基于STM32的电梯物联网数据采集系统

广西财经学院 信息与统计学院 兰建华，朱韵溦，廖云翔，庞富，覃小淇

电梯物联网是物联网技术的应用之一，将智能技术应用于电梯行业，实现了用信息技术将电梯与生产厂家、用户等数据信息的交互。近年来，全国各地颁布了许多电梯物联网的相关政策，投入资金扩大物联网技术的研究，展开电梯物联网试点，电梯物联网技术在万物互联中呈现出欣欣向荣的景象。2020年3月，我国出台了多项信息网络新型基础设施投资政策；此后多个地方政府的工作报告都开始将5G网络建设等作为2020年的重点投资方向，国内企业也积极响应。但是，目前电梯物联网技术在国内还属于新兴事物，电梯物联网的发展仍有诸多问题急需解决。例如，电梯用户地域分布不集中，管理成本高；电梯故障发现以及处理不及时；维保人员无法满足电梯故障处理以及定期维保。目前已有许多企业开始进行电梯物联网的研究与开发，如深圳市爱丰达盛科技有限公司物联网大数据平台Libi-DataTM对SDT数据终端进行数据的入库、存储和分析处理，对电梯运行状态进行实时监控，并且在平台上部署基于机器学习算法的大数据分析引擎，自动建立电梯运行一梯一标准，在此基础上实现对电梯运行故障进行大数据分析预测，及时发现问题，提升电梯的安全性。而本文设计实现的物联网盒子正是为用户提供电梯物联网数据，为电梯企业和维保工作人员提供电梯的运行数据和维修保护管理；为企业提供电梯的运行状态数据，从而能够进行预防性检修，提高电梯的可靠性、安全性。同时，设计本物联网盒子支持以前安装电梯的信息升级改造，对尚未支持物联网的电梯通过安装项目设计的物联网盒子以后就可以实现电梯接入4G/5G物联网。

一、电梯安全监控系统总体结构

电梯安全监控系统是电梯物联网根据企业的实际需求，同时结合技术的可行性和可操作性的设计原则，以解决问题为主要目标，将物联网技术应用于电梯的远程安全监控系统，使企业更容易监控电梯。其主要包含三大主要模块：设备感应、网络传输以及业务应用，根据典型的物联网架构设计了基于物联网的电梯安全监控系统的总体结构。如图1所示。

图1 基于物联网的电梯安全监控系统的总体结构

数据采集终端是设备感应层的实现，由广东华凯电梯有限公司提供的实验环境和技术支持，数据采集站安装在电梯控制柜内，可与电梯控制设备通讯，实时采集电梯运行数据。

网络传输层是通过具有SIM卡的4G互联网单元实现的，数据收集站收集的数据通过网络作为接收方的感应层和服务应用层之间的中间集线器，通过网络发送到数据收集通信服务器，这是确保网络环境稳定性的关键。

业务应用层对采集到的电梯运行数据进行展示，通过对故障数据的分析和处理，及时发送报警信息至客户端，使电梯管理员可快速确认信息并立即对电梯故障进行处理。

二、数据采集子系统总体结构

数据采集子系统为设备感应的主要功能结构，基于STM32的电梯4G/5G物联网盒子的设计，可应用与电梯实现数据收集。该物联网盒子由两个部分组成：STM32单片机开发板与4G/5G模块；数据采集终端还包含数据传输串口USB转RS-485转换器。

数据采集终端可以实时采集各种电梯数据作为系统数据源。电梯控制器通过物联网盒子实时收集电梯运行数据，掌握电梯运行状态数据（运行状态、载重状态，当前所处楼层、门的打开和关闭状态、桥内和厅外的呼梯信息等）。当电梯发生故障时，通过分析和判断错误代码，它包括可以实时收集的各种电梯故障信息：电梯电流检测故障、电梯速度异常、运行中门锁断开、上下减速开关断开、开关门故障、换层停靠故障等。

电梯数据传输采用modbus协议，开放性高、可扩充性强，以“主-从”的方式大大地提高了电梯监控数据的通信与传输，产品可以简单可靠的接入网络，实现系统的实时集中监控、分散控制功能。STM32单片机具有低成本，低功耗等特点，常用于设计高性能、低功耗的嵌入式应用。数据传输过程将STM32单片机作为modbus主机，电梯控制器为从机；主机发送命令到modbus从机，从机响应返回数据后，STM32与后台服务器进行通讯链接，将采集到的数据推送至后台服务器，后台服务器解析并存储数据，最后由电梯系统的微信小程序或App来展示数据，数据采集传输流程如图2所示。

图2 数据采集传输流程图

三、数据采集模块功能

数据采集子系统由两个主要部件组成：基于STM32的电梯4G/5G物联网盒子与通信设备。

（一）基于STM32的电梯4G/5G物联网盒子

基于STM32的电梯4G/5G物联网盒子能够对电梯运行数据进行采集，可读取电梯控制器数据端口以及人体传感器输出的电梯实时运行数据，获取故障信息和轿厢乘客信息。轿顶信息采集实现轿顶人体传感器的采集与传送，轿顶信息与电梯机房传输采用有线或无线的传输模式。从电梯控制器（转接板）数据接口、电梯轿厢顶上安装的红外传感器采集电梯的实时运行数据、状态信息和乘客信息，采集的电梯实时运行数据包括直梯的位置信号、运行方向、开关门状态、运行状态、速度异常信号、安全回路断路信号、关门故障信号、启动失败信号、开门故障信号、内招指令信号和承重信号、运行时间和次数、供电中断信号、轿厢内乘客感应信号、上下限位开关动作信号、检修信号以及非操纵逆转等。[1]

为电梯监控提供数据。盒子通过电梯无线中继模块，采集电梯运行系统内部数据，实时监测电梯当前的运行状态，当电梯内出现有可能将要发生的故障信号时可在第一时间向电梯维护和物业抢修人员发送含有电梯当前详细信息(包括电梯所在小区及具体位置、故障名称、电梯所在层及运行方向、电梯内是否有人。保证检修员快速发现问题并排除故障，实现电梯安全运行。

同时，该物联网盒子可为电梯故障预警功能提供数据。将盒子收集到的电梯历史故障数据通过算法进行学习训练，智能化预测电梯故障发生的时间，提前做出警报；电梯企业能够提前通知相关维保人员进行检修，减少故障事件以及损失。系统24小时不间断地分析电梯数据，一旦发现电梯出现异常数据，立即发送报警信息，解决了故障发现不及时的问题。数据采集子系统具有电梯维保考勤功能。当维保人员将电梯系统置于维修状态时，盒子能够为数据采集子系统将该状态上传至远程服务器平台而提供数据，明确维保时间、状况等数据。

（二）设备通信

设备通信采用串口USB转RS-485转换器，传输电路芯片使用ADM2582E，支持半双工/全双工通信模式。在数据信号的传输中，转换器内部独有的I/O电路可自动控制数据流方向，并带有零延时自动收发转换，能够将单端的USB信号转换为平衡差分的RS-485信号发送给物联网盒子，提供每线浪涌保护功率，以及各种原因在线路上产生的浪涌电压并且极小的极间电容保证RS-485接口的高速传输，RS-485端通过RJ-45及DB9公头的连接器连接。[2]

数据收集和通信服务器使用不阻塞的异步输入/输出通信技术，提高了系统的并发处理能力，防止系统因I/O阻塞问题而无法实时储存数据，同时引入了诸如消息队列和druid数据库连接池之类的技术，监控台系统并确保系统性能。在良好而可靠的网络环境下，数据采集终端与数据采集通信服务器之间的通信通过网络进行数据传输，更好地保证电梯安全监控系统的稳定高效运行。

四、结论

基于STM32的支持4G/5G网络的物联网盒子作为电梯数据采集子系统的主要核心部件，该盒子可为用户提供电梯物联网数据。利用STM32实时采集电梯状态数据以及通过扩展实现电梯灯光、通风、空调、声音、媒体广告控制等功能；同时该物联网盒子可以为电梯企业提供电梯运行状态实时监控、故障报警、维修管理等功能，本盒子开发配套有云端Web管理系统以及移动端管理和查看程序（微信小程序和App）。为电梯企业和维保人员提供运行数据和电梯的维保管理，为企业提供电梯的运行状态数据。企业获取数据可以通过预测算法和机器学习进行电梯故障的预测，从而能够进行预防性维修，提高电梯的可靠性、安全性，在其他人因故障被困在电梯时可以迅速地发出报警求助，让救援时间大幅度缩短。同时，设计物联网盒子支持以前安装电梯的信息升级改造，以前尚未支持物联网的电梯通过安装项目设计的物联网盒子以后就可以实现电梯接入4/5g物联网，不仅降低了电梯物联网的开发成本，还大大地提高了电梯数据监控效率。