杨　舰，谢广智

1) 广东技术师范学院电子与信息学院，广东广州 510665; 2) 广州市数字内容处理及其安全性应用技术重点实验室，广东广州 510665; 3) 广东日创电梯有限公司，广东广州 510410



电梯召唤通信系统的无线化处理与设计

杨舰1,2，谢广智3

1) 广东技术师范学院电子与信息学院，广东广州 510665; 2) 广州市数字内容处理及其安全性应用技术重点实验室，广东广州 510665; 3) 广东日创电梯有限公司，广东广州 510410

电梯井道环境对线缆有很大的影响，使电梯的制造和安装成本较高，且维护困难，为此提出一种点对点的无线电梯召唤通信系统．该系统以协调器为核心，通过无线单元完成与厅层终端节点的信息收发，通过RS485接口与电梯主控制器相连，取代原有线设备实现电梯系统召唤信息的采集、传输及处理功能．利用433 MHz频段良好的绕射性能，以处理器ARM M0516为核心，结合Si4665射频芯片，设计并实现单台电梯无线厅层召唤的原型系统，开发了协调器及厅层终端节点的软硬件电路．电梯井道现场测试结果表明，该系统不受轿厢位置、曳引机或变频器启停影响，在不同电梯运行状态下都可实现稳定的信号传输，且主芯片可自行定义协议参数，易融入原电梯整机系统．

无线通信技术；电梯召唤通信系统；射频；协调器；电梯主控器；厅层终端节点

传统电梯系统通过有线电缆连接厅层、轿厢与主控制器，完成系统间的信息传输和交互．一般情况下，主控制器置于井道顶端的机房，线缆由每层分别接入，在井道穿行后通过顶层抵达机房与之相连．受井道在建筑物的位置影响，井道经常处于或潮湿或高温或低温的恶劣环境，因此在温度、湿度和导电性等方面都对通信电缆有苛刻要求，楼层越高对电梯安全的要求也越高，这使线缆制造和安装成本居高不下．电梯投入使用后，电缆是日常维护的检验重点之一，维保人员不仅要点对点检测线缆通断状况，还要检查是否存在因磨损或腐蚀导致的线缆裸露，以确定是否需要更换线缆，对高层电梯而言这项检查尤其麻烦，检测难度较大．

若以无线取代有线作为电梯系统的信息传输方式，上述问题可迎刃而解，不仅能减少制造安装成本，且能降低维护难度，减少维护成本，因而日渐受到关注[1-3]．2002年，株式会社日立制作所获得了一项用于电梯召唤的小功率无线收发单元的美国发明专利[4]．该专利采取小功率器件建立逐层传递模型，为完成轿厢与主控制器间的远距离信息传输更改了传统电梯的机电结构，但因改造成本过大，至今无产品投入市场．为解决改造成本问题，Yang等[5-8]尝试采用ZigBee技术开发电梯无线召唤通信系统，但ZigBee是2.4 GHz工作频率的代表技术，此类设备的信号传输距离短，传输过程衰减大，信号绕射能力弱，易被物体遮挡，因此，在电梯系统中的应用效果并不理想．

事实上，目前通用的电梯系统在各厅层、轿厢终端都可提供不间断电源，足以支持无线模块持续工作，因此，本研究建立以协调器为中心的点对点的电梯无线召唤通信系统，采用星形拓扑结构，以置于井道上与电梯主控制系统相连的协调器为核心，每个楼层设置的层站终端为节点，借助原电梯系统的电源供给，使每个层站终端都可与协调器点对点直接联系．本系统不采用小功率器件实现无线收发功能，也无须更改传统的机电结构，就能实现远程无线传送，在经济角度上完全符合工业化要求．

考虑到433 MHz信号强、绕射能力强及传输过程衰减较小等特点[9-15]，且能够绕过在井道中穿行的轿厢而抵达目的地，因此本研究选择工作频率为433 MHz的射频Si4463器件作为系统收发模块的主芯片，结合嵌入式微控制单元(microcontroller unit，MCU)设计并实现射频技术的电梯无线召唤通信的原型系统．文献[16]首次将433 MHz技术与电梯系统结合，用于电梯远程监控系统，但也仅是将433 MHz通信模块用作电梯系统的外设，通过无线数据交换器的转接与后台监控模块相连，并未真正涉及电梯系统内部控制环节，这与本研究将433 MHz技术直接用于电梯控制系统存在本质差异．通过在电梯井道中对所开发的原型系统进行现场实测的结果表明，该系统完成了原有线系统能实现的功能，在复杂的井道电磁环境中信息的传输具有一定的稳定性和可靠性，能够与电梯整机系统实现无缝连接，工业应用前景好．

1　系统架构

无线召唤通信系统需要与电梯主控制器(视为上位机)交互信息，为适应不同类型整机系统，需先采取模块化的方式完成系统设计，再使系统与主控器之间通过标准接口完成信息的互换．

系统设计涉及协调器、厅层终端节点和轿厢终端节点，由于433 MHz频段的射频信号能够绕射，因此本研究建立了如图1的点对点电梯无线召唤通信系统拓扑．其中，协调器与电梯主控制器通过线缆相连，其他模块采用433 MHz频段无线通信．轿厢终端与厅层终端在拓扑结构中处于同等位置，故将其视为特殊的厅层终端节点，不另作说明．

图1　电梯无线通信系统的星形拓扑Fig.1　Star topology of wireless communication system for elevator

协调器是星形网络拓扑的核心，很容易成为影响系统性能的瓶颈，在设计中要特别考虑信息收发和数据处理的速率问题，尽量减少数据处理步骤，加速数据转发过程．

2　通信协议

2.1数据结构

在设计电梯召唤无线通信时，厅层终端节点与协调器节点间的数据包采用固定的格式，数据包结构如图2，包括控制信息(优先级)、源地址、目标地址、数据信息和校验信息．

由图2可见，数据包的第1字段为控制信息，即信息的优先级别，从高到低分别表示为“00”、“01”、“10”和“11”；第2字段和第3字段为地址信息，其中初始地址表示发出数据的源终端地址，可由此追溯信息来源，而目标地址为数据传送的终点；第4字段为数据类型信息，用来区别信息的类型，不同类型的信息在终端节点中的处理方法不同，在电梯召唤通信系统有6组不同类别的信息，分别以“000”，“001”、“010”、“011”、“100”和“101”表示；第5字段为数据信息，携带数据内容，其中数据长度因信息类型不同而异；第6字段为校验字段，是对该数据帧的前5个字段进行校验．

数据包中的优先级别、地址信息及数据类型的具体定义如表1．其中，优先级为“00”的信息对应电梯中“特殊召唤”请求，具有最高级别；同为乘客召唤请求，轿厢内部乘客比厅层外等候乘客优先级更高；召唤请求发送且电梯主控制器处理后回应了“确认”信息，才能点亮对应的召唤按钮灯，这意味着乘客按下召唤按钮直到灯亮期间，层站/轿厢终端节点与电梯主控制器间已完成一个周期的信息收发，该过程所消耗时间应该从乘客的心理承受度出发，是系统最重要的衡量指标．

表1　信息优先级及数据类型定义

2.2协议流程

在电梯召唤通信系统中，协调器与厅层终端节点的通信遵循一定的逻辑，为与整机系统无缝连接，本研究根据广东日创电梯公司常见梯种有线通信系统的既定做法，制定出对应的无线通信协议流程，如图3，流程包括4部分：① 初始化部分，主要实现节点上电注册流程、协调器与厅层终端节点关之间配置信息的同步流程；② 协调器请求和控制部分，主要实现协调器请求厅层终端节点传递信息、发送控制信息流程；③ 厅层/轿厢终端节点信息处理部分，主要实现发送数据报文、接收协调器数据报文和节点异常处理3个流程；④ 电梯主控制器信息处理部分，主要实现厅层召唤信息处理流程、发送确认信息流程．

图3　电梯无线召唤通信系统的协议流程Fig.3　Protocol flow of wireless call communication system for elevator

协调器与厅层/轿厢终端节点通信采用主从式轮询方式，协调器广播请求信息后，从1～n层依次接收终端节点的召唤数据包，并传送至电梯主控制器；主控制器收到所有数据包后处理为一组包括所有楼层召唤状态的确认信息，再送回协调器；协调器广播确认信息，各厅层终端接收到数据包后自行处理，点亮对应按钮灯．

3　系统实现

3.1协调器节点单元

3.1.1硬件设计及实现

协调器节点单元硬件结构如图4，协调器节点采用32 bit的ARM 微处理器M0516作为主控制器MCU，一方面通过串行外设接口(serial peripheral interface，SPI)的单主机多从机模式，与基于Si4463芯片的射频模块、有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)显示模块、串口通讯和电源模块等外设以串行方式进行通信，另一方面则通过RS485标准接口的转换，与电梯整机的主控制器(上位机)相连．

正常工作时，电梯整机系统配备不中断电源进行供电，因此协调器的电源回路主要实现电压转换功能，将来自系统的直流24 V电压转换成硬件电路板所需的直流5 V电源．

图4　协调器节点单元硬件结构框图Fig.4　Structural diagram of node element hardware of coordinator

3.1.2软件设计及实现

通信系统中只有主终端节点能够与电梯主控制器联系，故系统会优先处理电梯主控制器的信息，再按接收次序逐一处理层站终端节点的信息．

如图5的协调器MCU软件流程，系统只有在调试或断电重启时才会进行硬件初始化，而在电梯日常运行中处于常开状态不会执行硬件初始化操作．电梯整机系统中，各层站终端固定对应楼层，有固定的物理地址，因此系统为其设置了对应的器件标识，使某层站终端节点断线后既使重新入网也能定位到具体的标识．

图5　协调器软件流程Fig.5　Coordinator software processing flowchart

为避免成为性能瓶颈，协调器应尽量减少处理过程.因此，组网成功后，协调器对收到的信息只做3个基本步骤：确认信息来源、显示及转发．若信息来自RS485接口即电梯主控制器，则唤醒射频模块以广播方式群发；若信息来自射频接口，则直接转发电梯主控器．

3.2厅层终端节点单元

3.2.1硬件设计及实现

厅层/轿厢终端节点单元硬件结构如图6．该类型的节点单元主要由射频模块、MCU、厅外召唤按钮、厅外按钮灯(与召唤按钮对应)、OLED显示、串口通讯和电源回路模块组成．基于批量化生产考虑，本研究设计的厅层/轿厢终端节点与协调器节点在外观上并无太大差异，两种类型终端各有冗余部分，只要修改MCU软件程序，便可互换．

图6　厅层/轿厢终端节点单元硬件结构框图Fig.6　Structural diagram of node element hardware of hall/cage

3.2.2软件设计及实现

图7给出厅层终端节点工作流程，除了初始化及入网要求外，层站终端节点主要完成3个任务：① 若广播信息为轿厢的运行状态及位置信息，需在OLED屏显示；② 若广播信息为本层召唤确认信息，则直接点亮厅召唤按钮灯；③ 若本层站有厅外召唤请求则处理数据、唤醒射频模块发送信息．

图7　厅层/轿厢终端节点软件流程图Fig.7　Hall/cage node software processing flowchart

4　测试与分析

4.1测试环境

本研究根据实际需求制作了16个厅层终端节点、1个协调器节点，以及主终端与电梯主控制器的RS485连接头，并在井道现场完成实验测试．其中，厅层终端节点固定悬挂在井道内侧靠门厅处，外置天线朝向井道上方；协调器节点放置在17层机房电梯控制柜旁侧，外置天线朝向为曳引带通过的洞口．

系统性能测试主要包括：系统基本功能、实时传输性能及井道电磁信号干扰下的稳定性．

4.2基本功能测试

系统基本功能包括组网、数据采集和处理、无线/有线数据传输、OLED正确且实时显示等功能．

图8　组网成功调试界面Fig.8　Successful commissioning interface for networking

首先，令协调器节点、层站终端节点复位，确定系统能正常工作．经系统测试，所有终端节点都能加入网络，图8(a)为厅层终端节点的调试界面，8(b)为协调器节点的调试界面，两者已经成功完成连接．

其次，测试数据采集和处理功能．选择3个特殊层站：1层、8层(中间层)及16层，随机按下厅召唤按钮，通过提取各层站终端节点与协调器存储的数据进行核对，由于各层站终端有特定的标识，结果验证了信息完全匹配．为便于测试，先设定数据的时间戳，再在检验厅召唤按钮灯确实按预定逻辑关系点亮的同时，记录厅召唤按钮从按下到重新点亮灯整个过程的耗时．检测结果表明，传输时间为19～31 ms，与楼层高度无关．

前两步骤同期验证了数据收发正常，终端节点OLED也正确显示了协调器发送的广播信息，其中协调器终端的OLED显示信息如图9．

图9　实测中协调器终端的OLED显示信息Fig.9　OLED display information of coordinator terminal during actual measurement

4.3传输性能测试

本系统采取既定的通信协议，以主从轮询方式扫遍16层楼的厅召唤指示，从广播请求到完成收集，再到主控器发送确认信息，最后点亮对应的厅层召唤按钮灯，整个通信往返的时间周期控制在150 ms内．当然，这是以牺牲每层个体等待时间获得的结果，优化整体时间的做法是电梯行业默认的选择．

检测结果表明，轮询方式能够使无线系统的时间受控，但各层终端节点的等待时间是随机的，最坏的情形是在厅层按下召唤指令后，等待2个轮询周期才能得到确认信息．

4.4稳定性测试及分析

变频器和曳引机的工作都会产生电磁干扰，因此井道电磁特性十分复杂．轿厢在不同的位置也可能会挡住无线信号造成丢包，因此本研究不仅要在电梯系统运行全过程中进行测试，还特意选择轿厢位置不同情况进行收发试验，以测试不同条件下层站终端节点、协调器和电梯主控器间的通信传输状况．

由于只测试电磁干扰对通信稳定性的影响，故操作时未完全按照完整的通信协议进行，仅设置了两点直接通信，即特定厅层终端节点主动发送召唤指令，协调器接收并返回确认信息为一次往返传输时间．每次操作，协调器和厅层终端节点的数据存储器分别存储了有时间戳的召唤记录．现场测试完成后，再提取并比对层站终端节点和协调器的存储记录，以确定丢包率及有效传输的时间长度．

选取3个特殊情况进行测试：① 距离最远的1层终端与协调器的通信稳定性测试．在接近1层的轿厢稳定、启动、运行以致远离1层的情况下，分别进行召唤测试；② 轿厢停在4层站，在轿厢之下的1层终端和之上的8层终端按下召唤指令，检验是否都能接收并确认；③ 受变频器、曳引机启停直接影响的16层终端和17层协调器间的通信稳定性测试．

为测试传输的稳定性，对上述每种情形分别进行了20次传输测试，通过读取和比对层站终端节点和协调器存储数据表明，这3种情形共发送的60次数据全部成功接收，数据传输的连接和成功率均达到100%，证明了在电梯系统不同状态下，轿厢位置、变频器和曳引机的启、停对召唤系统没有实质影响，也就是说，本系统在复杂电磁环境下的井道现场中，可以实现稳定可靠的通信传输．

图10　点对点往返1次通信的传输时间Fig.10　Transmission time of a point-to-point round trip

在目前采用的安全认证协议下，实测所得其实是系统最短传输时间，具体数据统计分析结果如图10，两点传输时长范围为19～31 ms，比正常按下召唤到按钮灯亮的耗时减少了近80%，可见调整通信协议和安全认证过程可减少信息传输时间．

结　语

本研究以Si4665射频芯片与ARM M0516为核心，设计并实现一个433 MHz射频的电梯无线厅召唤通信系统，并描述了其体系框架、通信协议及配套开发的软硬件电路．该系统工作在具有绕射能力的433 MHz频率，不受井道内轿厢位置的影响；且RF芯片的设计可自定义协议参数，能轻易融入原电梯系统；既保留了RS485接口，又对有线系统具有兼容性．

井道现场实测结果表明，轿厢位置、变频器和曳引机的启、停对信息传输无实质影响，用433 MHz射频芯片设计的无线通信系统可在井道内实现稳定的无线信号传输，能取代有线通信技术融入原电梯整机系统，很好地解决了传统有线环境下楼层层站布线复杂、维护性和可扩展性差等问题．

本系统虽已实现了基本功能，且性能稳定，但实时性较有线通信仍有差距，通信双方每次的握手协议都使数据包发送和接收有较大延时，如何在安全性能和实时性能间找到最佳匹配值，是下一步研究主要关注的问题．

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【中文责编：英子；英文责编：子兰】

2016-05-25；Accepted：2016-06-23

Wireless processing and design of hall-call communication system of elevator

Yang Jian1, 2†and Xie Guangzhi3

1)School of Electronic and Information, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510665, Guangdong Province, P.R.China 2)City Key Laboratory of Digital Content Processing and Security Application Technology, Guangzhou 510665, Guangdong Province, P.R.China 3)Guangdong Rech Elevator Co., LTD, Guangzhou 510410, Guangdong Province, P.R.China

Since the environment of hoistway has great influence on cables of elevator, causes higher manufacture and installation costs and increases the difficulties of maintenance, this paper proposes a point-to-point wireless call communication system for elevators. The system takes the coordinator as the core. On the one hand, the information to the landing terminal node is received and transmitted by the wireless unit. On the other hand, the previous wireline equipment is replaced by the connection with master controller of elevator through a RS485 interface to realize the collection, transmission and processing of call information from the elevator system. By virtue of the good performance of diffraction of 433 MHz frequency band, and taking ARM M0516 processor as the core in combination with Si4665 radio frequence chip, we design a proto-type wireless hall call system of a single elevator. The software and the hardware circuit of coordinator and landing terminal node are developed. The test results in the hoistway of elevator show that this system is unaffected by the position of the car, the start/stop of the traction machine or the frequency converter. It can realize the stable transmission of signals under different operating conditions of the elevator. The master chip of the system can define the protocol parameters voluntarily, thus it can be easily integrated into the complete system of the original elevator.

wireless communication technology; wireless call communication system for elevator; radio frequency; coordinator; master controller of elevator; landing terminal node

Yang Jian, Xie Guangzhi. Wireless processing and design of hall-call communication system of elevator[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(5): 517-524.(in Chinese)

TP 399

Adoi：10.3724/SP.J.1249.2016.05517

广东省科技厅公益研究与能力建设专项资金项目 (2015A030401)

杨舰(1973—)，女，广东技术师范学院副教授．研究方向：电梯物联网、智能检测与控制．

E-mail：yj_sanshengshi@sohu.com

Foundation：Science and Technology Plan Project Public Welfare Fund and Ability of Guangdong Province (2015A030401)

† Corresponding author：Associate professor Yang Jian. E-mail: yj_sanshengshi@sohu.com

引文：杨舰，谢广智．电梯召唤通信系统的无线化处理与设计[J]. 深圳大学学报理工版，2016，33(5)：517-524.