电梯物联网终端硬件设计

摘要：目前大部分电梯是单机运行，不能做到远程监测和管理，也不能对电梯运行状况进行实时监管，一旦发生故障得不到及时维修，存在严重的安全隐患，因此需研制一种低成本、高可靠性、网络化的电梯物联网系统，实现对电梯运行状态的全面集中的远程监测和管理。文章介绍了以Exynos 4412 SCP为核心设计的电梯物联网硬件终端方案。

关键词：电梯；物联网；终端硬件设计；电梯故障；电梯运行 文献标识码：A

中图分类号：TP311 文章编号：1009-2374（2016）23-0010-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.23.004

1 电梯物联网终端硬件设计方案

电梯运行中关人、夹人、蹲底、冲顶、溜梯等事故的发生依然较为频繁。这些事故和故障的发生大多是由于对电梯维护管理不规范而造成的，从技术角度而言，都是可以避免的。

因此，实现对电梯的规模化、集中化的实时高效维护管理刻不容缓。推进物联网技术的应用，提高电梯维护管理水平，已成为现代社会发展的一个重要研究课题。图1为电梯物联网架构图：

在电梯物联网方案中，电梯物联网终端被安装在电梯工作现场，与电梯控制柜中的主控系统直接相连，实现了与电梯系统的紧密结合，能够获取准确的电梯参数，实现特征参数解码以及紧急情况消息的处理。本文所设计的电梯物联网终端是由主控模块、以太网接口模块、JTAG接口模块、RS485_CAN BUS通信模块、现场语音提示模块和电源管理模块组成的，其组成框图如图2所示：

其中，CAN接口模块和RS485接口模块，均负责提供与电梯主控系统直接相连的接口，采集电梯I/O参数并将其转换成与主控模块相兼容的信号电平，消除噪声干扰以保证获取数据的可靠性；以太网接口模块提供与局域网相连接的网络接口，能够将以太网帧送入电梯物联网网关或从电梯物联网网关接收以太网帧；现场语音提示模块由专门的语音播报芯片组成，负责根据主控模块的控制指令选择播放存储在其内部的提示语音，具备音频播放功能；电源模块为各功能模块提供正常工作所需的稳定电源；JTAG接口模块提供下载和调试程序的接口。本文对主要模块设计做了详细介绍。

2 主控模块设计

主控模块是由主控芯片Exynos 4412 SCP及其外围电路组成的。主控芯片Exynos 4412 SCP是三星电子（Samsung Electronics）生产的基于32位RISC的Cortex-A9四核微处理器，Exynos 4412 SCP采用128位内部总线架构和许多强大的硬件加速器，为移动通信服务提供优化的硬件性能。

3 RS485/CAN BUS接口模块设计

目前，电梯控制系统中较为常见的通信接口是RS485接口和CAN BUS通信接口。本文针对这两种常用接口模块做出设计方案。RS485接口模块是由SN65176BD及其外同电路组成的，其电路原理图如图3所示；CAN BUS接口模块是由MCP2562T及其外围电路组成的，其电路原理图如图4所示。

在RS485接口模块中，RS485接口是与电梯主控系统直接相连的接口，终端匹配电阻吸收双绞线上的干扰信号，增强RS485接口模块的抗干扰能力。SN65176BD芯片通过RS485 DIR引脚接收来自主控模块的接收器/发送器使能控制信号。当RS485 DIR为低时，SN65176BD芯片的发送器被禁止，接收器有效，电梯I/0参数由RS485接口引入，经RS485A、RS485B段进入SN65176BD，经过转换后信号由RXD0进入主控模块，此时主控模块可以接收来自RS485总线上的电梯I/O参数。当RS485 DIR为高时，SN65176BD芯片的接收器被禁止，发送器有效，主控模块可经TXD0引脚向电梯主控系统发送经授权的控制信号。

在CAN BUS接口模块中，CAN BUS接口是与电梯主控系统直接相连的接口，终端电阻吸收双绞线上的干扰信号，增强CAN BUS接口模块的抗干扰能力。MCP2562T芯片通过STBY引脚接收器/发送器工作模式，从而实现数据的通信。

4 以太网接口模块设计

本文中电梯物联网终端的以太网接口模块选用代为康半导体（Davicom Semiconductor）的DM9621NP，其是一款集成嵌入式SSRAM缓冲包的高性能的以太网控制器。它基于IEEE802.3和IEEE802.3u标准实现了以太网功能。DM9621集成了10/100Mbps以太网PHY简化系统设计并且提供媒体独立接口（RMII）。

以太网接口模块电路原理图如5所示：

5 现场语音提示模块设计

现场语音提示模块是选用欧胜微电子（wolfson microelectronics）语音芯片WM8960，其是欧胜（WOLFSON）电子推出的一款低功耗、高质量的音频编解码芯片。主控芯片Exynos 4412通过I2S总线接口和I2C总线接口与音频编解码芯片WM8960进行交互，其中I2S接口传输声音数据、I2C传输控制信息、WM8960接收音频数据完成编解码功能。WM8960原理图如图6所示。

对于声音信号需要对音频数据进行采集与播放。采集是对模拟声音信号进行采集、用数字量进行标示，通过ADC模数转换器来完成。播放将以数字量的形式保存在缓冲区里面的音频数据恢复为模拟信号输出，通过DAC数模转换器来完成。WM8960同时具备采集和播放所需的ADC与DAC，录音的时候，对模拟声音信号采样，通过内置ADC将模拟信号转换为数字量，经过I2S控制器将转化为的数字量存放在音频芯片内存中；播放的时候，从音频芯片内存中读取数字量，经I2S控制器将数字量传输给WM8960，通过内置DAC将数字量转换为模拟量播放出来。在图6中，主控芯片Exynos 4412的Xi2s0LRCK/PCM_0_FSYNC连接到了DACLRC，XEINT18/KP_ROW2/ALV_DBG14连接到了ADCLRC。ADCLRC和DACLRC分别是输入输出的左右声道时钟引脚。当采样的时候，首先将采样数据传输到左声道缓冲区，然后将下一个采样数据传输到右声道缓冲区，然后又传输到左声道缓冲区，依次往复；当播放的时候，首先将左声道数据提取出来播放，然后是右声道数据，之后又是左声道数据，依次往复。Xi2s0SDO_0/PCM_0_SOUT连接到了DACDAT数模转换数字音频信号输入引脚，Xi2s0SDI/PCM_0_SIN连接到了ADCDAT引脚。DACDAT从内存里面取出的数据经IIS控制器传输给编解码芯片，数模转换后播放。采样的模拟信号转换为数字信号之后，从ADCDAT输出，经I2S控制器传递给内存。采样速率及串行的音频数据的输入输出，则由连接至MCLK与BCLK的主控芯片Exynos 4412来控制。WM8960的SCLK和SDIN引脚接至主控芯片Exynos 4412的I2C总线接口第一个通道，通过主芯片实现对WM8960的配置。

6 电源模块设计

电源管理芯片选用三星电子（Samsung Electronics）S5M8767A，其是为移动应用而设计的一种先进的电源管理IC（PMIC）。其中包括双相降压转换器，各种高效率的降压转换器的LDO、RTC等。S5M8767A的降压转换器为ARM核心/高速缓存、内部逻辑、内存等提供稳定的电源。三个高负荷的降压转换器在应用处理器方面也提供最佳的电源控制。不同的LDO提供适当的权力应用在每个I/O和功能块，有助于CPU支持各类设备。可开启和关闭每块LDO，实现功率优化。原理图如图7所示。

7 JTAG接口模块设计

联合测试工作组（Joint Test Action Group，JTAG）接口模块主要用于对主控芯片内部进行测试和程序代码的烧写，支持程序的在线仿真、调试。其中JTAG的nSRST引脚接收来自主控模块的RESET信号，完成电梯物联网终端开发板的复位。其JTAG接口模块采用5线制调试接口，即JTRST、JTDI、JTMS、JTCK、JTDO，分别对应测试系统复位、测试数据串行输入、测试模式选择、测试时钟和测试数据串行输出。JTAG接口模块采用20针JTAG接口连接标准，通过此接接口可对主控芯片内部所有资源进行编程。原理图如图8所示：

8 结语

现阶段电梯物联网应用的火热主要源于政府的各种激励和扶植政策，但是整个产业的发展还需要技术的革新、产业链的拓展，当然最重要的还是市场的需求。只有电梯物联网的发展真正给政府、电梯企业、维保单位、物业公司和电梯用户带来了利益和便利，才能获得更加广阔的市场空间，全方位地促进电梯行业的发展。

参考文献

[1] 刘化君，刘传清.物联网技术（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2015.

[2] 范峰岩，王丽萍.EMC与电子设备设计的屏蔽技术

[J].山西电子技术，2008，（6）.

[3] 杜丽冰，周斌.移动通信系统的EMC EMI预测和分析[J].环境技术，1996，（5）.

作者简介：徐晓龙（1979-），男，山东青岛人，上海交通大学电子信息与电气工程学院工程师，研究方向：机电控制。

（责任编辑：黄银芳）