基于物联网的电梯数字对讲系统设计

付道军，陈丽娜（广州广日电气设备有限公司，广东广州　511447）

基于物联网的电梯数字对讲系统设计

付道军，陈丽娜
（广州广日电气设备有限公司，广东广州511447）

摘要：针对电梯专用数字对讲系统的工作要求，基于电梯对讲系统工作的基本原理，设计了电梯专用数字对讲系统。该系统主要由各个对讲分机，管理中心对讲主机，无线路由器组成。能够为电梯系统提供可靠稳定的对讲功能，进而为电梯对讲系统提供了一个安全、自由、灵活的对讲系统组网方案，在实际应用中得到了较好的效果。

关键词：数字对讲机；物联网；RF无线通讯；CAN总线

0　引言

随着社会生活城市化，现代化建设的不断发展，电梯已是与人们生活密切相关的现代化设备。随着电梯使用频率越来越高，电梯安全也越来越受到重视。遭遇电梯故障或一些突发事件时，人们最先想到的就是尽快逃离那个密闭的空间，而报警或者电话求助就离不开电梯的对讲系统了。电梯对讲系统是电梯必备的部件，它不光是解决上述突发事件的有效手段，是电梯解决故障时的应急设备，也是电梯调试维护的重要设备。所以，重视电梯对讲系统的研发设计，提高电梯对讲系统的性能，就显得尤为重要。下面介绍公司自主开发的基于物联网的电梯数字对讲系统。

1　系统介绍

常见的电梯对讲系统是五线式的模拟信号传输的模拟对讲机[1-3]。基于物联网的电梯数字对讲系统方案（以下简称本系统）是在电梯五方通话对讲系统的基本架构下，使用新型的语音芯片研发生产的一款全数字有线、无线混合通讯对讲系统[2-3]。本系统采用了国际先进的语音处理技术、CAN总线通信技术及2.4G无线通信技术进行语音数据的编码、解码及组网传输，产品具有组网灵活、通讯稳定、语音清晰、扩展性强、传输距离远、低功耗、低故障率等优点。

2　系统总体设计介绍

2.1系统组网方案设计

基于物联网的电梯数字对讲系统方案的组网方式有两种，电梯内部组网和电梯系统之间组网。

电梯内部的组网，电梯内五方通话对讲系统是由机房分机、轿厢分机、轿顶分机、底坑分机，再加上值班室主机五部分组成。行业规范从安全性考虑，所有的分机统一用有线连接。借用电梯随行电缆，将装在不同位置的分机连接起来，再使用网线将值班室主机连接起来，采用两线的CAN总线通讯。

在有多台电梯时，不同电梯的对讲系统会共用一个值班室主机。这些不同电梯之间的对讲系统就需要一个组网过程[2-3]。

电梯之间的组网分为三种，分别是有线组网方案、无线组网方案及有线、无线混合组网方案。其中混合组网方案的拓扑结构图如图1所示。

根据使用方便可以将所有的无线路由器改用有线连接，就组成了有线组网。将所有电梯之间的组网都使用CAN通讯无线路由器连接组网，就是无线组网方案。根据用户需要和现场使用环境情况可以灵活方便地设计电梯间对讲系统的组网方案。

2.2系统模块的配置

基本功能模块：机房分机、轿厢分机、轿顶分机、底坑分机；

可选功能模块：管理中心主机(或移动手持机+管理主机)、无线路由器、上位机软件。

2.3系统功能设计

语音传输采用全数字CAN总线通信，管理中心主机与单元分机之间通过一条四芯总线或超五类网络线连接组网，也可以采用2.4G CAN总线无线路由器连接组网或有线无线混合组网模式组网。

无线路由可实现多层级链路组网，可自定义网络层级和链路顺序，实现无线通信的定向、定位和定序传输。有效传输距离大于1 000 m以上，单网容量99台电梯，使用特制防水室外天线。

在有线，无线，或混合组网的不同组网模式下对讲设备完全兼容通用。

管理中心主机可与电梯轿厢、电梯机房、电梯轿顶、电梯底坑各部分分机实现五方对讲。广播级通话音质，声音逼真、清晰。

系统可对组网分机进行自动巡检，能及时诊断和定位网络异常设备，巡检周期可灵活设置。管理中心机可显示各个轿厢分机和机房分机的报警，并记忆保持。管理中心机具有群呼、广播功能，带音乐输入接口，可对轿厢分机播放音乐。管理中心机可对轿厢分机进行监听，分机处无任何察觉。可配接监控统计软件，以监控统计分机的报警起始时间、通话时间等。可配接视频控制器，实现视频联动。

有常闭常开报警输出功能，可外接警铃、警灯等。可外接GSM手机发射模块、市话转接模块，实现值班室无人接听的情况下手机短信或市话报警。

图1　电梯数字对讲系统CAN总线有线，无线混合组网方案拓扑图

3　主要功能模块设计

3.1管理中心主机

管理中心主机是一个集成功能相当强大的设备，是将电梯系统内部对讲系统和外网实现连接的节点。是真正实现三网融合的核心部件。应用硬件组成示意图如图2所示。

图2　CAN总线电梯数字对讲系统管理中心设备组合图

双屏管理中心主机使用STM32F103ZE主控芯片，带7吋彩显屏和多行中文液晶信息屏。提供CAN通信总线数据线用于和电梯井道内的对讲机语音的数字信息交换。外线电话线接口，可以将控制中心主机直接接入固定电话网络，实现和电话网络直接相互直拨和通话。TCP/IP网线，实现了将电话机接入互联网上，USB通信、RS 232通信等接口及数字及功能键键盘，可以实现广播、视音频切换、Socket远程数据上传、系统远程在线升级等功能[2-3，5]。

移动手持机+管理主机组合，是可选设备，根据用户需要可以不配备。

移动手持机+管理主机组合是一种低成本解决方案。移动手持机带双排LED显示屏与数字键盘及功能键及RS 232通信接口，用于设备管理时，可对通用对讲机的功能（普通对讲机/管理主机）、地址、时间等参数进行设置；用于报警监控时，与管理主机组合一起使用可实现拨号、查询及通话等管理功能。

3.2对讲机分机

对讲机分机根据安装位置分为四种分机：机房分机、底坑分机、轿顶分机和轿厢分机。其中轿厢分机是不带手柄式对讲，为了安装和使用的方便，用外接按钮代替了提起式通话手柄（见图3、图4）。四种分机的硬件和功能设计是完全相同的，不同的是外壳，由于接线方式不同软件对呼叫按钮的处理略有差别。

图3　带手柄分机实物图

3.2.1硬件功能介绍

分机采用在线编码方式，可任意设定分机号。手柄式对讲和免提式对讲。可以广播级通话，音质清晰。各分机先向同一电梯分机报警及对讲。在一分钟内没有应答自动向管理中心机报警及对讲。

挂机即可解除报警：报警过程中(管理机未接)，再次按下分机上的“报警”键，即可解除报警。

单梯内部分机通话时，若有轿厢分机报警时，自动切断当前通话，向管理中心机报警。管理中心下拨本梯电话时，轿厢分机自动优先接通，梯内其他分机摘机后，亦可加入通话过程。

机房分机可提供RS 232或CAN通信接口，在非报警时，可以接收电梯主板自检信号，并自动上传到管理中心主机，进一步通过TCP/IP Socket通信将检测信息上传到厂家指定IP中心，进行远程电梯安全实时监控。

3.2.2电路设计原理框图

分机电路原理如图5所示。主控CPU选用ST 的ARM芯片STM32F103ZE。自带bxCAN模块，直插CAN协议2.0A和2.0B[5]。CPU的CAN收发接口通过光耦与CAN收发器MCP2551相连，实现CAN通讯[4]。语音芯片选用AMBE-1000[6]，是由Digital Voice System.Inc推出的高性能多速率语音编码-解码芯片，它的语音编码-解码算法采用专利语音编码技术AMBE，具有语音音质好和编码波特率低、功耗低的优点。轿厢内分机用按钮接口，其他分机使用手柄接口。Flash Memory用作数据存储，可以存储分机号，控制中心电话号码，系统设置的功能，还可以作为录音储存等作用。预留有GSM模块的接口，将分机接上GSM模块后，分机就接入移动电话网络，可以按预设的电话号码直拨外线，实现和指定的电话进行呼叫通话[2]。

图5　分机电路原理框图

3.3无线路由器

3.3.1硬件实物图

路由器夹物如图6所示。

图6　CAN总线无线路由器

3.3.2功能特点

语音传输可以采用2.4G无线路由器连接组网或有线无线混合组网模式组网。无线路由可以实现多层级链路组网，可以自定义网络层级和链路顺序，实现无线通信的定向、定位和定序传输。有效传输距离大于1 000 m以上。单网容量99台电梯。不同组网模式下对讲设备完全兼容通用。

3.3.3电路设计原理框图

路由器电路原理如图7所示。主控CPU也是选用ST的 ARM芯片STM32F103ZE[5]。部件原理架构和对讲机分机的接近。RS232通讯接口做调试、升级，及设置时使用。GSM模块接口电路是备用扩展接口。

图7　无线路由器电路原理框图

无线接口控制芯片选择Nor⁃dic公司的nRF24L01芯片开发而成[7]。射频收发器工作与国际ISM频段2.400~2.4835 GHz。射频收发内核的配置通过射频收发器的寄存器映像进行，寄存器由MCU通过双向的片内SPI接口来访问，并可在各种节能模式下工作。射频电路见图8所示。

3.4监控统计软件

监控统计软件安装在电脑上，可统计、分析、打印报表，信息数据同步，可实时同步显示每个分机的信息状态（即待机、报警、通话三种状态）。

统计信息全面，按Access格式生成报表。可显示分机的报警起始时间、通话起始时间、通话结束时间；可统计最近的报警通话记录；可对某个分机的所有报警通话记录进行查询；也可按每天或每月的所有分机的报警通话记录进行查询。有利于服务的管理和监督。

4　模拟与数字对讲系统方案比较

方案比较如表1所示。

5　结论

以上详细介绍了基于物联网的电梯专用数字对讲系统的设计方案，由产品对讲分机、监控中心主机、无线路由器及监控中心的监控软件构成。用数字语音信息代替了传统的模拟信号传输，极大地方便了对讲系统扩展接入互联网中。无线路由器的设计，拓宽了系统在实际应用中布局组网方案。系统设计架构清晰，设计性能指标的达到设计的要求。该系统具有使用费用低、实用性强、运行可靠、便于控制和易于安装维护等优点，能够解决组网布线难和难以维护管理的问题，在网络拓展和监控管理自动化方面起到十分明显效果。

图8　nRF24L01应用电路

表1　系统优势对比表

参考文献：

［1］李哲英.实用电子电路设计［M］.北京：电子工业出版杜，1997.

［2］陈永甫，谭秀华.现代通信系统和信息网［M］.北京：电子工业出版社，1996.

［3］陈永.集群移动通信机和对讲机原理、使用及维修手册［M］.北京：电子工业出版社，1997.

［4］杨春杰.CAN总线技术［M］.北京：航空航天大学出版社，2010.

［5］彭刚，秦志强.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［6］郭刚.AMBE-1000语音编码-解码器芯片及其应用［J］.国外电子元器件，2001（3）：18-21.

［7］曹勇，杨涛，冯月晖.基于nRF24L01的超低功耗无线传感器网络节点设计［J］.电子技术应用，2008 （7）：45-48.

(编辑：向飞)

Design of Elevator Digital Intercom System Based on Internet of Things

FU Dao-jun，CHEN Li-na
（Electricity Facilities Guangri Guangzhou Co.，Ltd.，Guangzhou511447，China）

Abstract:According to the requirement of elevator dedicated digital intercom system，based on the basic principle of elevator intercom system design elevator dedicated digital intercom system.The system is mainly composed of the intercom，intercom system management center and wireless router，which provides stable and reliable intercom function for the elevator system，and provides a safe，free and flexible intercom system network scheme for elevator intercom system.This system obtained good effect in the practical application.

Key words:Digital intercom；internet of things；RF wireless communication；CAN bus

作者简介：第一付道军，男，1977年生，湖北十堰人，大学专科，工程师。研究领域：嵌入式系统，机电控制工程。

收稿日期：2015－06－15

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.044

文章编号：1009－9492 (2015 ) 08－0158－05

文献标识码：A

中图分类号：TN923