基于STM32的電梯物聯網數據采集系統

廣西財經學院 信息與統計學院 蘭建華，朱韻溦，廖云翔，龐富，覃小淇

電梯物聯網是物聯網技術的應用之一，將智能技術應用于電梯行業，實現了用信息技術將電梯與生產廠家、用戶等數據信息的交互。近年來，全國各地頒布了許多電梯物聯網的相關政策，投入資金擴大物聯網技術的研究，展開電梯物聯網試點，電梯物聯網技術在萬物互聯中呈現出欣欣向榮的景象。2020年3月，我國出臺了多項信息網絡新型基礎設施投資政策；此后多個地方政府的工作報告都開始將5G網絡建設等作為2020年的重點投資方向，國內企業也積極響應。但是，目前電梯物聯網技術在國內還屬于新興事物，電梯物聯網的發展仍有諸多問題急需解決。例如，電梯用戶地域分布不集中，管理成本高；電梯故障發現以及處理不及時；維保人員無法滿足電梯故障處理以及定期維保。目前已有許多企業開始進行電梯物聯網的研究與開發，如深圳市愛豐達盛科技有限公司物聯網大數據平臺Libi-DataTM對SDT數據終端進行數據的入庫、存儲和分析處理，對電梯運行狀態進行實時監控，并且在平臺上部署基于機器學習算法的大數據分析引擎，自動建立電梯運行一梯一標準，在此基礎上實現對電梯運行故障進行大數據分析預測，及時發現問題，提升電梯的安全性。而本文設計實現的物聯網盒子正是為用戶提供電梯物聯網數據，為電梯企業和維保工作人員提供電梯的運行數據和維修保護管理；為企業提供電梯的運行狀態數據，從而能夠進行預防性檢修，提高電梯的可靠性、安全性。同時，設計本物聯網盒子支持以前安裝電梯的信息升級改造，對尚未支持物聯網的電梯通過安裝項目設計的物聯網盒子以后就可以實現電梯接入4G/5G物聯網。

一、電梯安全監控系統總體結構

電梯安全監控系統是電梯物聯網根據企業的實際需求，同時結合技術的可行性和可操作性的設計原則，以解決問題為主要目標，將物聯網技術應用于電梯的遠程安全監控系統，使企業更容易監控電梯。其主要包含三大主要模塊：設備感應、網絡傳輸以及業務應用，根據典型的物聯網架構設計了基于物聯網的電梯安全監控系統的總體結構。如圖1所示。

圖1 基于物聯網的電梯安全監控系統的總體結構

數據采集終端是設備感應層的實現，由廣東華凱電梯有限公司提供的實驗環境和技術支持，數據采集站安裝在電梯控制柜內，可與電梯控制設備通訊，實時采集電梯運行數據。

網絡傳輸層是通過具有SIM卡的4G互聯網單元實現的，數據收集站收集的數據通過網絡作為接收方的感應層和服務應用層之間的中間集線器，通過網絡發送到數據收集通信服務器，這是確保網絡環境穩定性的關鍵。

業務應用層對采集到的電梯運行數據進行展示，通過對故障數據的分析和處理，及時發送報警信息至客戶端，使電梯管理員可快速確認信息并立即對電梯故障進行處理。

二、數據采集子系統總體結構

數據采集子系統為設備感應的主要功能結構，基于STM32的電梯4G/5G物聯網盒子的設計，可應用與電梯實現數據收集。該物聯網盒子由兩個部分組成：STM32單片機開發板與4G/5G模塊；數據采集終端還包含數據傳輸串口USB轉RS-485轉換器。

數據采集終端可以實時采集各種電梯數據作為系統數據源。電梯控制器通過物聯網盒子實時收集電梯運行數據，掌握電梯運行狀態數據（運行狀態、載重狀態，當前所處樓層、門的打開和關閉狀態、橋內和廳外的呼梯信息等）。當電梯發生故障時，通過分析和判斷錯誤代碼，它包括可以實時收集的各種電梯故障信息：電梯電流檢測故障、電梯速度異常、運行中門鎖斷開、上下減速開關斷開、開關門故障、換層停靠故障等。

電梯數據傳輸采用modbus協議，開放性高、可擴充性強，以“主-從”的方式大大地提高了電梯監控數據的通信與傳輸，產品可以簡單可靠的接入網絡，實現系統的實時集中監控、分散控制功能。STM32單片機具有低成本，低功耗等特點，常用于設計高性能、低功耗的嵌入式應用。數據傳輸過程將STM32單片機作為modbus主機，電梯控制器為從機；主機發送命令到modbus從機，從機響應返回數據后，STM32與后臺服務器進行通訊鏈接，將采集到的數據推送至后臺服務器，后臺服務器解析并存儲數據，最后由電梯系統的微信小程序或App來展示數據，數據采集傳輸流程如圖2所示。

圖2 數據采集傳輸流程圖

三、數據采集模塊功能

數據采集子系統由兩個主要部件組成：基于STM32的電梯4G/5G物聯網盒子與通信設備。

（一）基于STM32的電梯4G/5G物聯網盒子

基于STM32的電梯4G/5G物聯網盒子能夠對電梯運行數據進行采集，可讀取電梯控制器數據端口以及人體傳感器輸出的電梯實時運行數據，獲取故障信息和轎廂乘客信息。轎頂信息采集實現轎頂人體傳感器的采集與傳送，轎頂信息與電梯機房傳輸采用有線或無線的傳輸模式。從電梯控制器（轉接板）數據接口、電梯轎廂頂上安裝的紅外傳感器采集電梯的實時運行數據、狀態信息和乘客信息，采集的電梯實時運行數據包括直梯的位置信號、運行方向、開關門狀態、運行狀態、速度異常信號、安全回路斷路信號、關門故障信號、啟動失敗信號、開門故障信號、內招指令信號和承重信號、運行時間和次數、供電中斷信號、轎廂內乘客感應信號、上下限位開關動作信號、檢修信號以及非操縱逆轉等。[1]

為電梯監控提供數據。盒子通過電梯無線中繼模塊，采集電梯運行系統內部數據，實時監測電梯當前的運行狀態，當電梯內出現有可能將要發生的故障信號時可在第一時間向電梯維護和物業搶修人員發送含有電梯當前詳細信息(包括電梯所在小區及具體位置、故障名稱、電梯所在層及運行方向、電梯內是否有人。保證檢修員快速發現問題并排除故障，實現電梯安全運行。

同時，該物聯網盒子可為電梯故障預警功能提供數據。將盒子收集到的電梯歷史故障數據通過算法進行學習訓練，智能化預測電梯故障發生的時間，提前做出警報；電梯企業能夠提前通知相關維保人員進行檢修，減少故障事件以及損失。系統24小時不間斷地分析電梯數據，一旦發現電梯出現異常數據，立即發送報警信息，解決了故障發現不及時的問題。數據采集子系統具有電梯維保考勤功能。當維保人員將電梯系統置于維修狀態時，盒子能夠為數據采集子系統將該狀態上傳至遠程服務器平臺而提供數據，明確維保時間、狀況等數據。

（二）設備通信

設備通信采用串口USB轉RS-485轉換器，傳輸電路芯片使用ADM2582E，支持半雙工/全雙工通信模式。在數據信號的傳輸中，轉換器內部獨有的I/O電路可自動控制數據流方向，并帶有零延時自動收發轉換，能夠將單端的USB信號轉換為平衡差分的RS-485信號發送給物聯網盒子，提供每線浪涌保護功率，以及各種原因在線路上產生的浪涌電壓并且極小的極間電容保證RS-485接口的高速傳輸，RS-485端通過RJ-45及DB9公頭的連接器連接。[2]

數據收集和通信服務器使用不阻塞的異步輸入/輸出通信技術，提高了系統的并發處理能力，防止系統因I/O阻塞問題而無法實時儲存數據，同時引入了諸如消息隊列和druid數據庫連接池之類的技術，監控臺系統并確保系統性能。在良好而可靠的網絡環境下，數據采集終端與數據采集通信服務器之間的通信通過網絡進行數據傳輸，更好地保證電梯安全監控系統的穩定高效運行。

四、結論

基于STM32的支持4G/5G網絡的物聯網盒子作為電梯數據采集子系統的主要核心部件，該盒子可為用戶提供電梯物聯網數據。利用STM32實時采集電梯狀態數據以及通過擴展實現電梯燈光、通風、空調、聲音、媒體廣告控制等功能；同時該物聯網盒子可以為電梯企業提供電梯運行狀態實時監控、故障報警、維修管理等功能，本盒子開發配套有云端Web管理系統以及移動端管理和查看程序（微信小程序和App）。為電梯企業和維保人員提供運行數據和電梯的維保管理，為企業提供電梯的運行狀態數據。企業獲取數據可以通過預測算法和機器學習進行電梯故障的預測，從而能夠進行預防性維修，提高電梯的可靠性、安全性，在其他人因故障被困在電梯時可以迅速地發出報警求助，讓救援時間大幅度縮短。同時，設計物聯網盒子支持以前安裝電梯的信息升級改造，以前尚未支持物聯網的電梯通過安裝項目設計的物聯網盒子以后就可以實現電梯接入4/5g物聯網，不僅降低了電梯物聯網的開發成本，還大大地提高了電梯數據監控效率。