1 引言
随着现代化城市的发展,城市中以高层建筑为主的住宅小区大量出现,电梯已成为必不可少的垂直交通工具。电梯是机电一体化高技术产品,电梯运行中关人、夹人、蹲底、冲顶事故时有发生,因此电梯的安全运行已成为现代社会发展的一个很重要的课题。解决电梯的运行安全一方面通过改进设计,另一方面依靠先进的监控手段,现在大的电梯制造商都把重心放在了售后服务上,也就是开发自己的电梯监控系统上。有了远程电梯集中监控系统,能够同时监控多处多台电梯的实时运行状态,通过对电梯控制柜输出信号的实时采集来实现对电梯的方向、所在楼层、门接点、安全回路和开关门等运行状态的监控,及时发现并排除故障,保障电梯的正常运行[2]。
目前,国内电梯的集中监控系统多采用有线传输方式或者是GSM短消息作为通讯方式。有线传输方式只适用于小范围小区域的监控系统,对于大范围的全局监控管理几乎不可能的,布放一套监控传输通讯网络将给施工以及维护带来了很大麻烦,其固定性又无法适应城市布局的发展;GSM短信通讯一定存在延时,平均传输的时延较大,在短信服务中心繁忙时很容易发生阻塞,数据延迟时间可能会长达数小时,这对实时性要求较高的监控系统有很大影响,并且传输信息量少。因此,选择GPRS作为通讯方式。GPRS是为GSM用户提供分组形式的数据业务而在现有系统上发展起来的新的承载业务,它允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据,不需要利用电路交换模式的网络资源,特别适用于电梯远程监控这种间断的、突发的和频繁的少量数据传输,且GPRS网络覆盖和维护都由中国移动承担,覆盖范围广,可靠性高,不受地理位置的限制,按流量的方式计费,还提供数据包月服务,降低了网络维护费用和运行费用[4]。
2 电梯管理系统总体设计
整个系统包括以下模块:监控终端、M2M平台、电梯管理系统平台。
如图1,M2M平台提供统一的M2M终端管理、终端设备鉴权,具备终端控制、终端监控、终端远程配置、终端远程升级功能;电梯管理系统为M2M的业务平台,它是对运行中的电梯进行实时监控、智能管理等为一体的系统;终端负责将电梯的故障信息及时通过GPRS网络传送到电梯管理系统平台、完成登陆M2M平台并能够根据管理平台的指令及时传输电梯的相关状态信息。
电梯管理系统实时监测电梯控制器的信号、控制执行元件的状态、控制柜输入输出端子信号、电梯现场状态信号,能够及时检测到轿门锁被人为短接或轿门锁故障、厅门门锁被人为短接或厅门锁故障、电梯冲顶、电梯墩底、运行中平层开关错、运行中抱闸开关错、运行中安全断开、不在平层区厅门或轿门断开、停电重大事故。
终端与M2M平台及电梯管理系统平台的通信采用WMMP协议,WMMP协议建立在UDP协议之上,UDP协议无确认机制。为了保证数据传输的可靠性,通过在UDP上层应用层协议实现类似TCP的包确认和重传机制,提高了数据传输的可靠性。
3 监控终端设计
监控终端包括两部分,数据采集模块和通信模块,数据采集模块主要包括电梯轿顶数据采集器和轿厢数据采集器,数据采集模块和通信模块采用CAN总线连接;通信模块完成协议的转换,具体的来讲,由两部分构成,一部分是完成协议转换的通信模块,另一部分是GPRS模块,GPRS模块带有SIM卡与监控电梯绑定。
3.1 通信模块硬件平台
终端协议转换器选用周立功公司的ARM7系列产品,型号为LPC2131,LPC2131适合实现通信网关及协议转换器的功能。GPRS模块采用波导公司的BC538GX模块,协议转换器通过串口UART0与GPRS模块连接,BC538工作模式采用透明传输模式[3]。
3.2 串口驱动模块设计
监控终端与GPRS模块的连接通过RS232串口,通过串口将数据传送到GPRS模块,GPRS模块再将数据打包后通过无线网络进行传输。LP2131拥有两个异步串行口UART0和UART1,基本特性如下:16字节收发FIFO、接收器FIFO触发点可为1、4、8和14字节、内置波特率发生器[1]。程序设计中采用UART0口进行数据的接收和发送,串口在接收数据时,可以采用两种方式:一种是查询方式、一种是中断方式,设计中采用中断方式实现,尽可能提高CPU的效率,串口驱动模块设计包含两部分的内容:串口数据的发送、数据的接收。在设计中需要考虑的问题:一是采用中断方式接收数据时,需要先设置一次能够接收的字节数,字节数的设置通过U0FCR寄存器设置来实现,就可实现1、4、8、14字节的数据一次接收,设计中采用的是一次接收8字节的方式,设置U0FCR = 0x81就可以把触发点设置为8字节。设置为8字节后,串口中断的工作原理是:当设置为每次接收8个字节时,串口每接收8个字节会产生中断,接收的数据包的长度有可能不是8的整数倍,带来一个问题,当接收的数据不是8的倍数,中断是如何产生的,如何去判断,可通过U0IIR寄存器相关位的判定可确定是是否为8的倍数,具体的判断方法是:(U0IIR & 0x0F)==0x04,则证明是8 的倍数。在设置为一次接收8个字节时,当最后接收的数据不是8个字节时,通过填充0一直填充到8个字节的方式实现中断请求。另一个问题是,根据实际情况,每次接受的数据长度是不确定的,也就是说每个包的长度不固定,通常情况,不会存在接收出错的问题,为了做到更高的可靠性,接受到数据包时,先根据包头前两个字节,得出一次应该接收的数据长度,这样能够保证接收的数据长度是正确的,不会存在多接收或少接收的问题。串口驱动模块初始化函数:串口波特率设置U0LCR=0x80、bak=(Fpclk>>4)/baud、 U0DLM=bak>>8、U0DLL=bak & 0xFF;设置奇偶校验bak|=set.parity<<4;设置字长bak=set.datab-5;判断是否为2位停止位if(set.stopb==2)bak|=0x04。串口接收程序的流程图如图2:
3.3 定时器驱动模块设计
LPC2131拥有两个32位可编程定时/计数器(T0和T1)。当将一个数据包发送出去的同时,启动定时器,这里使用定时器0来进行定时,定时器定时时间到,如果还没有接收到响应信息,就认为发送信息丢失,启动重发信息机制。有可能遇到极端的情况,信息重发多次依然没有响应信息,这时任何一方(包括终端和监控平台)可以主动断开连接,重新登陆、连接。设计中还需要使用另外一个定时器(定时器1),这个定时器用来设置发送心跳包的间隔时间,通过发送心跳包M2M平台可以辨别终端是否在线,当在一段时间内M2M平台没接收到心跳包时,就认为中断离线,为了节省系统资源,采用短连接的方式。使用定时器0采用中断方式,程序流程图如图3(定时器1的使用方式与定时器0类似),使用定时器0之前在主程序中需要初始化,包括:使能IRQ中断、定时器初始化(定时器设置为0、时钟不分频、设置T0M0R匹配后复位、T0TC并产生中断标志、定时时间(1秒钟)、启动定时器)、VIC中断控制向量设置(设置为向量中断、分配中断通道、设置中断服务程序地址、使能Timer0中断),定时器初始化函数如下:中断使能IRQEnable();时钟不分频T0PR=0;设置T0MR0匹配后复位T0TC,产生中断标志VICIntSelect=0x00;启动定时器T0TCR=0x01;设置定时器0中断通道分配最高优先级VICVectCntl0= 0x20|0x04;设置中断服务程序地址VICVectAddr0= (uint32)IRQ_Timer0。程序流程图如图3:
3.4 读写Flash模块设计
监控终端需要存储一些比较重要的信息,这些信息包括:终端心跳间隔时间、终端重发次数、重发时间间隔、版本信息、电梯管理系统通信的IP地址、端口号和短信发送号码等信息,这些信息是比较重要的配置信息,这些信息需要存储起来,同样能够对这些信息进行修改,因为根据实际情况有可能需要修改心跳间隔时间或电梯管理系统的IP地址等信息。这些重要的信息需要存储在掉电后能够把信息保存下来的存储器中,所以需要考虑读写Flash模块的设计。LPC2131有32KB Flash存储器,分为8个扇区,每个扇区4KB,对Flash进行编程可以通过ISP或IAP方式,设计中采用IAP的编程方式。IAP程序是Thumb代码,位于地址0x7FFFFFF0处,实现写flash的功能函数:定义函数指针void (*IAP_Entry)(uint32 param_tab[],uint32 result_tab[]);IAP操作扇区选择,命令代码50 uint32 SelSector(uint8 sec1,uint8 sec2);复制RAM的数据到FLASH,命令代码51 uint32 RamToFlash(uint32 dst,uint32 src,uint32 no);扇区擦除,命令代码52 uint32 EraseSector(uint8 sec1,uint8 sec2);扇区查空,命令代码53 uint32BlankCHK(uint8 sec1,uint8 sec2)。写Flash的流程图如图4:
4 系统整体软件设计
终端的工作流程如下:当终端上电启动后,首先终端自检,看终端是否注册(通过读出Flash中的配置信息来判定是否注册),如果终端没有注册,终端需要向M2M平台发送注册请求包,注册请求包按协议(WMMP)的要求来写,注册包中有两个关键的信息,缺少了这两个关键信息,终端就不能注册,这两个关键信息就是手机的IMEI和IMSI,通过发送注册请求信息,M2M平台会作出相应的处理,如果注册成功,就返回一个终端序列号,得到终端序列号后,以后每次与M2M平台进行信息交互时,M2M平台通过判别终端序列号来识别是哪个终端发送的信息,得到终端序列号后,再修改注册标志位为已注册;如果已注册,就不需要再注册,只需要从Flash的配置信息中读出终端序列号,写入包头,在这个过程中,当注册数据包发送出去后会启动定时器,定时器定时时间到,没有得到应答包,会重新发送注册数据包,此时要做记数,当达到记数次数时(一般重复发送3次),依然没有得到应答包,会退出注册。注册成功后,接下来登陆M2M平台,登陆包同样按协议来写,数据包中有一个重要的信息就是终端配置信息的CRC32校验码,等M2M平台接收到登陆包以后,会把终端的配置信息的校验码与自身配置信息的校验码作比较,如不一样,会触发配置流程,对终端的配置信息进行修改;终端登陆上M2M平台后,需要定时发送心跳包以告知终端在线。登陆上了M2M平台后,接着登陆电梯管理系统平台,电梯管理系统平台是业务平台,大数据量的交互主要在业务平台和终端之间,对于业务平台不用注册,只要登陆就可以了,按照协议要求写登陆包,在包头中有一个重要信息就是手机号,通过手机号可以对终端进行识别,终端发送了登陆包后,会得到响应包,以确定登陆电梯管理系统平台是否成功,登陆成功后,终端就处于工作状态,接收M2M平台或电梯管理系统平台发送的命令,根据命令,传送相应的数据,当电梯出现紧急或重大事故时,终端会向M2M平台和业务平台发送报警信息,并通过短信通知维修人员对电梯进行及时的维修。系统流程图如图5。
5 结束语
本设计是一种比较通用的电梯监控系统,克服了一些大的电梯公司所使用的比较专用和不具备通用性的电梯监控系统。终端通过了联网联合调试,并投放于实际的运行中,显示出了比较好的性能,通过实际的运行,体现出以下的优点:终端登录GPRS网络的时间短,只需1.2秒左右,可靠性比较高,丢包的现象很少出现,由于采用了确认机制,丢包率控制在1%以下,很少出现误报故障。
参考文献:
[1] 周立功,张华等.深入浅出ARM7[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.2.
[2] 李惠升.电梯控制技术[M].北京:机械工业出版社,2003.7.
[3] M2M平台设备规范、WMMP协议终端开发说明[Z].中国移动通信企业标准.
[4] GPRS IP MODEM(BC538GX)使用说明[Z].重庆波导科技有限责任公司.
作者简介:聂振华(1976-),男,工学硕士,讲师,从事嵌入式相关技术的研究。