號到達主控單元的控制芯片時，觸發STM32F103RCT6 芯片中斷處理程序，開始分析采集到的數據，并將數據送達至STM32F103ZET6 芯片，由該芯片讀取存儲單元，分析采集到的數據，結合當前的時間，把數據轉換成電梯控制協議，通過TCP/IP 通道上送至電梯群組控制器KGC；同時將處理結果返回給STM32F103RCT6 芯片，由STM32F103RCT6 芯片對輸入輸出單元進行相應的操作。

2.1.3 身份識別端RS485 通信

為了提高樓宇的安全性，防止持卡人的卡片信息泄露，在出入口閘機通道控制系統中，信號采集單元為外接RS485 接口的非接觸式國密CPU 卡讀卡器和人臉識別機。

派梯控制器通過RS485 總線與讀卡器、人臉識別設備連接。當乘客使用電梯時，控制器將把讀取到的乘客身份信息與自身數據庫中保存的信息進行匹配驗證；匹配不成功，控制器把本次操作詳細信息保存到數據庫中，并上傳到服務器平臺，給出對應的警告級別；匹配成功，控制器將開放控制通道，并在硬件上作出相應的狀態指示，把接收到的RS485 數據轉換成電梯協議格式，通過UDP 報文發送給電梯主控制器。

2.1.4 網絡通訊

使用直接TCP/IP 10/100M 自適應的PHY 和4K DWORD值的SRAM。能在低功耗和高性能進程的3.3V 與5V 之間切換。控制器上集成了網卡，直接連換機就可以進行TCP/IP 通訊，無需外擴一些網絡轉接模塊，從而大大地降低了成本和現場布線的難度。支持遠程在線Remote IAP 技術對ARM主控芯片的在線升級。

2.1.5 儲存、RTC

采用增強型Flash 器件，提高了工作頻率并降低了功耗。串行閃存采用SST 專有的高性能CMOS SuperFlash技術制造。分離柵極單元設計（split-gate cell design）和厚氧化層隧穿注入器（thick-oxide tunneling injector）可實現更高的可靠性和可制造性。SPI 總線通訊，是一種高速的、全雙工同步的串口通信總線，收發獨立，可同步進行。并且在芯片的管腳上只占用四根線，節約了芯片的管腳，同時為PCB 的布局上節省空間，提供方便。系統時鐘采用ARM內部時鐘及外部RTC 雙時鐘模式，精準控制系統時間，定時校準。

2.1.6 電源供應

電源采用3A 電流輸出降壓開關型集成穩壓芯片，它內含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準穩壓器（1.23V），并具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路等，輸出精準電壓。

2.1.7 現場調試端口

現場調試端口，連接手持式多功能數據記錄儀用于現場參數配置、問題查找、功能測試、版本升級等工作。

2.2 派梯控制器配置軟件

2.2.1 派梯控制器在線升級/Remote IAP 技術使用

方便現場設備升級維護工作，產品設計之初就在功能模塊上預留出用于在線升級的資源，開發出了基于Remote IAP 技術的遠程升級模式，該調試軟件在現場得到了廣泛應用，工作效率高。網絡組建完成后，操作人員即可對線上派梯控制器進行升級維護。

圖3 Remote IAP 遠程在線升級工具

在調試軟件界面上搜索并選中需要升級的派梯控制器，把編譯好的BIN 文件通過UDP 報文下發至派梯控制器中；派梯控制器接收BIN 文件，校驗無誤后，把BIN 文件保存到儲存器中，修改軟件更新標志，重啟系統。系統首先運行芯片中的BootLoader，檢測軟件更新標志；如果標志沒有改變，則跳轉至用戶區APP 入口，運行原有程序；如果更新標志有變化，擦除用戶區原有程序，再從儲存器中讀出已寫入的BIN 文件，寫入用戶區，更新完畢后置位更新標志，跳轉至用戶區APP 入口，運行新的APP 程序。

2.2.2 派梯控制器的調試軟件

為方便項目現場的測試人員調試設備和配置參數，控制器在設計之初預留了一些功能模塊，可通過UDP 方式與上位機聯調，避免了現場工程師調試設備時四處走動，同時提高了工作效率。為保證設置參數的準確性，調試軟件可讀取設備中保存的參數來校對數據。

圖4 派梯控制器現場調試軟件

3 派梯控制器功能實現

乘客使用閘機通道一卡通控制系統與派梯控制系統，按以下流程操作：

3.1 對于權限驗證沒有通過的乘客，閘機通道閘門不打開，CPU 讀卡器或人臉識別機將發出長鳴警報，以便提醒乘客正確使用閘機；同時控制器把閘機位置數據和時間信息上傳至管理中心的安保系統，并在系統中彈出警報提示；同時輔助配合監控系統，便于核查該報警點的實際情況。

3.2 對于權限驗證通過，已設置默認目的樓層的乘客，在其通過閘機通道時，閘機系統將讀取乘客的默認樓層以及卡號和電梯前后門數據，閘門打開，同時將默認的目的樓層發送給電梯群組控制系統KGC，系統分派電梯的梯號將顯示在閘機入口屏幕上。

圖5 閘機呼梯指示和派梯控制器選梯指示

3.3 乘客錯過乘梯或者不想去默認樓層時，可到電梯門口觸控屏上刷卡自主選擇卡片中授權的樓層，如果卡片沒有授權其它樓層，持卡人只能選擇默認樓層或公共樓層。

3.4 派梯控制系統在乘客選擇授權的目的樓層之后，控制器屏幕會顯示分派的電梯標號、行走方向等引導信息。各層電梯的廳門附近都有梯號指示裝置。部署在轎廂內的指示裝置會向乘客按序顯示該梯將要停靠的多個樓層。

3.5 對于有特殊要求的乘客，比如使用輪椅的乘客或者VIP乘客，在授權時可配置相應的參數。即使是高峰期間，電梯群組控制器KGC 也會為其單獨分派一部轎廂，以提高使用人員的乘梯體驗。

3.6 派梯系統要求每位乘客都自主呼梯來實現派梯效率的最優，也可以按需要對受其管理的樓層設置權限要求或權限開放，其中大樓的出口層和公共樓層的權限是開放的，以便乘客在進入閘機刷卡后，無需再次通過身份驗證即可到達大樓的出口層和公共層。

3.7 針對同一張卡片，在同一個區域不同的電梯廳刷卡，顯示的樓層不一致的問題，分區授權可以解決樓層不一致的問題。出于安全的需要，同一持卡人，在未經授權的情況下，在同一棟大樓層的A 電梯廳乘坐電梯可到C 層，在B 電梯廳乘坐電梯則不能到C 層。

根據持卡人的權限需求，卡片中需授權的樓層分為多個區域，把項目中所有樓層統一起來，兼容所有樓層，制作出一種卡片樓層ID 和實際樓層ID 的關系對應表。在卡片授權時，同時選擇持卡人需授權的多個區域的樓層。電梯是按照群組區分的，同一群組的電梯樓層ID 都是一致的。所以，在派梯控制器中，不同電梯群組下的派梯控制器，定制不同的樓層關系映射表，通過調試軟件下發到派梯控制器中。控制器在上電啟動時，從儲存器中讀取映射表放到內存中，當有樓層數據需要轉換時，可以直接進行轉換。

目前該派梯控制器在上海國際金融中心項目中共安裝五百多臺，整體項目采用國密IC-CPU 智能一卡通系統，集成門禁、巡更、考期、梯控、消費、人員定位等系統。

4 結論

嵌入式實時操作系統應用于電梯目的樓層派梯控制器系統，實現電梯控制智能化、信息化、數字化，體現各門學課的集成。基于嵌入式技術的軟硬件調試工具更是降低了工程項目設計難度和應用障礙。改變了市場現有產品的常規技術及現場應用方式，促進安防行業產品升級換代、技術整合、產品調整、設計思路的改變。作為嵌入式產品開發人員應不斷學習新技術并應用于實踐，使產品更具競爭力，積極轉化為成果應用于項目中。不斷完善技術的開發，滿足客戶的需要，更加方便、靈活、可靠的適應客戶的需求。