李豪

（上海银欣高新技术发展股份有限公司，上海200040）

在一些安全措施严格的场所中，管理者希望能够对楼宇内各类人员的出入进行更安全、更有效的管理。传统的电梯控制方式从利用效率和安全的角度已经很难满足管理者的需求。如何提高电梯的有效利用率、节约乘客的等待时间、降低电梯运行的损耗、保障公共场所的安全性，电梯控制管理显得尤为重要。

1 需求分析及总体设计

1.1 需求分析

电梯目的楼层派梯控制器是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体。使用电梯时，不同的人员有不同的权限分配，乘坐电梯的人员只能进入经过授权指定的区域，并且可根据日程表授权管理。控制器可以对进出的人员进行身份识别，并记录每个人的出入时间，它与门禁系统组成一个强大的安保系统网络，保障出入口的安全。

利用该技术电梯目的楼层派梯控制器实现低功耗、安全性、实时性、可靠性、开放性的新型模块化产品，改善了现有技术模式，降低了硬件成本，提升电梯使用寿命和利用效率，达到节能减排的目的。

基于上述需求开发了基于一卡通平台的电梯楼层派梯控制器。

1.2 总体设计

控制器采用32 位ARM处理器，技术成熟、集成度高、可靠性好、可扩展性强、运行速度快，可同时进行复杂的实时运算；控制器软件采用uCOS-II 实时操作系统，多任务并发处理能力强，实时性高，而且可靠性、可移植性和安全性都比较高，做到精简系统内核、算法、降低功耗和节能减排、降低软硬件成本，适应未来网络发展要求[1]。

针对传统电梯上述的缺点，电梯目的楼层派梯控制器主要在安全性和高效率两个方面做了大量的改进。

1.2.1 安全性方面：乘客在使用电梯时，只能通过刷卡或者人脸识别的方式乘坐电梯。所有的楼层，必须先经过系统管理者的授权。使用电梯时，不同的乘客分配不同的权限，该权限只能到达经授权指定的楼层。

当派梯控制器发生故障或者与电梯群组控制器KGC 之间网络无法连接时，电梯可以采用约定好的配置，使电梯全部开放或部分楼层锁定，通过触控屏选择要去的楼层。保证人员的正常使用，和重要场所的安全。

1.2.2 使用效率方面：乘客通过闸机出入口通道时进行身份识别，预判乘客将要到达的楼层，通过组织合理的算法，有效的分配使用电梯，电梯群组控制器KGC 优先把去往同一目的楼层的乘客分派到同一轿厢中，以便减少电梯的停靠次数，提升电梯运行效率，节约乘客等待时间。提高用户体验、达到高效利用和节能的目的。

派梯系统涉及到的关键技术主要有：

（1）主控单元采用STM32F103RCT6 和STM32F103ZE 两款低功耗嵌入式控制芯片；协同工作，分管数据采集、输入输出和系统多任务运行，数据分析操作，做到了实时、稳定。

（2）采用DM9000 快速以太网MAC 控制芯片。

（3）采用LWIP 协议栈，使控制器具备网络通讯的功能。

图1 派梯控制器系统组成

（4） 开放式设计兼容多种前端输入设备，2 路Wiegand 26/34，2 路RS485。

（5）大容量低功耗数据存储芯片，可保存10 万条身份信息和10 万条事件记录。

（6）具有消防联动的硬件接口。

（7）具有实时时钟，能为设备提供准确的系统时间。

（8）远程在线升级/Remote IAP 技术，方便系统升级维护。

（9）设备可移植性，采用驱动加应用的方式实现，减小对底层硬件设备的依赖，对将来降低成本，及市场采购情况变化更有利应对，更换硬件更方便。

（10）实时性，产品运行过程中对输入状态的分析，并产生及时的输出控制，提高整个系统的及时响应。

（11）开放性，操作接口开发给后台监控平台，方便用户定制使用和配置。

2 电梯目的楼层派梯控制器设计实施

2.1 派梯控制器硬件

2.1.1 主控单元

图2 主控单元的结构框架

控制器主控单元的设计采用了两片低功耗嵌入式微控制器芯片来协调工作，控制芯片采用高性能32 位工业级STM32F103RCT6 和STM32F103ZET6 CortexTM-M3 架构的ARM芯片。可在3.3V 工作电压下，工作频率是72MHz，RISC 内核；在外围模块全部处于运行状态，芯片处于最高运行频率下，功耗只有60mA，而在关闭外围模块，芯片处于休眠状态下时，功耗甚至可以低到1.4uA。芯片内运行uCOS-II 实时操作系统，各功能采用模块化设计，可移植、可扩展性强，简单高效。

2.1.2 外部设备信号采集单元、输出单元

外部设备信号采集单元（Wiegand26/34、DI、DO）通过CON端子连接到主控单元控制芯片STM32F103RCT6 芯片上，输入输出单元与主控单元之间设置有排阻，排阻的作用是给信号线提供一个驱动电压，使之传输更稳定，传输距离更远，用来抵消线路上阻抗对信号的损耗。在韦根信号或DI、DO 信号到达主控单元的控制芯片时，触发STM32F103RCT6 芯片中断处理程序，开始分析采集到的数据，并将数据送达至STM32F103ZET6 芯片，由该芯片读取存储单元，分析采集到的数据，结合当前的时间，把数据转换成电梯控制协议，通过TCP/IP 通道上送至电梯群组控制器KGC；同时将处理结果返回给STM32F103RCT6 芯片，由STM32F103RCT6 芯片对输入输出单元进行相应的操作。

2.1.3 身份识别端RS485 通信

为了提高楼宇的安全性，防止持卡人的卡片信息泄露，在出入口闸机通道控制系统中，信号采集单元为外接RS485 接口的非接触式国密CPU 卡读卡器和人脸识别机。

派梯控制器通过RS485 总线与读卡器、人脸识别设备连接。当乘客使用电梯时，控制器将把读取到的乘客身份信息与自身数据库中保存的信息进行匹配验证；匹配不成功，控制器把本次操作详细信息保存到数据库中，并上传到服务器平台，给出对应的警告级别；匹配成功，控制器将开放控制通道，并在硬件上作出相应的状态指示，把接收到的RS485 数据转换成电梯协议格式，通过UDP 报文发送给电梯主控制器。

2.1.4 网络通讯

使用直接TCP/IP 10/100M 自适应的PHY 和4K DWORD值的SRAM。能在低功耗和高性能进程的3.3V 与5V 之间切换。控制器上集成了网卡，直接连换机就可以进行TCP/IP 通讯，无需外扩一些网络转接模块，从而大大地降低了成本和现场布线的难度。支持远程在线Remote IAP 技术对ARM主控芯片的在线升级。

2.1.5 储存、RTC

采用增强型Flash 器件，提高了工作频率并降低了功耗。串行闪存采用SST 专有的高性能CMOS SuperFlash技术制造。分离栅极单元设计（split-gate cell design）和厚氧化层隧穿注入器（thick-oxide tunneling injector）可实现更高的可靠性和可制造性。SPI 总线通讯，是一种高速的、全双工同步的串口通信总线，收发独立，可同步进行。并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB 的布局上节省空间，提供方便。系统时钟采用ARM内部时钟及外部RTC 双时钟模式，精准控制系统时间，定时校准。

2.1.6 电源供应

电源采用3A 电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等，输出精准电压。

2.1.7 现场调试端口

现场调试端口，连接手持式多功能数据记录仪用于现场参数配置、问题查找、功能测试、版本升级等工作。

2.2 派梯控制器配置软件

2.2.1 派梯控制器在线升级/Remote IAP 技术使用

方便现场设备升级维护工作，产品设计之初就在功能模块上预留出用于在线升级的资源，开发出了基于Remote IAP 技术的远程升级模式，该调试软件在现场得到了广泛应用，工作效率高。网络组建完成后，操作人员即可对线上派梯控制器进行升级维护。

图3 Remote IAP 远程在线升级工具

在调试软件界面上搜索并选中需要升级的派梯控制器，把编译好的BIN 文件通过UDP 报文下发至派梯控制器中；派梯控制器接收BIN 文件，校验无误后，把BIN 文件保存到储存器中，修改软件更新标志，重启系统。系统首先运行芯片中的BootLoader，检测软件更新标志；如果标志没有改变，则跳转至用户区APP 入口，运行原有程序；如果更新标志有变化，擦除用户区原有程序，再从储存器中读出已写入的BIN 文件，写入用户区，更新完毕后置位更新标志，跳转至用户区APP 入口，运行新的APP 程序。

2.2.2 派梯控制器的调试软件

为方便项目现场的测试人员调试设备和配置参数，控制器在设计之初预留了一些功能模块，可通过UDP 方式与上位机联调，避免了现场工程师调试设备时四处走动，同时提高了工作效率。为保证设置参数的准确性，调试软件可读取设备中保存的参数来校对数据。

图4 派梯控制器现场调试软件

3 派梯控制器功能实现

乘客使用闸机通道一卡通控制系统与派梯控制系统，按以下流程操作：

3.1 对于权限验证没有通过的乘客，闸机通道闸门不打开，CPU 读卡器或人脸识别机将发出长鸣警报，以便提醒乘客正确使用闸机；同时控制器把闸机位置数据和时间信息上传至管理中心的安保系统，并在系统中弹出警报提示；同时辅助配合监控系统，便于核查该报警点的实际情况。

3.2 对于权限验证通过，已设置默认目的楼层的乘客，在其通过闸机通道时，闸机系统将读取乘客的默认楼层以及卡号和电梯前后门数据，闸门打开，同时将默认的目的楼层发送给电梯群组控制系统KGC，系统分派电梯的梯号将显示在闸机入口屏幕上。

图5 闸机呼梯指示和派梯控制器选梯指示

3.3 乘客错过乘梯或者不想去默认楼层时，可到电梯门口触控屏上刷卡自主选择卡片中授权的楼层，如果卡片没有授权其它楼层，持卡人只能选择默认楼层或公共楼层。

3.4 派梯控制系统在乘客选择授权的目的楼层之后，控制器屏幕会显示分派的电梯标号、行走方向等引导信息。各层电梯的厅门附近都有梯号指示装置。部署在轿厢内的指示装置会向乘客按序显示该梯将要停靠的多个楼层。

3.5 对于有特殊要求的乘客，比如使用轮椅的乘客或者VIP乘客，在授权时可配置相应的参数。即使是高峰期间，电梯群组控制器KGC 也会为其单独分派一部轿厢，以提高使用人员的乘梯体验。

3.6 派梯系统要求每位乘客都自主呼梯来实现派梯效率的最优，也可以按需要对受其管理的楼层设置权限要求或权限开放，其中大楼的出口层和公共楼层的权限是开放的，以便乘客在进入闸机刷卡后，无需再次通过身份验证即可到达大楼的出口层和公共层。

3.7 针对同一张卡片，在同一个区域不同的电梯厅刷卡，显示的楼层不一致的问题，分区授权可以解决楼层不一致的问题。出于安全的需要，同一持卡人，在未经授权的情况下，在同一栋大楼层的A 电梯厅乘坐电梯可到C 层，在B 电梯厅乘坐电梯则不能到C 层。

根据持卡人的权限需求，卡片中需授权的楼层分为多个区域，把项目中所有楼层统一起来，兼容所有楼层，制作出一种卡片楼层ID 和实际楼层ID 的关系对应表。在卡片授权时，同时选择持卡人需授权的多个区域的楼层。电梯是按照群组区分的，同一群组的电梯楼层ID 都是一致的。所以，在派梯控制器中，不同电梯群组下的派梯控制器，定制不同的楼层关系映射表，通过调试软件下发到派梯控制器中。控制器在上电启动时，从储存器中读取映射表放到内存中，当有楼层数据需要转换时，可以直接进行转换。

目前该派梯控制器在上海国际金融中心项目中共安装五百多台，整体项目采用国密IC-CPU 智能一卡通系统，集成门禁、巡更、考期、梯控、消费、人员定位等系统。

4 结论

嵌入式实时操作系统应用于电梯目的楼层派梯控制器系统，实现电梯控制智能化、信息化、数字化，体现各门学课的集成。基于嵌入式技术的软硬件调试工具更是降低了工程项目设计难度和应用障碍。改变了市场现有产品的常规技术及现场应用方式，促进安防行业产品升级换代、技术整合、产品调整、设计思路的改变。作为嵌入式产品开发人员应不断学习新技术并应用于实践，使产品更具竞争力，积极转化为成果应用于项目中。不断完善技术的开发，满足客户的需要，更加方便、灵活、可靠的适应客户的需求。